容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自密度的計(jì)算方法

劉子云

(中國(guó)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(jì)算方法

劉子云

(中國(guó)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(cè)容器上的雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計(jì)，通過在實(shí)際的工作溫度和壓力下所測(cè)得的容器內(nèi)兩種互不相溶液體間的實(shí)際界位，以及與之相對(duì)應(yīng)的變送器正負(fù)壓室間的壓差，利用液柱壓強(qiáng)公式建立實(shí)際界位與變送器正負(fù)壓室間的壓差關(guān)系式，通過兩組關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)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(jì)

目前，密度測(cè)量技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代國(guó)防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活等領(lǐng)域，在計(jì)量、科研和工業(yè)生產(chǎn)中有著重大意義。對(duì)密度的測(cè)量研究及其應(yīng)用涉及國(guó)際間的交流與合作，國(guó)際上科技先進(jìn)國(guó)家對(duì)于密度測(cè)量的研究及其應(yīng)用頗為重視，是顯示一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代計(jì)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(cè)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(cè)量法，一般有密度計(jì)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(cè)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(jì)均屬于間接測(cè)量法，由于密度不能直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因而必須先轉(zhuǎn)換成浮力、壓力、聲速、相位及振動(dòng)頻率等之后才能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理，這給密度測(cè)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(cè)量法只能在一定的條件下測(cè)量單一液體的密度。筆者介紹的是利用安裝在被測(cè)容器上的雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計(jì)，測(cè)量容器內(nèi)兩種互不相溶液體在實(shí)際工作溫度和壓力下的各自密度。

1 計(jì)算方法

筆者利用安裝在被測(cè)容器上的就地液位計(jì)讀出被測(cè)容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的實(shí)際界位，再利用與安裝在被測(cè)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(shí)際界位相對(duì)應(yīng)的差壓變送器正負(fù)壓室間的壓差，利用液柱壓強(qiáng)公式建立被測(cè)容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的實(shí)際界位和差壓變送器正負(fù)壓室間壓差的關(guān)系式[8]，通過兩組這樣的關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)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(cè)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(jì)測(cè)量?jī)煞N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(cè)容器正取壓孔中心線的高度，H2為差壓變送器到被測(cè)容器負(fù)取壓孔中心線的高度，兩個(gè)數(shù)值都可以用長(zhǎng)度測(cè)量尺在線測(cè)量；V為在生產(chǎn)實(shí)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(cè)量被測(cè)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(fù)壓室間的壓差；LG為玻璃板液位計(jì)，用于測(cè)量被測(cè)容器V內(nèi)的兩種互不相溶液體的實(shí)際界位。

圖1 界位測(cè)量?jī)x表安裝示意圖

由液柱壓強(qiáng)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(cè)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(fù)壓室的壓力，Pa；

Δp——雙法蘭智能差壓變送器正負(fù)壓室的壓差，Pa；

ρ——雙法蘭智能差壓變送器毛細(xì)管內(nèi)隔離液的密度，kg/m3；

ρ1——被測(cè)容器內(nèi)下部密度較大介質(zhì)的密度，kg/m3；

ρ2——被測(cè)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(cè)容器上的就地液位計(jì)(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(gè)定值，可以從變送器的隨機(jī)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(dāng)實(shí)際界位為h1時(shí)的雙法蘭智能差壓變送器的壓差，Pa；

Δp2——當(dāng)實(shí)際界位為h2時(shí)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(cè)容器內(nèi)兩種互不相溶液體各自的密度。

2 計(jì)算步驟

利用本方法計(jì)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(shí)際生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定且在工藝條件允許的情況下，利用就地液位計(jì)讀出被測(cè)容器內(nèi)兩種互不相溶液體的實(shí)際界位h1。與此同時(shí)，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(duì)應(yīng)的雙法蘭智能差壓變送器的正負(fù)壓室間的壓差Δp1，組成一組數(shù)據(jù)(h1，Δp1)。

b. 過一段時(shí)間，再利用就地液位計(jì)讀出被測(cè)容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位h2。與此同時(shí)，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(duì)應(yīng)的雙法蘭智能差壓變送器的正負(fù)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(jì)算出被測(cè)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(shí)際溫度和壓力下讀取的被測(cè)容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位h和與之相對(duì)應(yīng)的差壓變送器的正負(fù)壓室間的壓差Δp，這樣計(jì)算出的結(jié)果便是在生產(chǎn)實(shí)際工作溫度和壓力下的被測(cè)容器內(nèi)的兩種互不相溶液體的各自密度。

3 計(jì)算實(shí)例

實(shí)際利用雙法蘭智能差壓變送器和就地液位計(jì)測(cè)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(cè)量?jī)x表的實(shí)際安裝示意圖

LT001為測(cè)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(xì)管的長(zhǎng)度為6m，毛細(xì)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(fù)取壓的法蘭中心H2=6.5m。LG001為就地玻璃板液位計(jì)，它采用連通器原理，可以直接觀測(cè)到V001罐內(nèi)的實(shí)際油水界位(表1)。

表1 V001罐內(nèi)的實(shí)際油水界位

從表1中任意選取兩組數(shù)據(jù)：當(dāng)h1=0.7m時(shí)Δp1=-3160Pa，當(dāng)h2=1.0m時(shí)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(jì)算要點(diǎn)

利用靜壓法計(jì)算在實(shí)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(shí)，應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

a. 要確保安裝在容器上的就地液位計(jì)投用正常，就地液位計(jì)讀出的數(shù)據(jù)能真實(shí)反映被測(cè)容器的實(shí)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(fù)壓室間的壓差，一定是與實(shí)際界位相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

c. 在實(shí)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(shí)際界位的波動(dòng)在工藝允許的范圍內(nèi)，必要時(shí)采取一定的安全防范措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

按一般方法，利用雙法蘭智能差壓變送器測(cè)量容器內(nèi)兩種互不相溶液體的界位時(shí)，需要準(zhǔn)確知道容器內(nèi)這兩種液體各自的密度，才能準(zhǔn)確計(jì)算出變送器的零點(diǎn)與量程，進(jìn)而才能利用雙法蘭智能差壓變送器準(zhǔn)確測(cè)量界位。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很難準(zhǔn)確知道相關(guān)液體的密度，利用靜壓法計(jì)算在實(shí)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(jì)算出被測(cè)容器內(nèi)兩種互不相溶液體的各自密度，再按一般方法準(zhǔn)確地計(jì)算出雙法蘭智能差壓變送器的零點(diǎn)與量程，從而使得雙法蘭智能差壓變送器能夠準(zhǔn)確測(cè)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(jì)算被測(cè)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(shí)應(yīng)用意義。

[1] 童軍.基于單片機(jī)的液體密度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(jī)械故障免拆檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[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(cè)定法[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2011-05-01.

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

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

[6] 李興華.密度測(cè)量及其應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)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(jì)[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(cè)量誤差的方法[J].化工自動(dòng)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