磁致伸缩液位仪介质密度变化对测量精度的影响
作者：任开春；涂亚庆






       磁致伸缩液位仪具有测量精度高、工作寿命长、价格较低、安装容易、无须重新标定等优点 ,且能同时测量油水和油气界面 ,是理想的接触型大罐液位测量装置之一。但是 ,由于它采用了浮子作为液位和油水界面的感应元件 ,因而介质密度的变化必将给测量精度带来影响 ,这种影响有时甚至会远远超过液位仪的测量精度。

1、磁致伸缩液位仪的工作原理及测量精度

1.1安装

       柔性不锈钢外管安装在液位仪波导管的外部 ,并通过重物或磁铁及球形固定装置固定在大罐底部。液面和油水界面浮子穿套在柔性不锈钢外管外 ,并随液面和油水界面的变化而上下移动 ,是液位的感应元件。

1.2工作原理

       测量时 ,液位计发出低电流“询问”脉冲 ,产生电流磁场。该电流磁场沿波导管向下传导 ,与浮子内磁铁产生的磁场相遇 ,产生“波导扭曲”效应及“返回”脉冲。询问脉冲与返回脉冲之间的时间差即对应液位和油水界面的高低 。

       大罐磁致伸缩液位仪采用的是基于大罐底部的测量技术 ,对大罐外壁和顶部的变形不敏感 ,但会随着大罐底部的移动而移动。

1.3测量精度

       磁致伸缩液位仪的测量精度高 ,量程为 7. 62 m 的产品 ,其测量精度达满量程的 0. 025 %(测量误差不超过 0. 8 mm) ;另一种量程为 18. 3 m 的产品 ,其测量精度达 0. 005 % (测量误差不超过 0. 5 mm) 。

2、介质密度变化对测量精度的影响

       对于不同类型的浮子 ,介质密度变化对测量精度产生不同的影响 ,以一种典型的球形浮子来说明介质密度变化的影响。

2.1磁致伸缩液位仪的浮子

       一般情况下 ,磁致伸缩液位仪的生产厂家会提供多种密度不同、形状各异的浮子供用户选择。

2.2介质密度变化影响测量精度的公式推导

       设浮子浸入介质的深度为 h , 浮子排开介质的体积为 V 1 ,浮子的体积为 V 2 ,Δh ,ΔV 1 ,ΔV 2 为相应的微增量 ,浮子的密度为ρ1 ,介质的密度为ρ2 ,并假定浮子的密度ρ1 和浮子的体积 V 2 不变 ,且忽略内孔对浮子高度尺寸的影响 ,则利用阿基米德浮力定律和微增以上将 k 定义为 - Δρ2/ρ2 →Δh 的传递系数。由此可见 , 如果介质密度 ρ2 的相对变化量为Δρ2/ρ2 ,则浮子浸入深度 h 的变化量为 - kΔρ2/ρ2 ,负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小。 

2.3仿真分析

       利用 MA TLAB 程序对浮子进行仿真分析 ,得出 h - k 曲线 可见 ,在液位不变而介质密度变化的情况下 ,浮子的高度 h 会发生变化 ,这就意味着磁致伸缩液位仪的液位读数会发生变化 ,从而造成测量误差。例如 ,当 h = 45 mm 时(即浮子约一半浸入介质) , k = 28. 4433 ,即只要介质密度 ρ2 的相对变化量Δρ2/ρ2 为 2. 5 % , 就会产生01711 mm 的测量误差 ,超过上述量程为 18. 3 m 的产品的测量误差 0. 5 mm.

3、减小介质密度变化影响测量精度的措施

       由于磁致伸缩液位仪测量精度很高 ,因此 ,尽量减小介质密度变化对测量精度的影响非常重要。考虑到球形浮子内孔径尺寸主要由波导的截止波长决定 ,可变的范围较小 ,因此 ,针对浮子 ,主要分析了采用 3 种方法 ,即选择浮子浸入深度 h 、改变浮子外径 R 和温度补偿 ,来减小介质密度变化对测量精度的影响。

3.1减小浮子浸入深度 h

       浮子浸入介质的深度 h 值越小 ,则 k值越小。因此 ,在选择浮子时 ,可选择密度稍小的浮子 ,减小浮子浸入介质的深度 h ,继而减小 k 值 ,从而减小介质密度变化对测量精度的影响。在使用磁致伸缩液位仪时 ,当介质密度变化时 ,应对液位读数进行修正。

3.2减小浮子外径 R

       R 为 55 mm、40 mm、30 mm、20 mm 时的h - k曲线 ,对应浮子浸入深度 h 等于 R 时的 k 值分别为 35. 55 、25. 04、17. 60、8. 20 ,因此减小外径 R 也能减小 k 值。

3.3温度补偿

       温度的变化会造成介质密度的变化 ,从而使磁致伸缩液位仪产生测量误差。不同介质的温度特性不同 ,以下仅分析油料介质的温度补偿。油料的比重定义为 t ℃的油料的重量与 4 ℃同体积蒸馏水重量之比 ,用 dt 表示。温度为 20 ℃的油料的比重称为标准比重 ,用 d240 表示。dt 与 d240 有如下的关系dt = d240 - α( t - 20) (1)式中α为油料比重的温度修正系数。不同标准比重的油料的α值不同 , d240 为 0. 78～0. 79 的油料的α值为 0. 000792。因此 ,当温度变化大于某一临界值时 ,温度变化对液位读数的影响将超过其测量精度。对于上述的量程为 7. 62 m 的产品 ,温度变化临界值约为 28 ℃;对于上述的量程为 18. 3 m的产品 ,温度变化临界值约为 18 ℃。因此 ,当介质温度变化后 ,应根据公式 (1) 计算比重的变化量 ,再由前面的仿真结果对磁致伸缩液位仪的液位读数进行修正。

4、结束语

       从本质上看 ,采用浮子作为液位感应元件会带来介质密度变化影响测量精度的后果。但由于浮子液位仪本身的测量精度较低 ,该影响可以忽略 ;磁致伸缩液位仪由于其测量精度很高 ,致使该影响非常突出 ;伺服液位仪采用灵敏的测重装置可以部分消除这种影响 ,从而提高测量精度。






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