差压液位变送器与射频导纳液位计组合使用于测量水中含油　

 
　　1　引言
差压液位变送器与射频导纳液位计是工业测量中两种很重要也很常见的液位测量仪表，差压液位变送器是采用的静压液位测量原理，射频导纳液位计采用的是电容测量原理，基于两种不同的测量原理的液位计配合使用可以实现更多的功能。本文就是通过射频导纳和差压液位变送器测量水中含油性介质的原理, 监测冷却水罐内是否有大量油性介质, 从而判断苯乙烯冷却器内热交换管有无泄漏, 根据水和苯乙烯的介电常数与密度解决这一问题。

在苯乙烯冷却系统设计中, 工艺**要求监测冷却水罐内是否有大量的油性介质苯乙烯, 以判断苯乙烯冷却器内热交换管有无发生泄漏。由于苯乙烯不溶于水,无法采用水分析仪测量水中化学性质变化来判断,所以需要考虑一种特殊的方法。通过比较水和苯乙烯的物性数据, 发现水的介电常数为80 ,远大于苯乙烯的介电常数2.45 ;水的标准状态下密度为1 000 kg/m3 ,与苯乙烯的密度909 kg/m3 差不多。可以用水和苯乙烯的介电常数与密度为出发点来解决问题。
 
　　2　测量原理
　　应用电容原理测量物位是成熟的技术。电容物位测量方法就是直接将物位变化转换为检测元件的电容量变化, 然后再将电容量转换为统一电信号进行传输、处理, 后显示物位。电容检测元件是根据圆筒电容器原理进行工作, 由于被测介质水为导电性液体, 结构形式如图1 所示。电极要用绝缘物(如聚四氟乙烯)覆盖作为中间介质, 而液体和金属外圆筒一起作为外电极[ 1] 。


　　图1 　电容物位测量结构形式
　　检测元件所具有的电容量C 可用式(1)表示:
　　C = 2πε1 l/lnRr(1)
　　式中　ε1 ———介电常数;
　　l ———电极被导电液体浸没的长度;
　　R , r ———绝缘覆盖层外半径和内电极外半径。
　　由于ε1 为常数, 所以C 与l 成正比。由C 的大小即可知道l 的数值。
　　应用静压原理测量物位是通过液柱静压对液位进行测量, 是一种应用十分**的方法。其原理如图2 所示。


　　图2 　物位测量原理
　　根据流体力学原理可知, A 、B 两点的压差:
　　Δp = pB -pA =Hρg (2)
　　式中　pA ———密闭容器中A 点的静压(气相压力);
　　pB ———B 点的静压;
　　H ———液柱高度;
　　ρ———液体的密度;
　　g ———密闭容器所在地的重力加速度。
　　如果图2 为敞口容器, 则p A 为大气压, 因此式(2)可变为:
　　p = pB -pA =Hρg (3)
　　式中　p ———B 点的表压。
在测量中, 如果ρg 为常数, 则在密闭容器中A 、B 两点的压差Δp 与液位高度H 成正比;而在敞口容器中则B 点的表压p 与H 成正比。也就是说测出Δp 或者p 就可以知道密闭容器或者敞口容器中的液位高度。
 
　　3　具体应用
　　射频导纳液位变送器是应用电容原理测量物位的仪表, 而差压液位变送器则是采用静压原理测量物位。
　　现在来讨论罐内水中是否含有苯乙烯的情况。在同一罐上安装射频导纳液位变送器和差压液位变送器, 使其测量范围低限一致。如果罐内水中未混有其他介质, 在变送器误差影响范围内, 两变送器测量液位结果是相同的。如果罐内水中混有苯乙烯,先设H1 为罐内水柱高度和, H2 为罐内苯乙烯液柱高度和, ε1 为水的介电常数, ε2 为苯乙烯的介电常数, ρ1 为水的密度, ρ2 为苯乙烯的密度。根据式(1)得射频导纳液位变送器的测量元件所具有的电容C2 =2πε1 H1 /lnRr+2πε2 H2 /lnRr

　　(其中lnRr是常数), 与变送器本身特性有关。由于射频导纳液位变送器预设为水的介电常数, 所以变送器这时测得罐内液体高度H测1 = lnRrC2 /2πε1 = ε1 H1 +ε2 H2 /ε1 =H1 +(ε2 /ε1)H2 。

　　因为ε2 远小于ε1 , 射频导纳液位变送器测得罐内液体高度H测1小于罐内液体实际高度H1 +H2 , 而且在一定范围内, 罐内苯乙烯液柱高度H2 越大,之间的差值就越明显。

　　再看差压液位变送器的情况。水罐为敞口容器, 根据式(3)得变送器这时测得表压p2 =H1ρ1 g +H2 ρ2g 。差压液位变送器的预置值为水的密度, 所以变送器测得罐内液体高度H测2 =p2 /ρ1 g =(H1ρ1 +H2 ρ2)/ρ1 =H1 +(ρ2/ρ1)H2 。因为ρ1 与ρ2 的值相差不大, 差压液位变送器测得罐内液体高度H测2与罐内液体实际高度H1 +H2 的值也相差不大。由此可见, 在罐内混有苯乙烯的情况下,差压液位变送器测得罐内液体高度H测2 实际上是大于射频导纳液位变送器测得罐内液体高度H测1 , 而且随着罐内苯乙烯液柱高度H2 的增加, 两变送器测量值之间的差值就越来越大。

       综上所述, 苯乙烯冷却系统正常工作, 冷却器内热交换管未发生泄漏时, 冷却水罐内只有水, 其射频导纳液位变送器和差压液位变送器的测量值基本一致;当两变送器测量值发生偏差、而且越来越大时,可以判断为冷却器内热交换管发生了泄漏。
 
　　4　结束语
　　在同一化工装置或者储罐, 选用2 台或者3 台变送器测量同一参数是石油化工设计中常用的做法, 本设计也是从常用做法出发, 而且采用的变送器亦为常见仪表, 价格并不高。不过考虑到2 台采用不同测量原理的变送器之间的误差因素, 需要积累一定时间, 两变送器测量值才出现比较明显的偏差, 所以不能用于重要设备或者紧急停车系统。该设计中, 射频导纳液位变送器需采用测量水等导电介质的探头, 不适宜采用测量非导电介质的探头。


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