电容液位计测量液氮气瓶液位的实验研究

陈树军, 李文亮, 唐迎春, 刘永强, 付 越, 夏 莉

(1. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266580；2. 山东省油气储运安全省级重点实验室,山东 青岛 266580； 3. 沈阳职业技术学院 中德学院, 辽宁 沈阳 110045； 4. 广东省特种设备检测研究院, 广东 佛山 528251)

在液氮的使用过程中,气瓶内的液氮会逐渐减少,液面不断下降,液氮气瓶为非透明密封装置,无法直观地观测到其剩余量,所以需要使用液位计对液氮的余量进行检测[1]。常用的低温液体液位计主要有压差式液位计、超声波式液位计、浮子式液位计及电容式液位计等[2-3]。压差式液位计和超声波式液位计的测量会受到液体密度分层的影响,从而导致测量结果出现较大的误差[4-5]；浮子式液位计法一般用于大型储槽液位的测量,在低温绝热气瓶中不能实现[6]；电容式液位计利用电容器极板间电容值与所测介质介电常数之间的线性关系设计而成,其装置结构简单、稳定性好、灵敏度高[7],适用于低温绝热气瓶内液氮的液位测量,能够提高液氮绝热气瓶在实验和工程操作使用过程中的可靠性和安全性[8-9]。单电容液位计在液氮绝热气瓶液位测量方面已经被广泛使用,从调研情况来看其测量精度较低,所以尝试采用三电容液位计进行液位测量。

本文同时利用单电容和三电容液位计对液氮绝热气瓶使用过程中的液位进行测量实验,计算得到电容液位计的测量精度,探究三电容液位计用于液氮液位测量的实验方法,并分析得到液位计测量精度随气瓶内液位高度的变化规律。

1 电容液位计

1.1 电容式液位计组成

电容式液位计由电容式传感器、信号变送器和液位显示器组成[10],如图1所示。

图1 电容式液位计基本组成

在液氮液位测量中,电容式传感器根据其工作原理选择变介电常数型电容传感器进行测量[11]。信号变送部分包括模数转换器和单片机,其作用是采集和处理来自传感器的电信号,并进行放大、模数转换以及其他各类计算工作,最终得到能够在液位显示器上进行液位显示的信号[12]。液位显示器接收来自信号变送器的数字信号并进行直观地显示[13],以便于实时掌握低温绝热气瓶内液体的液位高度,保证工程及科研进程的正常运行。

1.2 平板式电容传感器工作原理

平板式电容传感器采用一对平行板作为电极进行液位测量,内极为一块矩形极板,外极板与内极板相对并呈套状将内极板包围,内外极板组成测量电容[14],其结构如图2所示。根据平行板间电容的变化原理[15]可知,其电容C的计算公式为

(1)

式中：W为电极板的宽度；H为极板高度；hx为极板间液体高度；d为极板间距；εx为极板间液体介质的相对介电常数；ε0为极板间气体介质的相对介电常数。

图2 板式电容结构示意图

信号变送器根据测量电容值与液位高度、预设介电常数的关系可以得出液位高度计算公式如下：

(2)

式中：ε预为预设的极板间液体介质的相对介电常数。

最后将液位高度转化为体积值输出在液位显示器上进行实时显示,其转化公式为

(3)

式中R为气瓶内胆半径。

2 实验流程及主要仪器

利用单电容液位计和三电容液位计在同一低温绝热气瓶中分别进行液位测量,得到两种液位计的测量结果。另外,利用称重实验验证电容液位计测量结果的准确性。电容式和称重式液位测量的流程如图3所示,其中液位测量称重过程如图4所示。

图3 液位测量实验装置流程

图4 液位测量称重过程示意图

图3中所用的液位测量元件为平板式电容传感器，极板结构如图5(a)所示,外极板将内极板包裹并使用螺纹紧固,内极板与外极板间采用绝缘块间隔。平板式单电容液位计仅采用中间的测量电容对液位进行测量。平板式三电容液位计采用测量电容和2个基准电容对液氮的液位进行测量。信号变送器作用为进行数据采集和计算,如图5(b)所示。液位显示器采用液晶显示,其主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成数据显示画面,如图5(c)所示。

3 实验结果及分析

3.1 单电容液位计测量结果及分析

通过单电容液位计测量得到剩余液体的体积值,并将测量得到的4次数值取平均值,然后以经过校准的称重计所测的数值作为标准,计算得到每个液位值下电容液位计的测量相对误差。将计算所得数值和液位计显示数值进行对比得出液位计的测量精度,记录的单电容液位测量数据及通过称重计算所得相对误差见表1。

图5 电容液位计各部分示意图

序号液位计测量平均值/L称重计测量质量/kg计算体积值/L相对误差/%1225.25458.70236.114.602190.00430.50196.483.293152.00400.60154.461.59479.00349.7082.984.7858.25297.209.2110.33

单电容液位测量实验中,气瓶内无液体时所测空质量为290.6 kg,满液质量为500.6 kg,满液时液位计显示的体积为295 L。通过对实验数据进行计算分析,可以得出除去气瓶内剩余液体极少的情况,液位计的综合平均相对误差为4.9%。前期通过调研发现,市场上目前使用的液位计大部分为圆筒式电容液位计,平均相对误差在8%～12%之间,其精度与实验中所使用的板式电容相比较差。主要原因：圆筒式电容由2个同轴圆柱状极板组成,装配时底部有20 mm的测量盲区,而平板式电容传感器在结构上避免了底部的测量盲区,在底部1 mm处就可实现测量,增大了测量范围,减小了测量误差；而且电容式液位计两极板间的间距均较小,圆筒式电容液位计中内筒与外筒间易积累杂质,杂质的存在则易导致介电常数改变,导致测量得到的电容值不准确。板式电容液位计可利用液体的流动及加液时的冲刷作用对极板进行清洗,消除极板间的杂质,从而减小了测量相对误差。

另外,单电容液位计误差产生的原因还可从信号变送器的设计方面进行分析,单电容液位计是通过在单片机中预设介电常数值进行液位的计算,且在以后的测量过程中,信号变送器一直使用此介电常数值进行液位的计算,如图6所示。而当低温绝热气瓶再次充液或使用过程中随温度和压力等因素变化时,实际的介电常数也会发生变化。

图6 单电容液位计计算流程

将表1中单电容液位计测量的相对误差与剩余液体体积的关系作图,结果见图7。由图7可知,在液位较高或较低情况下单电容的测量相对误差较大。这是由于气瓶存在一定的漏热量,液体会不断气化且液面处的液体会发生激烈运动,导致液位不稳定,而液位较高或较低情况时气瓶内液体介质的液面面积较小,相同漏热量情况下,液体的气化程度更高,且液面处液体的运动也更加剧烈,使测量电容所测的值出现较大误差,从而导致液位计最终计算所得液位值的精度不高。同时还可得出液位较低时的测量精度相比液位较高时的测量精度较差,这是由于在液位较低的情况下,液体剩余较少时,组分变化会比较大,剩余液体中大多为难气化的组分,其介电常数与预设值相差较大,所以其测量相对误差会较大。

图7 单电容液位计相对误差与剩余量关系曲线

3.2 三电容液位计测量精度分析

三电容液位测量实验中,气瓶内无液体时所测空瓶质量为290.6 kg,满液质量为500.4 kg,满液时液位计显示的体积为289 L。利用三电容液位计和称重实验所得的液位值见表2。从表2可知，三电容液位计的测量精度较高,综合平均相对误差为1.9%,测量结果表明三电容液位计对液氮介电常数的修正较为准确。三电容液位计的相对误差较单电容小,原因是三电容液位计增设了2个基准电容传感器,并对信号变送器进行了设计改进,使得液位计可以对液体介电常数进行修正,从而提高了测量精度。

表2 三电容液位测量数据

从信号变送器的设计来分析,三电容液位计的信号变送器能够实时接收基准电容的测量值,并进行计算得到液氮的实时介电常数,此时的介电常数经过了修正,更接近液氮的实际介电常数,然后利用修正后的介电常数结合测量电容的实时测量值计算得到液氮的实时液位值,从而使得计算得到的液位值误差与单电容液位计相比更小。信号变送器的此种设计使得液位计的测量精度得到了提高。三电容式传感器液位计的修正过程如图8所示。

图8 三电容液位计计算流程

基准电容在生产时预设一个电容值,并将数值存储于信号变送器中,基准电容的预设电容值与预设介电常数存在如下关系：

(4)

式中：C1为基准电容的预设电容值；S1为基准电容的有效面积；ε1为基准电容预设的相对介电常数；d为极板间距。

气瓶内的液氮在使用过程中,信号变送器会自动读取基准电容的数值.并计算得到新的介电常数,实现液体介电常数的修正,修正后的液体介电常数与基准电容所测电容值关系如下：

(5)

随着气瓶内液氮的减少,测量电容所测得电容值与修正后的液体介质介电常数的关系如下：

(6)

式中：C测1为测量电容的测量电容值；ε0为气体相对介电常数；W为测量电容极板的宽度；H为测量电容极板的高度；hx为实时液位高度。

由公式(4)、(5)、(6)可得测量液位高度的计算公式如下：

(7)

将表2中三电容液位计的相对误差与剩余体积的关系作图,结果见图9。从图9可以得出,三电容液位计的相对误差与单电容相比,纵坐标的数值范围减小很多,特别是液位较高和较低两种情况下误差相差不大,这是由于在液位较低的情况下,三电容液位计基准电容及信号变送器的设置方式对于液体介电常数的修正较为准确,故提高了测量精度。

图9 三电容液位计相对误差与剩余体积值关系曲线

4 结语

采用单电容传感器和三电容传感器分别对液氮绝热气瓶液位进行测量,并将测量的液位与称重结果进行对比,得出单电容和三电容液位计的测量相对误差分别为4.9%和1.9%,由于实验所用的传感器结构方面的优势,能够消除测量盲区及杂质的影响,其精度较目前实际应用的圆筒式电容液位计提高了5%左右；由于信号变送器具有对介电常数精确修正的功能,三电容液位计比单电容的测量精度提高3%。同时,还综合测量相对误差与剩余液体体积的关系,探究得到电容液位计相对误差的变化规律及原因,为电容液位计的研究方向提供了参考。