劉子云

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自密度的計算方法

劉子云

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

介紹一種利用安裝在被測容器上的雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計，通過在實際的工作溫度和壓力下所測得的容器內(nèi)兩種互不相溶液體間的實際界位，以及與之相對應(yīng)的變送器正負壓室間的壓差，利用液柱壓強公式建立實際界位與變送器正負壓室間的壓差關(guān)系式，通過兩組關(guān)系式計算出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度的方法。

密度 不相溶液體 壓差 雙法蘭智能差壓變送器 液位計

目前，密度測量技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代國防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活等領(lǐng)域，在計量、科研和工業(yè)生產(chǎn)中有著重大意義。對密度的測量研究及其應(yīng)用涉及國際間的交流與合作，國際上科技先進國家對于密度測量的研究及其應(yīng)用頗為重視，是顯示一個國家現(xiàn)代計量水平的重要方面[1，2]。

密度是指在規(guī)定的溫度下，單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)[3]，在一定程度上代表著液體產(chǎn)品的質(zhì)量。測量物質(zhì)的密度的方法大體上分為兩類：一是源于密度基本原理公式的直接測量法，一般有密度計法[4]、密度瓶法及天平法等；二是利用密度量與某些物理量關(guān)系的間接測量法[5，6]，主要有諧振法、射線法[5]、超聲波法[5，7]及靜壓法[5]等。在線密度計均屬于間接測量法，由于密度不能直接轉(zhuǎn)換成電信號，因而必須先轉(zhuǎn)換成浮力、壓力、聲速、相位及振動頻率等之后才能轉(zhuǎn)換成電信號進行處理，這給密度測量增加了很大的難度[7]。

目前除靜壓法外，上述提到各種密度測量法只能在一定的條件下測量單一液體的密度。筆者介紹的是利用安裝在被測容器上的雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計，測量容器內(nèi)兩種互不相溶液體在實際工作溫度和壓力下的各自密度。

1 計算方法

筆者利用安裝在被測容器上的就地液位計讀出被測容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的實際界位，再利用與安裝在被測容器上的雙法蘭智能差壓變送器相連接的手操器(如375型手操器)，讀出與實際界位相對應(yīng)的差壓變送器正負壓室間的壓差，利用液柱壓強公式建立被測容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的實際界位和差壓變送器正負壓室間壓差的關(guān)系式[8]，通過兩組這樣的關(guān)系式計算出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度。本方法屬于間接測量密度的方法之一的靜壓法。

利用雙法蘭液位變送器和就地液位計測量兩種不相溶液體界位的安裝示意圖如圖1所示。其中H1為差壓變送器到被測容器正取壓孔中心線的高度，H2為差壓變送器到被測容器負取壓孔中心線的高度，兩個數(shù)值都可以用長度測量尺在線測量；V為在生產(chǎn)實際中使用的容器，內(nèi)裝有類似油和水的兩種互不相溶的液體；LT為雙法蘭智能差壓變送器，用于測量被測容器V內(nèi)的兩種互不相溶液體的界位，利用與之相連接的手操器可以讀出其正負壓室間的壓差；LG為玻璃板液位計，用于測量被測容器V內(nèi)的兩種互不相溶液體的實際界位。

圖1 界位測量儀表安裝示意圖

由液柱壓強公式p=ρgh可得：

p+=ρgH1+ρ1gh+ρ2g(H2-H1-h)

p-=ρgH2

Δp=p+-p-=ρgH1+ρ1gh+ρ2g(H2-H1-h)-ρgH2

(1)

式中g(shù)——重力加速度，9.81m/s2；

h——被測容器的兩種互不相溶液體的界位，m；

p+——雙法蘭智能差壓變送器正壓室的壓力，Pa；

p-——雙法蘭智能差壓變送器負壓室的壓力，Pa；

Δp——雙法蘭智能差壓變送器正負壓室的壓差，Pa；

ρ——雙法蘭智能差壓變送器毛細管內(nèi)隔離液的密度，kg/m3；

ρ1——被測容器內(nèi)下部密度較大介質(zhì)的密度，kg/m3；

ρ2——被測容器內(nèi)上部密度較小介質(zhì)的密度，kg/m3。

式(1)中的變量h可以從安裝在被測容器上的就地液位計(LG)讀出；Δp可以從與變送器相連接的手操器直接讀出；ρ是一個定值，可以從變送器的隨機資料中獲取。

由式(1)可得：

Δp1=p+-p-=ρgH1+ρ1gh1+ρ2g(H2-H1-h1)-ρgH2

(2)

Δp2=p+-p-=ρgH1+ρ1gh2+ρ2g(H2-H1-h2)-ρgH2

(3)

式中 Δp1——當實際界位為h1時的雙法蘭智能差壓變送器的壓差，Pa；

Δp2——當實際界位為h2時的雙法蘭智能差壓變送器的壓差，Pa。

從式(2)、(3)可以得出：

(4)

(5)

利用式(4)、(5)即可求出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自的密度。

2 計算步驟

利用本方法計算容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度的步驟如下：

a. 在實際生產(chǎn)相對穩(wěn)定且在工藝條件允許的情況下，利用就地液位計讀出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的實際界位h1。與此同時，利用與雙法蘭智能差壓變送器相連接的手操器，讀出與h1相對應(yīng)的雙法蘭智能差壓變送器的正負壓室間的壓差Δp1，組成一組數(shù)據(jù)(h1，Δp1)。

b. 過一段時間，再利用就地液位計讀出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位h2。與此同時，利用與雙法蘭智能差壓變送器相連接的手操器，讀出與h2相對應(yīng)的雙法蘭智能差壓變送器的正負壓室間的壓差Δp2，組成另一組數(shù)據(jù)(h2，Δp2)，h1≠h2。

c. 將第一組數(shù)據(jù)(h1，Δp1)和第二組數(shù)據(jù)(h2，Δp2)代入式(4)、(5)，計算出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自的密度ρ1和ρ2。

由于上述數(shù)據(jù)是在生產(chǎn)實際溫度和壓力下讀取的被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位h和與之相對應(yīng)的差壓變送器的正負壓室間的壓差Δp，這樣計算出的結(jié)果便是在生產(chǎn)實際工作溫度和壓力下的被測容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的各自密度。

3 計算實例

實際利用雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計測量容器內(nèi)油水界位的安裝示意圖如圖2所示。其中，V001是某煉油廠減壓塔頂分水罐，罐內(nèi)底部為水，罐內(nèi)頂部為油。

圖2 界位測量儀表的實際安裝示意圖

LT001為測量油水界位的EJA118W-EMSA2CA-AA06-97EB/NS1/F1/C3型雙法蘭智能差壓變送器，該變送器的毛細管的長度為6m，毛細管內(nèi)的硅油密度ρ=1070kg/m3。變送器的安裝高度距離正取壓的法蘭中心H1=4.8m，距離負取壓的法蘭中心H2=6.5m。LG001為就地玻璃板液位計，它采用連通器原理，可以直接觀測到V001罐內(nèi)的實際油水界位(表1)。

表1 V001罐內(nèi)的實際油水界位

從表1中任意選取兩組數(shù)據(jù)：當h1=0.7m時Δp1=-3160Pa，當h2=1.0m時Δp2=-2750Pa。已知：H1=4.8m，H2=6.5m，ρ=1070kg/m3。將上述數(shù)據(jù)代入式(4)、(5)，可得：ρ1=962.5kg/m3、ρ2=823.1kg/m3。即：V001罐內(nèi)底部水的密度為962.5kg/m3、上部油的密度為823.1kg/m3。

4 計算要點

利用靜壓法計算在實際工作溫度和壓力下，容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自的密度時，應(yīng)注意如下事項：

a. 要確保安裝在容器上的就地液位計投用正常，就地液位計讀出的數(shù)據(jù)能真實反映被測容器的實際界位。

b. 要保證所應(yīng)用的雙法蘭智能差壓變送器是穩(wěn)定、可靠且高精度的產(chǎn)品，所讀出的變送器正負壓室間的壓差，一定是與實際界位相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

c. 在實際應(yīng)用中，儀表工作人員要與工藝操作人員緊密配合，保證實際界位的波動在工藝允許的范圍內(nèi)，必要時采取一定的安全防范措施。

5 結(jié)束語

按一般方法，利用雙法蘭智能差壓變送器測量容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位時，需要準確知道容器內(nèi)這兩種液體各自的密度，才能準確計算出變送器的零點與量程，進而才能利用雙法蘭智能差壓變送器準確測量界位。而在實際生產(chǎn)過程中，很難準確知道相關(guān)液體的密度，利用靜壓法計算在實際工作溫度和壓力下，容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度的方法，可以先計算出被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度，再按一般方法準確地計算出雙法蘭智能差壓變送器的零點與量程，從而使得雙法蘭智能差壓變送器能夠準確測量容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位。由此可見，利用本方法計算被測容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度，具有一定的現(xiàn)實應(yīng)用意義。

[1] 童軍.基于單片機的液體密度檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].合肥:安徽工程科技學(xué)院,2008.

[2] 李紹令,張磊,張漫,等.基于功率譜分析有機械故障免拆檢測裝置設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,(7):21～23.

[3] GB/T 2013-2010,液體石油化工產(chǎn)品密度測定法[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會,2011-05-01.

[4] 黃湘來,趙珊紅.兩種原油密度測量方法的比較試驗[J].計量與測試技術(shù),2011,38(5):50～52.

[5] 李海.論石油密度的測量及影響要素[J].科學(xué)之友,2011,(4):22～23.

[6] 李興華.密度測量及其應(yīng)用[J].中國計量,1999,(3):54～55.

[7] 張興紅,邱磊,陳鑫,等.高精度多聲道超聲波密度計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015,(2):20～22.

[8] 劉子云.一種全新的消除雙法蘭智能差壓變送器液位測量誤差的方法[J].化工自動化及儀表,2014,41(9):1003～1008.

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DensityCalculationMethodforTwoMutually-dissolvedLiquidsinVessel

LIU Zi-yun

(BeijingEngineeringCo.,ChinaShenhuaCoaltoLiquidandChemicalCo.,Ltd.,Beijing100011,China)

The method for calculating the density of two mutually-dissolved liquids in a vessel was proposed. In which, having a smart doubly-flanged differential pressure transmitter and a local liquid level meter installed on the vessel to detect the real boundary of these two liquids and the differential pressure between the pressure

2016-05-08(修改稿)

TQ573+.62

A

1000-3932(2016)08-0827-04