1　引言
差壓液位變送器與射頻導納液位計是工業(yè)測量中兩種很重要也很常見的液位測量儀表，差壓液位變送器是采用的靜壓液位測量原理，射頻導納液位計采用的是電容測量原理，基于兩種不同的測量原理的液位計配合使用可以實現(xiàn)更多的功能。本文就是通過射頻導納和差壓液位變送器測量水中含油性介質(zhì)的原理, 監(jiān)測冷卻水罐內(nèi)是否有大量油性介質(zhì), 從而判斷苯乙烯冷卻器內(nèi)熱交換管有無泄漏, 根據(jù)水和苯乙烯的介電常數(shù)與密度解決這一問題。

在苯乙烯冷卻系統(tǒng)設(shè)計中, 工藝**要求監(jiān)測冷卻水罐內(nèi)是否有大量的油性介質(zhì)苯乙烯, 以判斷苯乙烯冷卻器內(nèi)熱交換管有無發(fā)生泄漏。由于苯乙烯不溶于水,無法采用水分析儀測量水中化學性質(zhì)變化來判斷,所以需要考慮一種特殊的方法。通過比較水和苯乙烯的物性數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)水的介電常數(shù)為80 ,遠大于苯乙烯的介電常數(shù)2.45 ;水的標準狀態(tài)下密度為1 000 kg/m3 ,與苯乙烯的密度909 kg/m3 差不多。可以用水和苯乙烯的介電常數(shù)與密度為出發(fā)點來解決問題。
 
　　2　測量原理
　　應用電容原理測量物位是成熟的技術(shù)。電容物位測量方法就是直接將物位變化轉(zhuǎn)換為檢測元件的電容量變化, 然后再將電容量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一電信號進行傳輸、處理, 后顯示物位。電容檢測元件是根據(jù)圓筒電容器原理進行工作, 由于被測介質(zhì)水為導電性液體, 結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。電極要用絕緣物(如聚四氟乙烯)覆蓋作為中間介質(zhì), 而液體和金屬外圓筒一起作為外電極[ 1] 。


　　圖1 　電容物位測量結(jié)構(gòu)形式
　　檢測元件所具有的電容量C 可用式(1)表示:
　　C = 2πε1 l/lnRr(1)
　　式中　ε1 ———介電常數(shù);
　　l ———電極被導電液體浸沒的長度;
　　R , r ———絕緣覆蓋層外半徑和內(nèi)電極外半徑。
　　由于ε1 為常數(shù), 所以C 與l 成正比。由C 的大小即可知道l 的數(shù)值。
　　應用靜壓原理測量物位是通過液柱靜壓對液位進行測量, 是一種應用十分**的方法。其原理如圖2 所示。


　　圖2 　物位測量原理
　　根據(jù)流體力學原理可知, A 、B 兩點的壓差:
　　Δp = pB -pA =Hρg (2)
　　式中　pA ———密閉容器中A 點的靜壓(氣相壓力);
　　pB ———B 點的靜壓;
　　H ———液柱高度;
　　ρ———液體的密度;
　　g ———密閉容器所在地的重力加速度。
　　如果圖2 為敞口容器, 則p A 為大氣壓, 因此式(2)可變?yōu)?
　　p = pB -pA =Hρg (3)
　　式中　p ———B 點的表壓。
在測量中, 如果ρg 為常數(shù), 則在密閉容器中A 、B 兩點的壓差Δp 與液位高度H 成正比;而在敞口容器中則B 點的表壓p 與H 成正比。也就是說測出Δp 或者p 就可以知道密閉容器或者敞口容器中的液位高度。
 
　　3　具體應用
　　射頻導納液位變送器是應用電容原理測量物位的儀表, 而差壓液位變送器則是采用靜壓原理測量物位。
　　現(xiàn)在來討論罐內(nèi)水中是否含有苯乙烯的情況。在同一罐上安裝射頻導納液位變送器和差壓液位變送器, 使其測量范圍低限一致。如果罐內(nèi)水中未混有其他介質(zhì), 在變送器誤差影響范圍內(nèi), 兩變送器測量液位結(jié)果是相同的。如果罐內(nèi)水中混有苯乙烯,先設(shè)H1 為罐內(nèi)水柱高度和, H2 為罐內(nèi)苯乙烯液柱高度和, ε1 為水的介電常數(shù), ε2 為苯乙烯的介電常數(shù), ρ1 為水的密度, ρ2 為苯乙烯的密度。根據(jù)式(1)得射頻導納液位變送器的測量元件所具有的電容C2 =2πε1 H1 /lnRr+2πε2 H2 /lnRr

　　(其中l(wèi)nRr是常數(shù)), 與變送器本身特性有關(guān)。由于射頻導納液位變送器預設(shè)為水的介電常數(shù), 所以變送器這時測得罐內(nèi)液體高度H測1 = lnRrC2 /2πε1 = ε1 H1 +ε2 H2 /ε1 =H1 +(ε2 /ε1)H2 。

　　因為ε2 遠小于ε1 , 射頻導納液位變送器測得罐內(nèi)液體高度H測1小于罐內(nèi)液體實際高度H1 +H2 , 而且在一定范圍內(nèi), 罐內(nèi)苯乙烯液柱高度H2 越大,之間的差值就越明顯。

　　再看差壓液位變送器的情況。水罐為敞口容器, 根據(jù)式(3)得變送器這時測得表壓p2 =H1ρ1 g +H2 ρ2g 。差壓液位變送器的預置值為水的密度, 所以變送器測得罐內(nèi)液體高度H測2 =p2 /ρ1 g =(H1ρ1 +H2 ρ2)/ρ1 =H1 +(ρ2/ρ1)H2 。因為ρ1 與ρ2 的值相差不大, 差壓液位變送器測得罐內(nèi)液體高度H測2與罐內(nèi)液體實際高度H1 +H2 的值也相差不大。由此可見, 在罐內(nèi)混有苯乙烯的情況下,差壓液位變送器測得罐內(nèi)液體高度H測2 實際上是大于射頻導納液位變送器測得罐內(nèi)液體高度H測1 , 而且隨著罐內(nèi)苯乙烯液柱高度H2 的增加, 兩變送器測量值之間的差值就越來越大。

       綜上所述, 苯乙烯冷卻系統(tǒng)正常工作, 冷卻器內(nèi)熱交換管未發(fā)生泄漏時, 冷卻水罐內(nèi)只有水, 其射頻導納液位變送器和差壓液位變送器的測量值基本一致;當兩變送器測量值發(fā)生偏差、而且越來越大時,可以判斷為冷卻器內(nèi)熱交換管發(fā)生了泄漏。
 
　　4　結(jié)束語
　　在同一化工裝置或者儲罐, 選用2 臺或者3 臺變送器測量同一參數(shù)是石油化工設(shè)計中常用的做法, 本設(shè)計也是從常用做法出發(fā), 而且采用的變送器亦為常見儀表, 價格并不高。不過考慮到2 臺采用不同測量原理的變送器之間的誤差因素, 需要積累一定時間, 兩變送器測量值才出現(xiàn)比較明顯的偏差, 所以不能用于重要設(shè)備或者緊急停車系統(tǒng)。該設(shè)計中, 射頻導納液位變送器需采用測量水等導電介質(zhì)的探頭, 不適宜采用測量非導電介質(zhì)的探頭。


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