容器内两种互不相溶液体各自密度的计算方法

刘子云

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

容器内两种互不相溶液体各自密度的计算方法

刘子云

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

介绍一种利用安装在被测容器上的双法兰智能差压变送器和就地液位计，通过在实际的工作温度和压力下所测得的容器内两种互不相溶液体间的实际界位，以及与之相对应的变送器正负压室间的压差，利用液柱压强公式建立实际界位与变送器正负压室间的压差关系式，通过两组关系式计算出被测容器内两种互不相溶液体的各自密度的方法。

密度 不相溶液体 压差 双法兰智能差压变送器 液位计

目前，密度测量技术被越来越多地应用于现代国防、科技、工业、农业及日常生活等领域，在计量、科研和工业生产中有着重大意义。对密度的测量研究及其应用涉及国际间的交流与合作，国际上科技先进国家对于密度测量的研究及其应用颇为重视，是显示一个国家现代计量水平的重要方面[1，2]。

密度是指在规定的温度下，单位体积内所含物质的质量数[3]，在一定程度上代表着液体产品的质量。测量物质的密度的方法大体上分为两类：一是源于密度基本原理公式的直接测量法，一般有密度计法[4]、密度瓶法及天平法等；二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量法[5，6]，主要有谐振法、射线法[5]、超声波法[5，7]及静压法[5]等。在线密度计均属于间接测量法，由于密度不能直接转换成电信号，因而必须先转换成浮力、压力、声速、相位及振动频率等之后才能转换成电信号进行处理，这给密度测量增加了很大的难度[7]。

目前除静压法外，上述提到各种密度测量法只能在一定的条件下测量单一液体的密度。笔者介绍的是利用安装在被测容器上的双法兰智能差压变送器和就地液位计，测量容器内两种互不相溶液体在实际工作温度和压力下的各自密度。

1 计算方法

笔者利用安装在被测容器上的就地液位计读出被测容器内的两种互不相溶液体的实际界位，再利用与安装在被测容器上的双法兰智能差压变送器相连接的手操器(如375型手操器)，读出与实际界位相对应的差压变送器正负压室间的压差，利用液柱压强公式建立被测容器内的两种互不相溶液体的实际界位和差压变送器正负压室间压差的关系式[8]，通过两组这样的关系式计算出被测容器内两种互不相溶液体的各自密度。本方法属于间接测量密度的方法之一的静压法。

利用双法兰液位变送器和就地液位计测量两种不相溶液体界位的安装示意图如图1所示。其中H1为差压变送器到被测容器正取压孔中心线的高度，H2为差压变送器到被测容器负取压孔中心线的高度，两个数值都可以用长度测量尺在线测量；V为在生产实际中使用的容器，内装有类似油和水的两种互不相溶的液体；LT为双法兰智能差压变送器，用于测量被测容器V内的两种互不相溶液体的界位，利用与之相连接的手操器可以读出其正负压室间的压差；LG为玻璃板液位计，用于测量被测容器V内的两种互不相溶液体的实际界位。

图1 界位测量仪表安装示意图

由液柱压强公式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——重力加速度，9.81m/s2；

h——被测容器的两种互不相溶液体的界位，m；

p+——双法兰智能差压变送器正压室的压力，Pa；

p-——双法兰智能差压变送器负压室的压力，Pa；

Δp——双法兰智能差压变送器正负压室的压差，Pa；

ρ——双法兰智能差压变送器毛细管内隔离液的密度，kg/m3；

ρ1——被测容器内下部密度较大介质的密度，kg/m3；

ρ2——被测容器内上部密度较小介质的密度，kg/m3。

式(1)中的变量h可以从安装在被测容器上的就地液位计(LG)读出；Δp可以从与变送器相连接的手操器直接读出；ρ是一个定值，可以从变送器的随机资料中获取。

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——当实际界位为h1时的双法兰智能差压变送器的压差，Pa；

Δp2——当实际界位为h2时的双法兰智能差压变送器的压差，Pa。

从式(2)、(3)可以得出：

(4)

(5)

利用式(4)、(5)即可求出被测容器内两种互不相溶液体各自的密度。

2 计算步骤

利用本方法计算容器内两种互不相溶液体的各自密度的步骤如下：

a. 在实际生产相对稳定且在工艺条件允许的情况下，利用就地液位计读出被测容器内两种互不相溶液体的实际界位h1。与此同时，利用与双法兰智能差压变送器相连接的手操器，读出与h1相对应的双法兰智能差压变送器的正负压室间的压差Δp1，组成一组数据(h1，Δp1)。

b. 过一段时间，再利用就地液位计读出被测容器内两种互不相溶液体的界位h2。与此同时，利用与双法兰智能差压变送器相连接的手操器，读出与h2相对应的双法兰智能差压变送器的正负压室间的压差Δp2，组成另一组数据(h2，Δp2)，h1≠h2。

c. 将第一组数据(h1，Δp1)和第二组数据(h2，Δp2)代入式(4)、(5)，计算出被测容器内两种互不相溶液体各自的密度ρ1和ρ2。

由于上述数据是在生产实际温度和压力下读取的被测容器内两种互不相溶液体的界位h和与之相对应的差压变送器的正负压室间的压差Δp，这样计算出的结果便是在生产实际工作温度和压力下的被测容器内的两种互不相溶液体的各自密度。

3 计算实例

实际利用双法兰智能差压变送器和就地液位计测量容器内油水界位的安装示意图如图2所示。其中，V001是某炼油厂减压塔顶分水罐，罐内底部为水，罐内顶部为油。

图2 界位测量仪表的实际安装示意图

LT001为测量油水界位的EJA118W-EMSA2CA-AA06-97EB/NS1/F1/C3型双法兰智能差压变送器，该变送器的毛细管的长度为6m，毛细管内的硅油密度ρ=1070kg/m3。变送器的安装高度距离正取压的法兰中心H1=4.8m，距离负取压的法兰中心H2=6.5m。LG001为就地玻璃板液位计，它采用连通器原理，可以直接观测到V001罐内的实际油水界位(表1)。

表1 V001罐内的实际油水界位

从表1中任意选取两组数据：当h1=0.7m时Δp1=-3160Pa，当h2=1.0m时Δp2=-2750Pa。已知：H1=4.8m，H2=6.5m，ρ=1070kg/m3。将上述数据代入式(4)、(5)，可得：ρ1=962.5kg/m3、ρ2=823.1kg/m3。即：V001罐内底部水的密度为962.5kg/m3、上部油的密度为823.1kg/m3。

4 计算要点

利用静压法计算在实际工作温度和压力下，容器内两种互不相溶液体各自的密度时，应注意如下事项：

a. 要确保安装在容器上的就地液位计投用正常，就地液位计读出的数据能真实反映被测容器的实际界位。

b. 要保证所应用的双法兰智能差压变送器是稳定、可靠且高精度的产品，所读出的变送器正负压室间的压差，一定是与实际界位相对应的数据。

c. 在实际应用中，仪表工作人员要与工艺操作人员紧密配合，保证实际界位的波动在工艺允许的范围内，必要时采取一定的安全防范措施。

5 结束语

按一般方法，利用双法兰智能差压变送器测量容器内两种互不相溶液体的界位时，需要准确知道容器内这两种液体各自的密度，才能准确计算出变送器的零点与量程，进而才能利用双法兰智能差压变送器准确测量界位。而在实际生产过程中，很难准确知道相关液体的密度，利用静压法计算在实际工作温度和压力下，容器内两种互不相溶液体的各自密度的方法，可以先计算出被测容器内两种互不相溶液体的各自密度，再按一般方法准确地计算出双法兰智能差压变送器的零点与量程，从而使得双法兰智能差压变送器能够准确测量容器内两种互不相溶液体的界位。由此可见，利用本方法计算被测容器内两种互不相溶液体的各自密度，具有一定的现实应用意义。

[1] 童军.基于单片机的液体密度检测系统设计[D].合肥:安徽工程科技学院,2008.

[2] 李绍令,张磊,张漫,等.基于功率谱分析有机械故障免拆检测装置设计[J].仪表技术与传感器,2012,(7):21～23.

[3] GB/T 2013-2010,液体石油化工产品密度测定法[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会,2011-05-01.

[4] 黄湘来,赵珊红.两种原油密度测量方法的比较试验[J].计量与测试技术,2011,38(5):50～52.

[5] 李海.论石油密度的测量及影响要素[J].科学之友,2011,(4):22～23.

[6] 李兴华.密度测量及其应用[J].中国计量,1999,(3):54～55.

[7] 张兴红,邱磊,陈鑫,等.高精度多声道超声波密度计[J].仪表技术与传感器,2015,(2):20～22.

[8] 刘子云.一种全新的消除双法兰智能差压变送器液位测量误差的方法[J].化工自动化及仪表,2014,41(9):1003～1008.

(Continued on Page 845)

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