基于微壓變送器的液體介質密度連續(xù)自動檢測裝置的設計

本文設計一種基于微壓變送器的連續(xù)自動檢測裝置，可以實現(xiàn)被測液體介質密度的連續(xù)在線檢測，并介紹裝置結構及檢測原理。

０ 引言

不同的物質密度一般都不相同，由于密度不隨質量和體積而變化，因此密度是檢測物質的重要指標。物質的密度不易直接精確連續(xù)地檢測出，對于液體物質來說，如果能夠引入與被測介質密度相關的量，確定其余的幾個量為定值或是已知量，通過測量得出相關的量數(shù)值的大小，在ＤＣＳ （或 ＰＬＣ ）模擬量運算中建立一元函數(shù)的數(shù)學模型，就可以計算出被測物質密度的值。這種測量方式可以實現(xiàn)連續(xù)在線的自動檢測，可以在大規(guī)模連續(xù)生產中推廣使用。

檢測密度必須要知道兩個物理量，即被測物質的質量和體積。通常的測量方法有：實驗室法、比重杯法、阿基米德定律法等。這些測量方法非常繁瑣，測量周期長，非常大的缺陷是無法實現(xiàn)連續(xù)在線自動檢測，在工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產中無法推廣和普及。為了實現(xiàn)物質密度的連續(xù)自動準確地測量，可以通過比值儀來檢測出物質的百分含量，然后再根據物質的百分含量與密度的函數(shù)關系計算出密度。從經濟角度來看，無論是紫外法還是紅外法的比值儀價格都很高，而且光源的壽命普遍較短，屬于消耗品，在后續(xù)的使用中還會產生費用，這讓很多企業(yè)難以接受。從技術角度來看，紅外法在測量部分介質的過程中還需要用水來稀釋，會產生系統(tǒng)誤差，影響測量精度。為此，研發(fā)一款實用、價格低廉、精度較高、可以連續(xù)自動在線檢測密度的儀器是廣大工程技術人員面前的課題。

１ 檢測裝置設計

由于液體的易流性和不可拉性，靜止的液體內部沒有拉應力和切應力，只能有壓應力，即壓強。根據壓強公式ｐ ＝ ρ ｇ ｈ ，重力加速度 ｇ 是個定值，當高度 ｈ 是定值時，被測介質密度 ρ 和壓強 Ｐ 呈線性的函數(shù)關系。檢測裝置設計如圖１所示。

檢測裝置圖

從工藝管道中流出的液體介質經減壓閥減壓后，流入連接在微壓變送器膜盒法蘭上的溢流圍堰，溢流出來的被測介質流入回收罐中，回收罐底安裝有液位計，操作人員根據液位開啟回收液泵，把回收液打回工藝管道。溢流圍堰的結構尺寸如圖２所示。

溢流圍堰結構尺寸

溢流圍堰內從工藝管線流出的被測液體介質所產生的壓強 Ｐ 值可以通過微壓變送器測量出， ＤＣＳ對其采集處理后可以進行模擬量運算。溢流口處有刻度，用以修正、減小被測介質液體表面的張力對測量的影響。溢流堰內被測液體介質的高度 ｈ 是圍堰板高度 ｈ １ 與液體表面張力產生的高度 ｈ ２ 之和， ｈ ２ 的值可以通過溢流口的刻度測量得出。由 ｐ ＝ ρ ｇ ｈ 可以推導出 ρ ＝ ｐ ／ ｇ ｈ ， ｈ ＝ ｈ １ ＋ ｈ ２ ，則密度 ρ＝ ｐ ／（ ｈ １ ＋ ｈ ２ ） ｇ ， ｐ 的值通過測量和 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 的值可以通過溢流圍堰口刻度測量得出。計算部分可以在 ＤＣＳ 或 ＰＬＣ 的模擬量運算中通過建立一元函數(shù)的數(shù)學模型來實現(xiàn)，計算結果就是被測液體介質的密度。當流進溢流圍堰的流量穩(wěn)定時，被測介質流出溢流圍堰時的張力產生的高度 ｈ ２ 是個定值，流量很小時 ｈ ２ 的值趨近于０ 。

２ 測量值不確定度的消除

應選用 ２″ 的法蘭膜盒式微壓變送器，以減少測量滯后的情況，保持水平安裝，以確保膜盒受壓均勻，安裝的環(huán)境溫度應固定。溢流圍堰采用３１６或３０４材質。應盡量減小被測液體介質經減壓閥流進溢流圍堰的距離，縮短測量滯后的時間。為了減輕液體由勢能轉化成動能對變送器測壓膜片的沖擊，管道與變送器測壓膜片的距離應小于１．５ｃｍ ，被測液體介質從管道中流出時的落點應避開變送器測壓膜片，距離微壓變送器測壓膜片中心距離 ≥３ｃｍ 。溢流圍堰的溢流口邊緣設計成由外側向內成 ≤４５°的銳角，以減小被測介質的表面張力。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測量造成的系統(tǒng)誤差。

３ 結語

該設計方案從實際應用出發(fā)，投入低，能夠實現(xiàn)被測液體介質密度的連續(xù)在線檢測。在線檢測裝置的投運極大減輕了人工取樣檢測的勞動強度，縮短了檢測時間，提高了生產效率。不足之處在于，由于在檢測過程中液體被測介質處于開放的空間，因此該裝置不具備防火防爆的功能，不適于防爆場所。