液位测量系统的制作方法

1.本实用新型属于海洋环境下液位测量领域，更具体地说，本实用新型涉及一种液位测量系统。


背景技术：

2.在海洋环境下，船舶或海上平台存在倾斜、摇摆，导致船舶或海上平台内液位测量长期存在困难，给液位监测和工艺控制带来非常大的问题。
3.现有海洋环境下高温高压容器的液位测量，通常采用双参考管法，但是双参考管法必须实时补水，一旦参考点缺水将造成新的测量误差，显然双参考管法无法用于测量不允许进行补水或无法补水的容器液位。
4.导波雷达液位计虽然有着较高精度，但是雷达波无法穿透500mm以上蒸汽层，所以现有导波雷达液位计只能用于测量蒸汽厚度小于0.5m的高温高压容器(如高低加及凝汽器)的液位，不适用于大型容器的液位测量。
5.双平衡容器法在倾斜工况下存在较大测量误差，且随着容器内介质密度与容器外介质密度差值越大，误差越大，因此也不适用于海上倾斜摇摆环境下的液位测量。
6.可见，上述测量法都存在一定条件和局限性，不能满足海洋环境下无法补水的高温高压容器液位的可靠测量。
7.虽然有些液位测量系统采用液位测量误差修正装置对倾角和重力场变化带来的误差进行修正，但是却无法修正倾斜状态下仪表安装距离造成的测量误差，因此依然无法保证液位测量结果具有足够高的精度。
8.有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的液位测量系统。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于：提供一种简单、可靠、精度高的液位测量系统，以解决海洋环境倾斜摇摆对无法补水的高温高压容器液位测量带来的困难。
10.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种液位测量系统，其包括液位测量装置、液位测量误差修正装置、信号采集装置以及处理计算单元；其中，所述液位测量装置用于测量容器液位并输出液位测量信号，所述液位测量误差修正装置用于测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；所述信号采集装置与液位测量装置和液位测量误差修正装置分别连接，用于同步采集液位测量信号和液位修正信号；处理计算单元，与信号采集装置连接，用于利用液位修正信号对液位测量信号进行修正，得出容器内液体的真实液位值；
11.所述液位测量装置包括两个对称安装且共用低压侧远传法兰的双法兰液位计，两个双法兰液位计分别测量容器液位，并与信号采集装置连接，将液位测量信号传输给信号采集装置。
12.作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述容器是海洋环境下无法
补水的高温高压容器，所述液位测量装置包括第一差压变送器、第二差压变送器、两个高压侧远传法兰和一个低压侧远传法兰；所述第一差压变送器、第二差压变送器安装在低于容器的同一高度c处，且布置位置对称；两个高压侧远传法兰均安装在容器外壁下边缘高度b处取压，安装高度相同且安装位置对称，两个高压侧远传法兰中的一个与第一差压变送器的高压侧连接，另一个与第二差压变送器的高压侧连接；低压侧远传法兰安装在容器的顶壁上表面中心处取压，低压侧远传法兰与第一差压变送器、第二差压变送器的低压侧分别连接；所述第一差压变送器、第二差压变送器均与信号采集装置连接，将液位测量信号传输给信号采集装置；所述高压侧远传法兰、低压侧远传法兰均是通过远传法兰毛细管与第一差压变送器和第二差压变送器连接。
13.作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述液位测量系统还包括信号输出单元；所述信号输出单元与处理计算单元连接，用于将处理计算单元计算出的容器内液体的真实液位值向外输出。
14.作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述处理计算单元利用液位修正信号对液位测量信号进行修正，得出容器内液体的真实液位值h的公式为：
[0015][0016]
公式中：
[0017]
δp1为第一差压变送器输出的液位测量信号对应压力值；
[0018]
δp2为第二差压变送器输出的液位测量信号对应压力值；
[0019]
p
10
为液位测量误差修正装置在静止状态下的压力测量值，为已知数；
[0020]
p
′
为液位测量误差修正装置输出的液位修正信号对应的压力测量值；
[0021]
ρ
l
为容器内液体密度；
[0022]
ρv为容器内气空间介质密度；
[0023]
g为重力加速度；
[0024]
h为低压侧远传法兰取压点与容器液位底标高的高度差，为已知数；
[0025]
a、b分别为低压侧远传法兰、高压侧远传法兰取压点的高度，为已知数；
[0026]
ρa为第一差压变送器、第二差压变送器远传法兰毛细管内液体密度。
[0027]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述ρv、ρ
l
采用液位测量时的实时密度，若容器内介质的工作温度和工作压力无变化或变化较小，则ρv、ρ
l
为常数，直接代入公式中进行计算；若容器内介质的工作温度和工作压力存在较大幅度变化，则通过温度和压力关系计算出容器内气空间介质和液体的实时密度ρv、ρ
l
，再将实时密度ρv、ρ
l
代入公式中进行计算。
[0028]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述液位测量误差修正装置是以远传法兰压力变送器或第三差压变送器测量液体修正用液体的实时压力的。
[0029]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述液位测量误差修正装置为远传法兰压力变送器，远传法兰压力变送器包括通过远传法兰毛细管连接的压力变送器和压力膜片，压力膜片位于压力变送器的正上方；压力变送器与信号采集装置连接，将液位修正信号传输给信号采集装置。
[0030]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述液位测量误差修正装置包括集液容器、导压管和第三差压变送器；所述导压管与集液容器连接；第三差压变送器位于集液容器正下方，保证集液容器的中心点与第三差压变送器的中心点在一条垂直线上；第三差压变送器的高压侧与导压管连接，低压侧与大气连接；第三差压变送器与信号采集装置连接，将液位修正信号传输给信号采集装置。
[0031]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述液位测量误差修正装置内的液体种类与液位测量装置的远传法兰毛细管内的液体种类保持一致。
[0032]
作为本实用新型液位测量系统的一种优选实施方式，所述信号采集装置采用同一块板卡实现液位测量装置的液位测量信号和液位测量误差修正装置的液位修正信号的采集。
[0033]
与现有技术相比，本实用新型液位测量系统利用液位测量误差修正装置的液位修正信号对液位测量装置的液位测量信号进行修正，可以彻底消除容器内液位因船体倾斜角、重力场、密度变化以及测量仪表安装距离造成的测量误差，能够在海洋环境倾斜摇摆下对容器的液位进行可靠测量。
附图说明
[0034]
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型液位测量系统进行详细说明。
[0035]
图1为本实用新型液位测量系统的结构示意图。
[0036]
图2为图1中液位测量装置的结构示意图。
[0037]
图3为无法补水的高温高压容器的倾斜示意图。
[0038]
图4为图1中液位测量误差修正装置的第一实施方式的结构示意图。
[0039]
图5为图1中液位测量误差修正装置的第二实施方式的结构示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本实用新型的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。
[0041]
请参阅图1和图2，本实用新型液位测量系统包括：
[0042]
液位测量装置20，包括两个对称安装且共用低压侧远传法兰的双法兰液位计，两个双法兰液位计分别测量容器液位，并输出液位测量信号；
[0043]
液位测量误差修正装置10，预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置测量容器液位时，同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；
[0044]
信号采集装置30，与液位测量装置20和液位测量误差修正装置10分别连接，用于同步采集液位测量信号和液位修正信号；以及
[0045]
处理计算单元40，与信号采集装置30连接，并利用液位修正信号对液位测量信号进行修正，得出容器内液体的真实液位值。具体来说，处理计算单元40是以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值或比值的倒数作为船体倾角和重力加速度变化的液位修正系数，利用液位修正系数对两个双法兰液位计测量信号的平均值进行修正，计算得出容器内液体的真实液位值。
[0046]
本实用新型液位测量系统还包括信号输出单元50，信号输出单元50与处理计算单元40连接，用于将处理计算单元40计算出的容器内液体的真实液位值向外输出。
[0047]
请参阅图2和图3，液位测量装置20包括第一差压变送器p1、第二差压变送器p2、两个高压侧远传法兰21、22和一个低压侧远传法兰23。其中，第一差压变送器p1、第二差压变送器p2安装在低于容器70的同一高度c处，且布置位置对称。两个高压侧远传法兰21、22均安装在容器70外壁下边缘高度b处取压，安装高度相同且安装位置对称；高压侧远传法兰21通过远传法兰毛细管与第一差压变送器p1的高压侧连接，高压侧远传法兰22通过远传法兰毛细管与第二差压变送器p2的高压侧连接。低压侧远传法兰23安装在容器70的顶壁上表面中心处(高度为a)取压，低压侧远传法兰23通过远传法兰毛细管分别与第一差压变送器p1、第二差压变送器p2的低压侧连接。第一差压变送器p1、第二差压变送器p2均与信号采集装置30连接，将液位测量信号传输给信号采集装置30。
[0048]
从液位测量装置20的结构可知，当船体发生倾斜摇摆或晃荡时，第一差压变送器p1、第二差压变送器p2的低压侧压力值和高压侧压力值分别为：
[0049]
p
1-＝ρagg
′
(a-c)cosα ρagg
′
(l r)sinαsinβ p0[0050]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ‑‑
公式(1)；
[0051]
p
1
＝ρbgg
′
(b-c)cosa ρ
l
gg
′
h cosα ρvgg
′
(h-h)cosa ρbgg
′
l sina sinβ ρ
l
gg
′
r sinαsinβ p0ꢀꢀ‑‑
公式(2)；
[0052]
p
2-＝ρagg
′
(a-c)cosα-ρagg
′
(l r)sinαsinβ p0‑‑
公式(3)；
[0053]
p
2
＝ρbgg
′
(b-c)cosα ρ
l
g g
′
h cos a ρvgg
′
(h-h)cos a-ρbgg
′
l sinαsinβ-ρ
l
gg
′
r sinαsinβ p0‑‑
公式(4)
[0054]
公式(1)～(4)中：
[0055]
p
1-为第一差压变送器p1的低压侧压力值；
[0056]
p
1
为第一差压变送器p1的高压侧压力值；
[0057]
p
2-为第二差压变送器p2的低压侧压力值；
[0058]
p
2
为第二差压变送器p2的高压侧压力值；
[0059]
ρa为第一差压变送器p1、第二差压变送器p2低压侧远传法兰毛细管内液体密度；
[0060]
ρb为第一差压变送器p1、第二差压变送器p2高压侧远传法兰毛细管内液体密度；
[0061]
g为重力加速度；
[0062]g′
为船体摇晃导致的重力加速度变量(数值未知)；
[0063]
a、b、c分别为低压侧远传法兰23取压点、高压侧远传法兰21/22取压点、第一差压变送器p1/第二差压变送器p2的高度；
[0064]
α为船体倾角(数值未知)；
[0065]
β为第一差压变送器p1到容器70中心线的连接线与容器70倾斜摇摆绕轴(即图3中标示的相交线)的夹角；
[0066]
l为第一差压变送器p1、第二差压变送器p2与容器70侧壁之间的最小水平距离；
[0067]
r为容器70的半径或高压侧远传法兰21、22到容器70中心的距离；
[0068]
p0为容器70内的气空间静压力；
[0069]
ρ
l
为容器70内液体密度；
[0070]
ρv为容器70内气空间介质密度；
[0071]
h为容器70内液体的真实液位值；
[0072]
h为低压侧远传法兰23取压点与容器70液位底标高的高度差，即a、b的高度差。
[0073]
在实际中，第一差压变送器p1、第二差压变送器p2的高低压侧远传法兰毛细管内的液体密度相同，即ρa＝ρb。
[0074]
因此，第一差压变送器p1输出的液位测量信号对应的压力值δp1、第二差压变送器p2输出的液位测量信号对应的压力值δp2的计算公式分别为：
[0075]
δp1＝p
1 -p
1-[0076]
＝(ρ
l-ρv)gg
′
h cosα ρvgg
′
h cosα (ρ
l-ρa)gg
′
r sinα sinβ-ρagg
′
(a-b)cos a
[0077]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ‑‑
公式(5)；
[0078]
δp2＝p
2 -p
2-[0079]
＝(ρ
l-ρv)gg
′
h cosα ρvgg
′
h cosα-(ρ
l-ρa)gg
′
r sinα sinβ-ρagg
′
(a-b)cos a
[0080]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ‑‑
公式(6)。
[0081]
公式(5)、(6)中，g
′
cosα为海洋环境(大倾斜角和摇摆幅度)引起的误差。若以公式(7)中的k作为液位修正系数，则可以根据公式(5)、(6)推导容器70内液体的真实液位值h：
[0082]
k＝g
′
cosα
‑‑
公式(7)；
[0083][0084][0085][0086]
公式(10)中：
[0087]
δp1为第一差压变送器p1输出的液位测量信号对应压力值；
[0088]
δp2为第二差压变送器p2输出的液位测量信号对应压力值；
[0089]
k为液位修正系数；
[0090]
ρv、ρ
l
分别为容器70内气空间介质密度和容器70内液体密度，若容器70内介质的工作温度和工作压力无变化或变化较小，则ρv、ρ
l
为常数，直接代入公式中进行计算；若容器70内介质的工作温度和工作压力存在较大幅度变化，则应该通过温度和压力关系计算出容器70内气空间介质和液体的实时密度ρv、ρ
l
，再将实时密度ρv、ρ
l
代入公式中进行计算；
[0091]
g为重力加速度；
[0092]
h为低压侧远传法兰23取压点与容器70液位底标高的高度差，为已知数；
[0093]
a、b分别为低压侧远传法兰23、高压侧远传法兰21/22取压点的高度；
[0094]
ρa为第一差压变送器p1、第二差压变送器p2远传法兰毛细管内液体密度(低压侧和高压侧)。
[0095]
易于理解的是，推导公式时也可以用g
′
cosα的倒数作为液位修正系数，与用g
′
cosα作为液位修正系数相比，虽然公式(7)～(10)以及后续的公式(11)在书写形式上会有所变化，但代入数值后得到的实际计算结果(也就是真实液位值h)是相同的。
[0096]
液位测量误差修正装置10是以远传法兰压力变送器或第三差压变送器测量液体修正用液体在静止状态下压力以及修正用液体的实时压力的。
[0097]
请参阅图4，液位测量误差修正装置10的第一实施方式为远传法兰压力变送器，远传法兰压力变送器包括通过远传法兰毛细管16连接的压力变送器17和压力膜片18，压力膜片18位于压力变送器17的正上方。压力变送器17与信号采集装置30连接，将液位修正信号传输给信号采集装置30。
[0098]
请参阅图5，液位测量误差修正装置10的第二实施方式包括集液容器12、导压管11和第三差压变送器13。其中，导压管11与集液容器12连接；第三差压变送器13位于集液容器12正下方，保证集液容器12的中心点与第三差压变送器13的中心点在一条垂直线上。第三差压变送器13的高压侧与导压管11连接，低压侧与大气连接。第三差压变送器13与信号采集装置30连接，将液位修正信号传输给信号采集装置30。集液容器12的顶部设置有带堵头的补液口。导压管11内充满液体，确保导压管11与第三差压变送器13之间没有气泡。第三差压变送器13的低压侧与大气连接的方式为通过一个向下的导管130与大气连接。
[0099]
从液位测量误差修正装置10的结构可知：
[0100]
在静止状态下，压力变送器17或第三差压变送器13的测量信号对应的压力测量值p
10
为：p
10
＝ρ
10
gh
10
，ρ
10
为远传法兰毛细管16内液体的密度或集液容器12、导压管11内液体的密度，g为重力加速度，h
10
为压力膜片18与压力变送器17的高度差或集液容器12和导压管11内液体的总高度；
[0101]
当船体发生倾斜摇摆或晃荡时，压力变送器17或第三差压变送器13的液位修正信号对应的压力测量值p
′
为：p
′
＝ρ
10
gg
′h10
cosα，α为船体倾角，g
′
为船体摇晃导致的重力加速度变量；
[0102]
由此可得，液位修正系数k为：
[0103][0104]
只要在处理计算单元40中存储静止状态下的压力测量值p
10
，即可在将压力变送器17或第三差压变送器13的液位修正信号转化为压力测量值p
′
后，利用公式(11)计算出液位修正系数k，然后将第一差压变送器p1、第二差压变送器p2输出的液位测量信号对应压力值δp1、δp2和计算出的液位修正系数k代入公式(10)，即可计算出容器70内液体的真实液位值h。
[0105]
当然，也可以先将公式(11)代入公式(10)推导出计算容器内液体的真实液位值h的公式(12)，将公式(12)存储在处理计算单元40中，计算时直接将p
10
、p
′
、δp1、δp2代入公式(12)，得出容器70内液体的真实液位值h：
[0106][0107]
公式(12)中，p
10
为压力变送器17或第三差压变送器13在静止状态下的压力测量值，p
′
为压力变送器17或第三差压变送器13输出的液位修正信号对应的压力测量值。
[0108]
易于理解的是，当船体未发生倾斜摇摆或晃荡时，液位修正信号对应的压力测量值p
′
等于p
10
(即液位修正系数k等于1)，因此，在船体未发生倾斜摇摆或晃荡时，本实用新型
液位测量系统根据公式(12)计算出的容器70内液体的真实液位值h仍旧是准确的。
[0109]
信号采集装置30采用同一块板卡实现液位测量装置20的液位测量信号和液位测量误差修正装置10的液位修正信号的采集，可以有效保证两个信号的同步性。
[0110]
为了保证液位测量误差修正装置10的液位修正信号和液位测量装置20的液位测量信号具有相同的动态特性，液位测量误差修正装置10的远传法兰毛细管16、导压管11与集液容器12内的液体种类应该与液位测量装置20的远传法兰毛细管内的液体种类保持一致。
[0111]
通过以上描述可知，本实用新型液位测量系统利用液位测量误差修正装置10的液位修正信号对液位测量装置20的液位测量信号进行修正，可以彻底消除容器内液位因船体倾斜角、重力场、密度变化以及测量仪表安装距离l造成的测量误差，能够在海洋环境倾斜摇摆下对容器的液位进行可靠测量。经试验验证，本实用新型的测量误差在2％以内。
[0112]
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下优点：
[0113]
1)以对称安装的双法兰液位计作为液位测量装置，能彻底消除测量仪表安装距离l造成的测量误差，仪表安装不受距离限制，要求低；
[0114]
2)液位测量误差修正装置的引入能够同时修正倾角和重力场变化带来的测量误差，实现容器的液位在倾斜摇摆下准确、稳定、可靠测量；
[0115]
3)原理易懂，易于实现，安装方便；
[0116]
4)采用同一块板卡实现液位测量装置20的液位测量信号和液位测量误差修正装置10的液位修正信号的采集，可以有效保证两个信号的同步性，整个装置性能稳定可靠，故障率低；
[0117]
5)本实用新型可以满足船体在45
°
倾角下，液位可靠、高精度测量。
[0118]
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。