吹氣式液位計可用于敞口容器和密閉容器內(nèi)介質(zhì)的液位、密度和界面測量，昌暉儀表在本文對吹氣式液位計測量系統(tǒng)算法知識做詳細(xì)介紹，幫助大家深入了解吹氣式液位計及其應(yīng)用。
吹氣測量系統(tǒng)由吹氣式液位計本體、配套吹氣管和差壓變送器等部件組成。吹氣式液位計本體內(nèi)部由殼體，內(nèi)部管線，減壓閥，恒流閥，流量計等部件組成。吹氣測量系統(tǒng)以潔凈無油的儀表壓縮空氣為測量介質(zhì)。將一定壓力的壓縮空氣通過吹氣管道輸送至被測設(shè)備，當(dāng)吹氣管道內(nèi)的壓縮空氣壓力大于吹氣管下端與被測物料接觸位置的壓力時，吹氣管會穩(wěn)定、連續(xù)地吹出固定頻率的氣泡。此時，吹氣管道內(nèi)壓力相對穩(wěn)定且有一定的代表性。
1、吹氣測量系統(tǒng)基本算法
液相吹氣管內(nèi)壓力：P1=P液，氣相吹氣管內(nèi)壓力：P2=P氣，則所測介質(zhì)深度處壓力值：△P=P2-P1，被測介質(zhì)密度ρ，設(shè)備所在地重力加速度g，則介質(zhì)可被測量到的液位高度變化H：H=△P/(ρ×g)，容器實際液位高度H實際：H實際=H+h1。
下圖介質(zhì)密度確定時吹氣式液位計用于密閉容器內(nèi)液位測量的典型應(yīng)用，儀表工選用雙路吹氣式液位計和1臺差壓變送器即可完成該液位測量。
圖1 吹氣式液位計液位測量示意圖
吹氣式液位計的基本原理是通過測量計算兩種介質(zhì)之間壓力差值進(jìn)而計算被測參數(shù)。而兩種介質(zhì)不僅限于氣相與液相。通過測量兩種不同密度的液相之間壓力差值進(jìn)而計算，則可以得到兩種不溶介質(zhì)的界面位置。由吹氣法基本原理可知：有機(jī)相與水相吹氣管壓力差：△P=P1-P2=ρ有機(jī)×(h-Li)×g+ρ水×Li×g
圖2 吹氣式液位計測界面示意圖
經(jīng)換算，密度確定的密閉容器內(nèi)介質(zhì)界面：Li=(△P-ρ有機(jī)×h×g)/[(ρ水-ρ有機(jī))×g]，式中：P1為水相中吹氣管壓力；P2為有機(jī)相中吹氣管壓力；h界面測量管間距，Li為界面高度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；?span style="font-size:10px;">有機(jī)為有機(jī)相密度；ρ水為水相密度。
由上述計算可得，兩種不溶介質(zhì)的界面位置的Li數(shù)值。
2、吹氣測量系統(tǒng)應(yīng)用算法
吹氣式液位計通過測量設(shè)備內(nèi)各點(diǎn)壓力差值，進(jìn)而換算出目標(biāo)參數(shù)。吹氣式液位計輸出信號為差壓值，因此需要通過各類算法進(jìn)行換算。對于工藝設(shè)備而言，一臺設(shè)備往往需要測量多個參數(shù)，對于控制系統(tǒng)而言，可將典型設(shè)備分類并編制計算模塊的形式，以減少設(shè)計工作量。昌暉儀表列舉幾種常見設(shè)備并對其進(jìn)行闡述。
2.1 單項貯槽
單項貯槽內(nèi)介質(zhì)單一，往往需要測量液位和密度兩種參數(shù)，其中可細(xì)分為兩種情況：密度較穩(wěn)定和密度波動較大。密度較穩(wěn)定的情況可采用基本算法(圖1)。
圖3 單項貯槽密度待定示意
當(dāng)貯槽內(nèi)介質(zhì)密度無法給定，上述計算法無法實現(xiàn)正常測量，即需要增加密度補(bǔ)償功能。密度補(bǔ)償功能是吹氣算法中重要的輔助計算手段。液位測量帶密度補(bǔ)償功能如下：
兩式合并可得：
式中，H實際為實際被測液位；P?為液位測量差壓值；P?為密度測量差壓值；h?為中管與下管間距；h?為吹氣下管距設(shè)備底部高度。
2.2 兩項貯槽
兩項貯槽在核化工領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，設(shè)備內(nèi)分別有有機(jī)相和水相兩種互不相溶的介質(zhì)，兩種介質(zhì)密度差異較大，靜置時會出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。兩項貯槽往往需要測量液位，某相或某相介質(zhì)密度、界面、液位信號等參數(shù)。測量參數(shù)的增加會導(dǎo)致插入設(shè)備的吹氣管增加，吹氣管之間的配合邏輯也變得更加復(fù)雜。按照測量參數(shù)大致可分為2種情況：
(1)密度變化較小液位界面測量(圖4)
圖4 兩項貯槽密度給定示意
由于設(shè)備內(nèi)存在兩相介質(zhì)，無法直接通過差壓值與密度進(jìn)行換算，因此需要采用分段計算的方法，先計算中管以上液位高度，與中管、下管距設(shè)備底部兩段距離相加，即可得到完整液位高度。
式中，H為實際液位高度；P1為上下兩吹氣管壓差；P2為中下兩吹氣管壓差；ρ上為上層介質(zhì)密度；h1為下管距設(shè)備底部距離；h2為中下兩管距離；g為重力加速度；h3為界面與下管距離。
界面的計算與測量需要保證兩根吹氣管同時分別處于兩相介質(zhì)中，即界面位于中管與下管之間。
換算可得
式中，ρ下為下層介質(zhì)密度。
(2)密度變化較大液位界面測量(圖5)
圖5 兩項貯槽密度待定示意
當(dāng)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)無法確定時，即需要在測量和計算過程中引入密度補(bǔ)償用以確定兩相密度值。而增加密度補(bǔ)償則需要相應(yīng)增加密度測量管，新增的密度管也可作為界面較低時界面測量管，此舉可大大減少界面測量盲區(qū)，對于倒料作業(yè)有較大的指導(dǎo)意義。此類貯槽在工程項目中應(yīng)用情況極少，但是卻代表了工程項目中所應(yīng)用吹氣式液位計算法的核心思想，即引入較多的判斷步驟，達(dá)到對液位與界面的大致位置判斷，進(jìn)而判斷計算參數(shù)的可信度。在非接觸測量技術(shù)改進(jìn)研究試驗過程中，曾出現(xiàn)脈沖萃取柱界面由于超過界面測量儀表的量程而導(dǎo)致控制系統(tǒng)算法無法判斷界面位置，以及脈沖萃取柱進(jìn)料過多導(dǎo)致泄漏等問題。同理，如將判斷機(jī)制更多的引入算法，則可最大限度避免此類問題發(fā)生。
本節(jié)列舉貯槽由于工況過于極限，而實際應(yīng)用情況有限，但其表達(dá)的計算思想，是編制工程項目吹氣式液位計算法的基本邏輯與思路。我們以中管與下管組合測量界面為例，對吹氣式液位計算法進(jìn)行詳細(xì)闡述。
首先需要分別計算兩種介質(zhì)密度：
式中，ρ上為上層介質(zhì)密度；ρ下為下層介質(zhì)密度；P2為中管與中上管壓差；P3為下管與中下管壓差；g為重力加速度；h2為中管與中上管間距；h3為下管與中下管間距。
①首先需要確定液位大致位置，以中管為界，判斷上下管壓差與中下管壓差：當(dāng)P上下≥P中下時，可判斷液位位于中管以上。此時如果ρ上<1且ρ下>1，即判斷此時下管與中下管完全浸沒于水相，但中管與中上管是否均位于有機(jī)相無法判斷。此時需要引入差壓值進(jìn)行判斷，當(dāng)P上下≥P中下+P*+P#時，則中管與中上管均位于有機(jī)相內(nèi)，此時密度值帶入液位和界面的計算公式：
式中，P1為上下兩管壓差；P4為中下兩管壓差；h1為下管距設(shè)備底部距離；h4為中下兩管距離；ρ上為上層介質(zhì)測量密度；g為重力加速度；P*代表中上與中管差壓值，P#、P**為修正值，兩者為可調(diào)值，視不同情況而定。
式中，ρ下為下層介質(zhì)測量密度。
當(dāng)P上下<P中下+P*+P#時，即中管位于有機(jī)相中而中上管暴露于氣相中時，需要引入有機(jī)相密度給定值進(jìn)行計算，即上述計算公式中的ρ上為設(shè)定值。
②當(dāng)P上下≥P中下且ρ下<1時，此時可判斷貯槽內(nèi)界面已下降至中下管以下。當(dāng)P上下≥P中下+P*+P#時，此時液位高于中上管，公式與上述式相同，但ρ下為下層介質(zhì)給定密度。
當(dāng)P上下<P中下+P*+P#時，此時液位低于中上管，兩相密度測量均失效，此時計算與上述式相同，ρ上和ρ下均為給定密度。
當(dāng)P上下<P中下+P*且ρ下>1，此時無法準(zhǔn)確判斷液位與界面的準(zhǔn)確位置，僅能通過ρ下的測量值與ρ上的給定值計算平均密度進(jìn)而估算液位值。界面僅能確定位于中管與中下管之間。
③當(dāng)P上下≥P中下+P**且ρ下<1，此時液位位于中下管與中管之間，界面位于下管與中下管之間，可沿用上述液位和界面計算公式，但ρ上和ρ下均為給定密度。
當(dāng)P上下<P中下+P**且ρ下<1此時界面位置已降至下管之下，液位可通過密度平均值估算，界面位置已無法檢測。
本節(jié)所列舉算法，僅為眾多算法中具有代表性的，代表了我們編制工程項目吹氣式液位計算法的基本思想。
2.3 混合澄清槽
第2.2節(jié)對普通貯槽的算法與判斷進(jìn)行了闡述，本節(jié)以混合澄清槽的單級為對象，對其算法與判斷進(jìn)行闡述(圖6)?；旌铣吻宀弁枰獪y量至少兩級的液位、界面等參數(shù)，每級測量原理基本一致，通過公用儀表管，可減少插入儀表管數(shù)量。
圖6 混合澄清槽(單級)測量系統(tǒng)示意
在實際混合澄清槽儀表管設(shè)置過程中，往往多級共用一根氣相吹氣管，其余吹氣管依據(jù)實際情況設(shè)置。當(dāng)液位處于正常值時，存在如圖6情況，1管處于氣相，2/3管處于有機(jī)相，4/5管處于水相。此時存在判斷關(guān)系P上下≥P中下+P*+P#，即判斷液位穩(wěn)定處于溢流口位置或高于溢流口，其中P*為2管所受壓力值，可根據(jù)具體設(shè)備插入深度，正常液位及當(dāng)?shù)刂亓铀俣惹蟮谩#為修正系數(shù)，可根據(jù)調(diào)試結(jié)果調(diào)整。此時：
式中，P1為上下兩管壓差；P4為中上-下兩管壓差；h1為中上-下兩管距離；ρ上為上層介質(zhì)測量密度；g為重力加速度。
當(dāng)P上下<P中下+P*+P#時，即2管處于氣相時，此時可采用密度給定值或采用平均密度計算。
當(dāng)P上下≥P中下+P*+P#時，即液位處于正常狀態(tài)時：
式中，P4為中上-下兩管壓差；h4為中上-下兩管距離；ρ上為上層介質(zhì)測量密度；ρ下為下層介質(zhì)測量密度；g為重力加速度。
當(dāng)P上下<P中下+P*+P#時，即2管處于氣相時，此時可根據(jù)變送器E數(shù)值判斷界面大概位置。當(dāng)E保持在大于等于1時，可判斷界面位于3/4管之間，當(dāng)E發(fā)生減小，可判斷界面位于4/5管之間。
混合澄清槽算法與上述貯槽有一定相似性，但是往往因為工藝要求比較固定，所以沒有過多需要考慮的情況，因此在工程項目實際應(yīng)用中，難度反而有所降低。
3、結(jié)論
綜上，吹氣式液位計作為一個較為復(fù)雜的檢測裝置，與其他檢測儀表相比，在吹氣式液位計選型、計算、布置、安裝等方面都有一定的復(fù)雜性和不確定性。吹氣測量系統(tǒng)算法經(jīng)過大量科研探索與研究，實現(xiàn)了不同場景、不同工況的分門別類，適應(yīng)大多數(shù)的應(yīng)用場景。本文所闡述的算法，包含了較為常見的設(shè)備，而對于特殊設(shè)備而言，本算法仍需要進(jìn)行大量的適應(yīng)性改進(jìn)。這也體現(xiàn)了吹氣液位計測量系統(tǒng)的復(fù)雜性，只能通過不斷地試驗、總結(jié)、摸索、再試驗的過程，形成穩(wěn)定成熟的算法。這也是今后科研工作中的一個重要方向。
作者：唐翊桐、王宇婷、馮存強(qiáng)
