基于微壓變送器的液體介質(zhì)密度連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種基于微壓變送器的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)液體介質(zhì)密度的連續(xù)在線檢測(cè)，并介紹裝置結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理。

０ 引言

不同的物質(zhì)密度一般都不相同，由于密度不隨質(zhì)量和體積而變化，因此密度是檢測(cè)物質(zhì)的重要指標(biāo)。物質(zhì)的密度不易直接精確連續(xù)地檢測(cè)出，對(duì)于液體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，如果能夠引入與被測(cè)介質(zhì)密度相關(guān)的量，確定其余的幾個(gè)量為定值或是已知量，通過(guò)測(cè)量得出相關(guān)的量數(shù)值的大小，在ＤＣＳ （或 ＰＬＣ ）模擬量運(yùn)算中建立一元函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，就可以計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)密度的值。這種測(cè)量方式可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線的自動(dòng)檢測(cè)，可以在大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)中推廣使用。

檢測(cè)密度必須要知道兩個(gè)物理量，即被測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量和體積。通常的測(cè)量方法有：實(shí)驗(yàn)室法、比重杯法、阿基米德定律法等。這些測(cè)量方法非常繁瑣，測(cè)量周期長(zhǎng)，非常大的缺陷是無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線自動(dòng)檢測(cè)，在工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)中無(wú)法推廣和普及。為了實(shí)現(xiàn)物質(zhì)密度的連續(xù)自動(dòng)準(zhǔn)確地測(cè)量，可以通過(guò)比值儀來(lái)檢測(cè)出物質(zhì)的百分含量，然后再根據(jù)物質(zhì)的百分含量與密度的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出密度。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，無(wú)論是紫外法還是紅外法的比值儀價(jià)格都很高，而且光源的壽命普遍較短，屬于消耗品，在后續(xù)的使用中還會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用，這讓很多企業(yè)難以接受。從技術(shù)角度來(lái)看，紅外法在測(cè)量部分介質(zhì)的過(guò)程中還需要用水來(lái)稀釋，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，影響測(cè)量精度。為此，研發(fā)一款實(shí)用、價(jià)格低廉、精度較高、可以連續(xù)自動(dòng)在線檢測(cè)密度的儀器是廣大工程技術(shù)人員面前的課題。

１ 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

由于液體的易流性和不可拉性，靜止的液體內(nèi)部沒(méi)有拉應(yīng)力和切應(yīng)力，只能有壓應(yīng)力，即壓強(qiáng)。根據(jù)壓強(qiáng)公式ｐ ＝ ρ ｇ ｈ ，重力加速度 ｇ 是個(gè)定值，當(dāng)高度 ｈ 是定值時(shí)，被測(cè)介質(zhì)密度 ρ 和壓強(qiáng) Ｐ 呈線性的函數(shù)關(guān)系。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)如圖１所示。

檢測(cè)裝置圖

從工藝管道中流出的液體介質(zhì)經(jīng)減壓閥減壓后，流入連接在微壓變送器膜盒法蘭上的溢流圍堰，溢流出來(lái)的被測(cè)介質(zhì)流入回收罐中，回收罐底安裝有液位計(jì)，操作人員根據(jù)液位開(kāi)啟回收液泵，把回收液打回工藝管道。溢流圍堰的結(jié)構(gòu)尺寸如圖２所示。

溢流圍堰結(jié)構(gòu)尺寸

溢流圍堰內(nèi)從工藝管線流出的被測(cè)液體介質(zhì)所產(chǎn)生的壓強(qiáng) Ｐ 值可以通過(guò)微壓變送器測(cè)量出， ＤＣＳ對(duì)其采集處理后可以進(jìn)行模擬量運(yùn)算。溢流口處有刻度，用以修正、減小被測(cè)介質(zhì)液體表面的張力對(duì)測(cè)量的影響。溢流堰內(nèi)被測(cè)液體介質(zhì)的高度 ｈ 是圍堰板高度 ｈ １ 與液體表面張力產(chǎn)生的高度 ｈ ２ 之和， ｈ ２ 的值可以通過(guò)溢流口的刻度測(cè)量得出。由 ｐ ＝ ρ ｇ ｈ 可以推導(dǎo)出 ρ ＝ ｐ ／ ｇ ｈ ， ｈ ＝ ｈ １ ＋ ｈ ２ ，則密度 ρ＝ ｐ ／（ ｈ １ ＋ ｈ ２ ） ｇ ， ｐ 的值通過(guò)測(cè)量和 ＤＣＳ 采集處理是已知的， ｇ 為常數(shù)， ｈ１ 的值是溢流圍堰板的高度，也是已知量， ｈ２ 的值可以通過(guò)溢流圍堰口刻度測(cè)量得出。計(jì)算部分可以在 ＤＣＳ 或 ＰＬＣ 的模擬量運(yùn)算中通過(guò)建立一元函數(shù)的數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果就是被測(cè)液體介質(zhì)的密度。當(dāng)流進(jìn)溢流圍堰的流量穩(wěn)定時(shí)，被測(cè)介質(zhì)流出溢流圍堰時(shí)的張力產(chǎn)生的高度 ｈ ２ 是個(gè)定值，流量很小時(shí) ｈ ２ 的值趨近于０ 。

２ 測(cè)量值不確定度的消除

應(yīng)選用 ２″ 的法蘭膜盒式微壓變送器，以減少測(cè)量滯后的情況，保持水平安裝，以確保膜盒受壓均勻，安裝的環(huán)境溫度應(yīng)固定。溢流圍堰采用３１６或３０４材質(zhì)。應(yīng)盡量減小被測(cè)液體介質(zhì)經(jīng)減壓閥流進(jìn)溢流圍堰的距離，縮短測(cè)量滯后的時(shí)間。為了減輕液體由勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能對(duì)變送器測(cè)壓膜片的沖擊，管道與變送器測(cè)壓膜片的距離應(yīng)小于１．５ｃｍ ，被測(cè)液體介質(zhì)從管道中流出時(shí)的落點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)變送器測(cè)壓膜片，距離微壓變送器測(cè)壓膜片中心距離 ≥３ｃｍ 。溢流圍堰的溢流口邊緣設(shè)計(jì)成由外側(cè)向內(nèi)成 ≤４５°的銳角，以減小被測(cè)介質(zhì)的表面張力。溢流圍堰和微壓變送器法蘭連接的密封使用 ＰＶＣ液體膠，減小溢流高度變化對(duì)測(cè)量造成的系統(tǒng)誤差。

３ 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，投入低，能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)液體介質(zhì)密度的連續(xù)在線檢測(cè)。在線檢測(cè)裝置的投運(yùn)極大減輕了人工取樣檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。不足之處在于，由于在檢測(cè)過(guò)程中液體被測(cè)介質(zhì)處于開(kāi)放的空間，因此該裝置不具備防火防爆的功能，不適于防爆場(chǎng)所。