電容液位計(jì)測量液氮?dú)馄恳何坏膶?shí)驗(yàn)研究

陳樹軍, 李文亮, 唐迎春, 劉永強(qiáng), 付 越, 夏 莉

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580；2. 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266580； 3. 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德學(xué)院, 遼寧 沈陽 110045； 4. 廣東省特種設(shè)備檢測研究院, 廣東 佛山 528251)

在液氮的使用過程中,氣瓶內(nèi)的液氮會(huì)逐漸減少,液面不斷下降,液氮?dú)馄繛榉峭该髅芊庋b置,無法直觀地觀測到其剩余量,所以需要使用液位計(jì)對(duì)液氮的余量進(jìn)行檢測[1]。常用的低溫液體液位計(jì)主要有壓差式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)、浮子式液位計(jì)及電容式液位計(jì)等[2-3]。壓差式液位計(jì)和超聲波式液位計(jì)的測量會(huì)受到液體密度分層的影響,從而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差[4-5]；浮子式液位計(jì)法一般用于大型儲(chǔ)槽液位的測量,在低溫絕熱氣瓶中不能實(shí)現(xiàn)[6]；電容式液位計(jì)利用電容器極板間電容值與所測介質(zhì)介電常數(shù)之間的線性關(guān)系設(shè)計(jì)而成,其裝置結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高[7],適用于低溫絕熱氣瓶內(nèi)液氮的液位測量,能夠提高液氮絕熱氣瓶在實(shí)驗(yàn)和工程操作使用過程中的可靠性和安全性[8-9]。單電容液位計(jì)在液氮絕熱氣瓶液位測量方面已經(jīng)被廣泛使用,從調(diào)研情況來看其測量精度較低,所以嘗試采用三電容液位計(jì)進(jìn)行液位測量。

本文同時(shí)利用單電容和三電容液位計(jì)對(duì)液氮絕熱氣瓶使用過程中的液位進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn),計(jì)算得到電容液位計(jì)的測量精度,探究三電容液位計(jì)用于液氮液位測量的實(shí)驗(yàn)方法,并分析得到液位計(jì)測量精度隨氣瓶內(nèi)液位高度的變化規(guī)律。

1 電容液位計(jì)

1.1 電容式液位計(jì)組成

電容式液位計(jì)由電容式傳感器、信號(hào)變送器和液位顯示器組成[10],如圖1所示。

圖1 電容式液位計(jì)基本組成

在液氮液位測量中,電容式傳感器根據(jù)其工作原理選擇變介電常數(shù)型電容傳感器進(jìn)行測量[11]。信號(hào)變送部分包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī),其作用是采集和處理來自傳感器的電信號(hào),并進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及其他各類計(jì)算工作,最終得到能夠在液位顯示器上進(jìn)行液位顯示的信號(hào)[12]。液位顯示器接收來自信號(hào)變送器的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行直觀地顯示[13],以便于實(shí)時(shí)掌握低溫絕熱氣瓶內(nèi)液體的液位高度,保證工程及科研進(jìn)程的正常運(yùn)行。

1.2 平板式電容傳感器工作原理

平板式電容傳感器采用一對(duì)平行板作為電極進(jìn)行液位測量,內(nèi)極為一塊矩形極板,外極板與內(nèi)極板相對(duì)并呈套狀將內(nèi)極板包圍,內(nèi)外極板組成測量電容[14],其結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)平行板間電容的變化原理[15]可知,其電容C的計(jì)算公式為

(1)

式中：W為電極板的寬度；H為極板高度；hx為極板間液體高度；d為極板間距；εx為極板間液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0為極板間氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

圖2 板式電容結(jié)構(gòu)示意圖

信號(hào)變送器根據(jù)測量電容值與液位高度、預(yù)設(shè)介電常數(shù)的關(guān)系可以得出液位高度計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ε預(yù)為預(yù)設(shè)的極板間液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

最后將液位高度轉(zhuǎn)化為體積值輸出在液位顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,其轉(zhuǎn)化公式為

(3)

式中R為氣瓶內(nèi)膽半徑。

2 實(shí)驗(yàn)流程及主要儀器

利用單電容液位計(jì)和三電容液位計(jì)在同一低溫絕熱氣瓶中分別進(jìn)行液位測量,得到兩種液位計(jì)的測量結(jié)果。另外,利用稱重實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電容液位計(jì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。電容式和稱重式液位測量的流程如圖3所示,其中液位測量稱重過程如圖4所示。

圖3 液位測量實(shí)驗(yàn)裝置流程

圖4 液位測量稱重過程示意圖

圖3中所用的液位測量元件為平板式電容傳感器，極板結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,外極板將內(nèi)極板包裹并使用螺紋緊固,內(nèi)極板與外極板間采用絕緣塊間隔。平板式單電容液位計(jì)僅采用中間的測量電容對(duì)液位進(jìn)行測量。平板式三電容液位計(jì)采用測量電容和2個(gè)基準(zhǔn)電容對(duì)液氮的液位進(jìn)行測量。信號(hào)變送器作用為進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算,如圖5(b)所示。液位顯示器采用液晶顯示,其主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成數(shù)據(jù)顯示畫面,如圖5(c)所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單電容液位計(jì)測量結(jié)果及分析

通過單電容液位計(jì)測量得到剩余液體的體積值,并將測量得到的4次數(shù)值取平均值,然后以經(jīng)過校準(zhǔn)的稱重計(jì)所測的數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得到每個(gè)液位值下電容液位計(jì)的測量相對(duì)誤差。將計(jì)算所得數(shù)值和液位計(jì)顯示數(shù)值進(jìn)行對(duì)比得出液位計(jì)的測量精度,記錄的單電容液位測量數(shù)據(jù)及通過稱重計(jì)算所得相對(duì)誤差見表1。

圖5 電容液位計(jì)各部分示意圖

序號(hào)液位計(jì)測量平均值/L稱重計(jì)測量質(zhì)量/kg計(jì)算體積值/L相對(duì)誤差/%1225.25458.70236.114.602190.00430.50196.483.293152.00400.60154.461.59479.00349.7082.984.7858.25297.209.2110.33

單電容液位測量實(shí)驗(yàn)中,氣瓶內(nèi)無液體時(shí)所測空質(zhì)量為290.6 kg,滿液質(zhì)量為500.6 kg,滿液時(shí)液位計(jì)顯示的體積為295 L。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,可以得出除去氣瓶內(nèi)剩余液體極少的情況,液位計(jì)的綜合平均相對(duì)誤差為4.9%。前期通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),市場上目前使用的液位計(jì)大部分為圓筒式電容液位計(jì),平均相對(duì)誤差在8%～12%之間,其精度與實(shí)驗(yàn)中所使用的板式電容相比較差。主要原因：圓筒式電容由2個(gè)同軸圓柱狀極板組成,裝配時(shí)底部有20 mm的測量盲區(qū),而平板式電容傳感器在結(jié)構(gòu)上避免了底部的測量盲區(qū),在底部1 mm處就可實(shí)現(xiàn)測量,增大了測量范圍,減小了測量誤差；而且電容式液位計(jì)兩極板間的間距均較小,圓筒式電容液位計(jì)中內(nèi)筒與外筒間易積累雜質(zhì),雜質(zhì)的存在則易導(dǎo)致介電常數(shù)改變,導(dǎo)致測量得到的電容值不準(zhǔn)確。板式電容液位計(jì)可利用液體的流動(dòng)及加液時(shí)的沖刷作用對(duì)極板進(jìn)行清洗,消除極板間的雜質(zhì),從而減小了測量相對(duì)誤差。

另外,單電容液位計(jì)誤差產(chǎn)生的原因還可從信號(hào)變送器的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析,單電容液位計(jì)是通過在單片機(jī)中預(yù)設(shè)介電常數(shù)值進(jìn)行液位的計(jì)算,且在以后的測量過程中,信號(hào)變送器一直使用此介電常數(shù)值進(jìn)行液位的計(jì)算,如圖6所示。而當(dāng)?shù)蜏亟^熱氣瓶再次充液或使用過程中隨溫度和壓力等因素變化時(shí),實(shí)際的介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

圖6 單電容液位計(jì)計(jì)算流程

將表1中單電容液位計(jì)測量的相對(duì)誤差與剩余液體體積的關(guān)系作圖,結(jié)果見圖7。由圖7可知,在液位較高或較低情況下單電容的測量相對(duì)誤差較大。這是由于氣瓶存在一定的漏熱量,液體會(huì)不斷氣化且液面處的液體會(huì)發(fā)生激烈運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致液位不穩(wěn)定,而液位較高或較低情況時(shí)氣瓶內(nèi)液體介質(zhì)的液面面積較小,相同漏熱量情況下,液體的氣化程度更高,且液面處液體的運(yùn)動(dòng)也更加劇烈,使測量電容所測的值出現(xiàn)較大誤差,從而導(dǎo)致液位計(jì)最終計(jì)算所得液位值的精度不高。同時(shí)還可得出液位較低時(shí)的測量精度相比液位較高時(shí)的測量精度較差,這是由于在液位較低的情況下,液體剩余較少時(shí),組分變化會(huì)比較大,剩余液體中大多為難氣化的組分,其介電常數(shù)與預(yù)設(shè)值相差較大,所以其測量相對(duì)誤差會(huì)較大。

圖7 單電容液位計(jì)相對(duì)誤差與剩余量關(guān)系曲線

3.2 三電容液位計(jì)測量精度分析

三電容液位測量實(shí)驗(yàn)中,氣瓶內(nèi)無液體時(shí)所測空瓶質(zhì)量為290.6 kg,滿液質(zhì)量為500.4 kg,滿液時(shí)液位計(jì)顯示的體積為289 L。利用三電容液位計(jì)和稱重實(shí)驗(yàn)所得的液位值見表2。從表2可知，三電容液位計(jì)的測量精度較高,綜合平均相對(duì)誤差為1.9%,測量結(jié)果表明三電容液位計(jì)對(duì)液氮介電常數(shù)的修正較為準(zhǔn)確。三電容液位計(jì)的相對(duì)誤差較單電容小,原因是三電容液位計(jì)增設(shè)了2個(gè)基準(zhǔn)電容傳感器,并對(duì)信號(hào)變送器進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn),使得液位計(jì)可以對(duì)液體介電常數(shù)進(jìn)行修正,從而提高了測量精度。

表2 三電容液位測量數(shù)據(jù)

從信號(hào)變送器的設(shè)計(jì)來分析,三電容液位計(jì)的信號(hào)變送器能夠?qū)崟r(shí)接收基準(zhǔn)電容的測量值,并進(jìn)行計(jì)算得到液氮的實(shí)時(shí)介電常數(shù),此時(shí)的介電常數(shù)經(jīng)過了修正,更接近液氮的實(shí)際介電常數(shù),然后利用修正后的介電常數(shù)結(jié)合測量電容的實(shí)時(shí)測量值計(jì)算得到液氮的實(shí)時(shí)液位值,從而使得計(jì)算得到的液位值誤差與單電容液位計(jì)相比更小。信號(hào)變送器的此種設(shè)計(jì)使得液位計(jì)的測量精度得到了提高。三電容式傳感器液位計(jì)的修正過程如圖8所示。

圖8 三電容液位計(jì)計(jì)算流程

基準(zhǔn)電容在生產(chǎn)時(shí)預(yù)設(shè)一個(gè)電容值,并將數(shù)值存儲(chǔ)于信號(hào)變送器中,基準(zhǔn)電容的預(yù)設(shè)電容值與預(yù)設(shè)介電常數(shù)存在如下關(guān)系：

(4)

式中：C1為基準(zhǔn)電容的預(yù)設(shè)電容值；S1為基準(zhǔn)電容的有效面積；ε1為基準(zhǔn)電容預(yù)設(shè)的相對(duì)介電常數(shù)；d為極板間距。

氣瓶內(nèi)的液氮在使用過程中,信號(hào)變送器會(huì)自動(dòng)讀取基準(zhǔn)電容的數(shù)值.并計(jì)算得到新的介電常數(shù),實(shí)現(xiàn)液體介電常數(shù)的修正,修正后的液體介電常數(shù)與基準(zhǔn)電容所測電容值關(guān)系如下：

(5)

隨著氣瓶內(nèi)液氮的減少,測量電容所測得電容值與修正后的液體介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系如下：

(6)

式中：C測1為測量電容的測量電容值；ε0為氣體相對(duì)介電常數(shù)；W為測量電容極板的寬度；H為測量電容極板的高度；hx為實(shí)時(shí)液位高度。

由公式(4)、(5)、(6)可得測量液位高度的計(jì)算公式如下：

(7)

將表2中三電容液位計(jì)的相對(duì)誤差與剩余體積的關(guān)系作圖,結(jié)果見圖9。從圖9可以得出,三電容液位計(jì)的相對(duì)誤差與單電容相比,縱坐標(biāo)的數(shù)值范圍減小很多,特別是液位較高和較低兩種情況下誤差相差不大,這是由于在液位較低的情況下,三電容液位計(jì)基準(zhǔn)電容及信號(hào)變送器的設(shè)置方式對(duì)于液體介電常數(shù)的修正較為準(zhǔn)確,故提高了測量精度。

圖9 三電容液位計(jì)相對(duì)誤差與剩余體積值關(guān)系曲線

4 結(jié)語

采用單電容傳感器和三電容傳感器分別對(duì)液氮絕熱氣瓶液位進(jìn)行測量,并將測量的液位與稱重結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出單電容和三電容液位計(jì)的測量相對(duì)誤差分別為4.9%和1.9%,由于實(shí)驗(yàn)所用的傳感器結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì),能夠消除測量盲區(qū)及雜質(zhì)的影響,其精度較目前實(shí)際應(yīng)用的圓筒式電容液位計(jì)提高了5%左右；由于信號(hào)變送器具有對(duì)介電常數(shù)精確修正的功能,三電容液位計(jì)比單電容的測量精度提高3%。同時(shí),還綜合測量相對(duì)誤差與剩余液體體積的關(guān)系,探究得到電容液位計(jì)相對(duì)誤差的變化規(guī)律及原因,為電容液位計(jì)的研究方向提供了參考。