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差压式液位计的误差分析与处理
点击次数:678 发布时间:2015-06-17

0 引言
  在现代工业自动化生产过程中通过物位的测量可以确定容器设备中原料成品和半成品的体积和质量,以保证连续生产过程中各环节所需的物料或进行经济核算。或通过物位的测量监视和控制容器内的介质物位,是它保持在工艺要求的高度上,保证产品的质量、产量和生产安全。物位的测量方法也有很多,如玻璃罐液位计、浮力式物位计、差压式液位计、电容式物位计、雷达式物位计、超声波物位计等等,不同的物位计测量原理不同,适用范围和测量精度也不相同。
下面我们就差压式的工作原理、误差产生的原因和处理方法做简单讨论。并给出了在实际应中采用误差处理前、后测量数据的误差变化。
1 差压式液位计的工作原理和量程迁移
1.1 差压式液位计的工作原理
  根据流体静力学原理,一定高度的液体自身的重力作用于底面积上,所产生的压力和液体的高度有关,压差式液位计是通过测量液位高度产生的压力来实现压力的测量。
ΔP = PB - PA = Hρg
PA 为A点的表压力;

输出上、下限的与液位的零点、量程相对应。这种方法称为“零点迁移"。
ΔP|H=0=hρg
ΔP|H=0=h1ρ2g-h2ρ2g
当H=0时, ΔP =0,差压变送器未受任何附加静压。差压变送器无需迁移。
当H=0时, ΔP >0,差压变送器受附加正差压作用,需进行正迁移,迁移量:。
当H=0时, ΔP >0,差压变送器受附加正差压作用,需进行正迁移,迁移量:
2 测量误差产生的原因及影响
ΔP = PB - PA = Hρg
2.1 重力加速度g 的影响
  在同一地区的同一高度,任何物体的重力加速度都是相同的。重力加速度的数值随海拔高度增大而减小。当物体距地面高度远远小于地球半径时,g 变化不大。而离地面高度较大时,重力加速度g数值显著减小,此时不能认为g为常数。
距离地面同一高度的重力加速度,也会随着纬度的升高而变大。由于重力是万有引力的一个分力,万有引力的另一个分力提供了物体绕地轴作圆周运动所需要的向心力。物体所处的地理位置纬度越高,圆周运动轨道半径越小,需要的向心力也越小,重力将随之增大,重力加速度也变大。地理南北两极处的圆周运动轨道半径为0,需要的向心力也为0,重力等于万有引力,此时的重力加速度也达到zui大。
2.2 介质密度的影响
  我们通常所说的液体密度指的是液体在标况(即温度为0℃、压强为1标准大气压) 下的密度。实际应用当中,液体很少是在标况下,液体的密度受压力和温度的影响也不是一个标况下的常数。根据物体热胀冷收的效应,温度升高,体积增加,密度减小。另外,在温度一定的情况下,压力增加,体积减小,密度增加。所以液体的密度会受到压力和温度两个因素的影响。
3 误差的处理
3.1 重力g 的调整
  绕自转轴作匀速圆周运动产生向心力的矢量和。那么,重力就是质点受到万有引力和质点随地球绕自转轴作匀速圆周运动产生向心力的矢量差。
假设地球质量是M,质点质量是m,质点所在纬度是θ,海拔高度h,此处的地球半径是R,地球自转的角速度是ω,万有引力常数是G,质点和地球自转轴之间的距离是r,那么显然有r=(R+h)cosθ。此时,万有引力F引=GMm/(R+h)2,向心
力F向=mrω2=mω2(R+h)cosθ
由余弦定理得G2=F引2+F向2-2F引F向cos θ
上式是理论上的公式,实际应用可用下式g=9.78049(1+0.0052884(Sinθ)2-0.0000059*(Sin2θ)2)-0.00000286h不同高度的重力加速度(m/s2)

3.2 介质密度的调整
  液体的密度在相同的温度、压力下是一个固定常熟,但是随温度和压力的变化密度也会变化。液体密度受温度的影响较大,在低压范围内受压力影响较小,在高压和超高压范围内受压力影响较大。
以测量石油液体为例,参考石油密度与温度、压力的对应关系找出液体的实际密度。在一定环境下,容器内液体的温度基本稳定且均一,直接采用温度传感器测出温度即可。但是液体不同高处的压力不同,容器内各处液体的压力和液体高度基本成正比,所以计算时整个容器内液体的压力取1/2高H处的压力为平均压力可以减小压力误差影响。
4 应用
  2013年10月,某长输管道投产采用水联运,蓄水罐为刚完工未投产的10万m3外浮顶立式金属罐,未加装液位计。同时首站出站流量计均未投用,为了确保投产流量控制方案规定的范围内,必须通过立式金属罐的液位来判断外输排量。为此,首站采用在罐底安装差压变送器检测罐内水的压力变化,并远传至站控SCADA系统,完成液位的转换,及时计算液位高度变化及外输排量,在投产期间发挥了巨大作用。
4.1 构成
4.1.1硬件部分
  在罐底部有一个打压测试的接口,连接上0-200kPa的罗斯蒙特差压变送器,精度为0.075%。远传信号采用4-20mA。
上位机采用BB公司生产的模拟量PLC,并通过以太网上传至计算机。
4.1.2软件部分
  通过VB编写程序,读取PLC压力值。通过公式计算液位高度然后通过罐表数据库查找罐容表自动计算罐容量,再通过罐容量变化及时间计算外输排量。软件能进行历史数据查询、水密度修正、刷新频率设置、以及海拔及经纬度对重力加速度的修正。
界面如下:

4.1.3参数修正
  本地海拔高度为1520米,经过GPS定位,确定经度和纬度。水温为15℃,经过查表密度水的密度为999.1kg/m3。
4.2 数据的校准
  为了获得准确的数据,在投产开始时进行手工检水尺与液位计必读,并及时找出误差产生的原因,调整修正参数。如下表:

备注:上表流量计算按照检尺高度计算。
  经过比对发现,存在一个恒定的差值0.318m,经过现场检查,发现取压孔距离罐底高度约为0.3 米,经过现场测量为0.314米。随后对数据进行+0.314m修正。经过再次比对,结果与检尺非常接近,修正效果良好。如下表:

通过实验可以看出,在使用压差液位计测量液位时,尤其是测量大容量液体的液位时,考虑测量误差及误差调整对准确测量的重要性。

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