浮力掃描式多相液位界面檢測方法及其檢測儀的製作方法

2024-02-29 21:33:15 1

專利名稱：浮力掃描式多相液位界面檢測方法及其檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是液位或界面測量方法和其檢測儀器。
背景技術：
現有的液位或界面檢測儀表主要包括有浮子液位計、超聲液位計、雷達料位計和電離輻射物位計。
浮子液位計主要由浮子、位置傳感器和儀表主機組成，其浮子通常為中空的球體或圓筒，它主要是測量浮子處於重力與其所受浮力達到平衡狀態時的一種位置測量裝置，因而這種液位儀只能得到單一液位值。在實際檢測中，要求其浮子的總體平均密度約為液體密度的二分之一，漂浮中浮子的一半浸沒於液面下。現有浮子液位計存在的技術問題是一是只能用於單一液位檢測，而無法用於兩種以上不相混的多種介質的交界面和液位的檢測；第二是它只適合於被測液體比重(或密度)恆定不變的檢測場合，當液體本身的比重(或密度)發生變化時，浮子浮起高度就會隨之發生變化，從而造成較大的測量誤差，甚至無法檢測。如對於同一液位高度，當液體密度增大時，其浮力增大，浮子漂浮位置會升高，當液體的密度減小時，其浮力降低，浮子漂浮高度也隨之降低，甚至會沉到液體底部，導致測量失效。
所述的其它類型的液位檢測儀，即超聲液位計、雷達料位計和電離輻射料位計同樣存在不能進行兩種以上不相混的多界面和液位檢測的技術問題。具有連續指示的電離輻射液位計也不能用於液體密度變化狀態下的液位檢測；並存在量程小、造價貴和潛在輻射危害等技術缺陷。另外一種利用工業CT垂直成像來實現密度變化狀態下多種介質的多個界面的檢測儀器，其造價高昂，是常規液位計的幾百倍。

發明內容
本發明專利申請的發明目的在於提供一種又能在被測液體密度變化中、密度分布不均勻的情況下，還能在密度不同、且互不相混的多種介質環境中實現液位和多界面測定的浮力掃描式多相液位界面檢測方法及其檢測儀。本發明專利申請的浮力掃描式多相液位界面檢測方法技術方案，其主要技術內容是
一種浮力掃描式多相液位界面檢測方法，其方法是以底面為平面、總體平均密度大於被測液體密度的浮子作為垂直牽拉重力體，以設定的速度，拉動其勻速往復垂直運動，在運動過程中感應其牽拉受力，其拉力突變時刻，即為浮子底平面剛剛接觸介質介面之時刻，該突變時刻與已設定的上起始位或下起始位及其初始時刻，按以下數學模型計算得出其液位或界面高度值當浮子向上運動時HY＝Hx+V·(tY-tx)；當浮子向下運動時HY＝Hs-V·(tY-ts)；式中，HY-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，Hs-浮子上起始位高度值，tx--浮子下起始位初始時刻，ts-浮子上起始位初始時刻，tY-拉力突變時刻，V-浮子運行速度值。
本發明還提供了實施上述浮力掃描式多相液位界面檢測方法的檢測儀技術方案，其主要技術內容是一種浮力掃描式多相液位界面檢測儀，包括有信號處理主機、浮子、驅動電機和拉力傳感器，其總體平均密度大於被測液體密度的浮子具有平面底面，由雙向驅動電機勻速垂直牽拉浮子，拉力傳感器串接設置於浮子牽拉線，拉力傳感器感應信號經數據傳輸通道與信號處理主機相聯，雙向驅動電機的電機控制器的開關量信號連接至信號處理主機。
在各種工業過程中，存在著眾多的需要感測的密度變化、密度分布不均勻的液體，以及由兩種以上的介質構成的多層液位或界面，現有技術及其產品或無能為力，或因成本極高而無實際應用價值。本發明公開的浮力掃描式多相液位界面檢測方法及其檢測儀，其技術方案的設計思想是勻速垂直運行中的浮子穿行至不同密度介質間界面時，其所受浮力會產生突變，牽拉浮子的拉力也隨之突變，通過掃描感應其拉力突變時刻，根據簡單的數學模型進行數據運算，即可實現液位或界面高度值的轉換和準確測定。因而可以看出當液體的密度發生變化時，只能引起拉力的數值發生變化，而拉力曲線上的突變點位置不變，因而液體密度的變化不會對液位測量產生影響。所以，本技術方案不僅能夠在被測液體的密度經常變化的情況下，實現液位或界面的準確測定，也能夠在密度不同的、互不相混的多種液體以及液體、固體並存的介質中進行多層交界面或液位的準確檢測。例如油田儲油罐、緩衝罐或油水分離器等設備中 ，由本浮力本掃描式多相液位界面檢測儀對油、水、泥三種共存介質的界面進行測定，即測定油的液位、油水界面及水與泥的界面，從而實現對儲油罐自動計量管理，對脫水工藝實施自動控制。又如在選礦廠反浮選工藝中，其浮選池中的礦漿一直處於邊沉澱、邊流動的狀態中，其礦漿密度處於動態變化過程中，本浮力掃描式多相液位界面檢測儀既可準確測定浮選池內礦漿和泡沫的交界面，還可測定泡沫層的厚度，實現了反浮選工藝的自動化生產控制。還如，應用於選礦廠尾礦池中對礦漿密度在垂直方向的分布情況進行檢測，它是尾礦池排放工藝的關鍵參數，目前國內沒有檢測手段；應用本浮力掃描式多相液位界面檢測儀實時檢測礦漿密度在垂直方向的分布數據，從而實現了排放過程自動化控制，大大節約動力能源，節約大量的水資源。本技術方案有效的解決了上述以及其它技術領域的液位或界面檢測的技術難題，從而為實現其工業過程的自動化控制創造了條件。本發明技術方案還具有技術組成簡單，檢測準確，應用領域廣闊的技術特點。


圖1為本浮力掃描式多相液位界面檢測儀的構成2為本浮力掃描式多相液位界面檢測儀的電路方框3為電機工作狀態、浮子運行位置及其與拉力和時間之間關係的曲線圖；其中第一曲線為電機工作狀態曲線；第二曲線為浮子位置與時間對應關係的曲線，浮子底面在上起始位Hs和下起始位Hx之間進行周期性、勻速、往返運動；第三曲線為拉力隨時間變化的關係曲線，ts、tx分別為浮子處於上起始位高度Hs、下起始位高度Hx對應的時刻，浮子底面移動到液位或界面HY附近時，拉力值發生突變，拉力變化差最大的時刻tY對應的高度就是液位或界位的高度HY；圖4為在油、水、固體三相共存介質中檢測液位或界面的拉力和高度的變化關係曲線圖，其中Hs-浮子底面平面運行的上起始位高度H1-油液位高度H2-油水界面高度H3-固體沉積表面高度Hx-浮子底面運行的下起始位高度
W0-浮子在空氣中的拉力值。
具體實施例方式
下面將本發明的浮力掃描式多相液位界面檢測方法結合於實施該方法的檢測儀結構內容進行詳細說明。如圖1所示，本浮力掃描式多相液位界面檢測儀包括有信號處理主機5、驅動電機3、電機控制器4、浮子1和串接於驅動電機牽拉浮子1牽拉線上的拉力傳感器2，其中的浮子1的底面為平面，其總體平均密度大於被測液體密度，兩者密度最佳比值為2∶1。在本實施結構中，浮子1的上部為圓錐體，以避免在浮子上沉積汙物而改變其質量，最大限度地保持浮子重量和密度的恆定，避免測量誤差；固定於圓錐體底部為具有底平面的圓餅體10，其平面底面增大了與液面或界面的作用面，其面積越大，儀器測量的靈敏度就越高。上部圓錐體側面與底面的夾角設置範圍為30-60°，其最佳夾角為45°。
所述的浮子1由驅動電機3上、下勻速牽拉垂直往復運行。其驅動電機3可採用伺服電機、電動推桿、直線電機以及其他各種類型的雙向電機，並設定為勻速運行方式。在本實施例，驅動電機採用了伺服電機，設置於電機輸出軸的絞盤8上纏繞有牽拉浮子1的牽拉線。在絞盤8的不同角度位置固定安裝有兩個接近開關6、7，兩接近開關所處的絞盤角度對應於浮子運行的上、下起始位；或者採用電機軸旋轉編碼器設置結構來實現浮子上、下起始位控制。浮子牽拉線上串接有拉力傳感器2，本實施例選用了S形拉力傳感器，其測量範圍應與浮子1重量相適應，輸出與拉力成正比的4～20mA的電流信號或0-5V的電壓信號，經模/數轉換器傳輸通道送入信號處理主機5。信號處理主機5可為PLC、由單片機組成的智能化控制主機或採用PC總線模式的工控機，它以時間掃描方式檢測來自於模/數轉換器傳輸通道的拉力傳感信號。浮子運動的速度值V、浮子運動的上起始高度值Hs或下起始高度值Hx，由操作者鍵盤輸入到信號處理主機5中。
拉力傳感器2所獲取的拉力傳感信號經模/數轉換器傳輸通道送入信號處理主機5。驅動電機3的電機控制器4把驅動電機3啟動、停止和運行方向轉換等開關信號送入信號處理主機5，由信號處理主機5判斷拉力隨時間變化的突變點，與事先設定的起始位時刻、浮子運行速度和起始位高度等參數，按以下的數學模型進行運算，即當浮子向上運動時HY＝Hx+V·(tY-tx)當浮子向下運動時HY＝Hs-V·(tY-ts)式中，HY-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，Hs-浮子上起始位高度值，tx--浮子下起始位初始時刻，ts-浮子上起始位初始時刻，tY-拉力突變時刻，V-浮子運行速度值。
其工作過程如下驅動電機3在電機控制器4的控制下工作，帶動浮子1作上下勻速往返運行。當下行浮子的底面到達最低點時，下限開關動作，電機控制器4控制驅動電機3反向運轉，同時將開關信號送入信號處理主機5計時處理。當上行浮子運行到達最高點時，上限開關動作，電機控制器4控制驅動電機3反向運轉，同時將該開關信號送入信號處理主機5計時處理。驅動電機3運轉狀態的信號波形如圖3第一曲線所示。浮子1底面位置的高度和時間的對應關係曲線如圖3第二曲線所示。浮子往返運行中，信號處理主機5掃描檢測拉力傳感器2拉力變送信號，拉力隨時間的變化曲線如圖3第三曲線圖所示。
液位的判斷方法如下浮子1的底平面10剛剛下降或上升到液位或界面附近的時刻，拉力發生突變，拉力變化最大值對應的時刻tY，就是液位HY對應的時間，液位高度HY按上述數學公式計算得出其液位或界面的高度值。
下面結合圖4說明如油田儲油罐、緩衝罐和油水分離器等設備中，從上至下容納的油、水、泥三種共存介質界面的測定過程，即測定油液液位、油水界面及水與泥的界面。浮子1由最高點Hs向下運動，在Hs-H1之間，浮子處於油層上面，一直處於空氣中，其拉力W0等於浮子的重量，一直保持為恆定值。當浮子位置到達H1時，浮子開始進入油中，由於油的浮力，使拉力急劇降低，拉力變化的最大值對應的高度值，就是油的液位。浮子在油中繼續下移，到達H2處，出現第二個拉力突變點，即油水界面，浮子開始進入水層；浮子在水中繼續向下移動，到達固體表面之後，浮子就停留在沉積固體表面，不再下移，拉力急變為零，且不再改變。拉力的突然變時刻對應高度為H3，就是固體的表面。
權利要求
1.一種浮力掃描式多相液位界面檢測方法，其特徵在於該檢測方法為以底面為平面、總體平均密度大於被測液體密度的浮子作為垂直牽拉重力體，以設定的速度，拉動其勻速往復垂直運動，在運動過程中感應其牽拉受力，其拉力突變時刻，即為浮子底平面剛剛接觸介質介面之時刻，該突變時刻與已設定的上起始位或下起始位及其初始時刻，按以下數學模型計算得出其液位或界面高度值當浮子向上運動時HY＝Hx+V·(tY-tx)；當浮子向下運動時HY＝Hs-V·(tY-ts)；式中，HY-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，Hs-浮子上起始位高度值，tx--浮子下起始位初始時刻，ts-浮子上起始位初始時刻，tY-拉力突變時刻，V-浮子運行速度值。
2.實現權利要求1所述方法的檢測儀，其特徵在於本檢測儀包括有信號處理主機(5)、浮子(1)、驅動電機(3)和拉力傳感器(2)，其總體平均密度大於被測液體密度的浮子具有平面底面，由雙向驅動電機勻速垂直牽拉浮子，拉力傳感器串接設置於浮子牽拉線，拉力傳感器感應信號經數據傳輸通道與信號處理主機相聯，雙向驅動電機的電機控制器的開關量信號連接至信號處理主機。
3.根據權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於浮子(1)由上部的圓錐體和底部的具有底平面的圓餅體(10)構成，其圓錐體側面與底面的夾角設置範圍為30°～60°。
4.根據權利要求3所述的檢測儀，其特徵在於圓錐體側面與底面的夾角為45°。
5.根據權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於浮子的總平均密度與被測介質密度比值為2∶1。
6.根據權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於對應浮子上起始位和下起始位分別設有一限位開關(6、7)。
7.根據權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於驅動電機(3)輸出軸設有旋轉編碼器。
全文摘要
本發明公開的浮力掃描式多相液位界面檢測方法是垂直往復勻速拉動浮子，在其觸及液位或界面，即產生拉力突變，掃描檢測其突變時刻，經浮子運行速度與時間的乘積，再與起始位修正，從而得出其準確的液位或界面高度值。實現上述檢測方法的檢測儀，由信號處理主機、浮子、驅動電機和拉力傳感器組成，其總體平均密度大於被測液體密度的浮子具有平面底面，拉力傳感器串接於浮子牽拉線上，拉力傳感器傳感信號經數據傳輸通道送入信號處理主機，驅動電機的電機控制器開關量信號連接至信號處理主機。本技術方案既能檢測被測液體密度變化狀態下的液位或界面，又能夠檢測密度不同、且互不相混的多種液體以及液體、固體並存的多層介質交界面或液位，具有技術組成簡單，檢測準確、應用領域廣闊的技術特點。
文檔編號G01F23/40GK1967174SQ20061013406
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月23日 優先權日2006年10月23日
發明者侯朝勤, 包良清, 範德日, 謝瓊澤, 劉厚乾, 王文田, 王遠峰 申請人:丹東東方測控技術有限公司