智能化吹氣裝置及其應(yīng)用注意事項(xiàng)

齊麗華，劉 琢

（中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000）

智能化吹氣裝置及其應(yīng)用注意事項(xiàng)

齊麗華，劉 琢

（中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000）

闡述吹氣裝置檢測(cè)液位的基本原理，提出恒壓恒流智能型吹氣裝置的設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)吹氣裝置在實(shí)際工程應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

吹氣裝置；液位測(cè)量；智能化

0 引言

吹氣裝置[1-3]是一種測(cè)量液位、界面、密度等參數(shù)的經(jīng)典測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，尤其是在核電工程中，被測(cè)液體通常有腐蝕性、放射性、粘稠度高等特性，吹氣裝置作為一種能夠使變送器儀表遠(yuǎn)離被測(cè)設(shè)備并且探測(cè)器能夠長(zhǎng)久耐用的非接觸式儀表[1-2]，得到廣泛應(yīng)用。

（1）吹氣裝置測(cè)量液位的原理

吹氣裝置測(cè)量液位的基本原理[1-3]如圖1所示。

圖1 吹氣裝置測(cè)量液位的原理圖

吹氣介質(zhì)流過(guò)過(guò)濾減壓閥后，經(jīng)恒流裝置和轉(zhuǎn)子流量計(jì)緩慢地從容器鼓泡排出液面。通常要求每分鐘排出液面的氣泡數(shù)量在幾十個(gè)為宜。由于吹氣管A排出的氣體流量極小，吹氣管A處的氣體壓力與液體介質(zhì)的壓力近似相等，吹氣管B處氣體壓力等于A處氣體壓力加上AB兩處的壓損，吹氣管D處氣體壓力等于C處氣體壓力加上CD兩處的壓損，從而通過(guò)差壓變送器測(cè)量得到BD兩處的差壓即可速算得到容器的液位。

AB，CD之間的壓損與吹氣管的長(zhǎng)度以及流量有關(guān)，在設(shè)計(jì)取壓時(shí)盡量使AB的距離與CD的距離保持一致，正負(fù)壓氣管的流量一致，即：

公式（3）即可簡(jiǎn)化為：

其中，ρ為液體密度，g為重力加速度。

通過(guò)測(cè)量BD處的差壓PBD即可計(jì)算得到液體的液位。

（2）影響吹氣裝置精度的因素

1）吹氣壓力和流量

吹氣裝置正常工作時(shí)，應(yīng)保持正壓管每分鐘最多鼓出幾十個(gè)氣泡，氣體流量保持恒定值，此時(shí)管內(nèi)壓力恒定。否則，逸出氣體過(guò)多或者呈線(xiàn)性逸出，將導(dǎo)致誤差顯著增大；逸出氣體過(guò)少，有可能導(dǎo)致液體回流或者氣流反向。

高血壓和糖尿病都為終生疾病，近年來(lái)發(fā)病率日益升高。患者長(zhǎng)時(shí)間患病會(huì)有焦慮、恐懼、無(wú)助等相關(guān)不良心理情緒[1]，這些不良心理情緒不利于疾病控制，導(dǎo)致病人治療依從性差，影響治療效果。有相關(guān)研究表明[2]，高血壓合并糖尿病給予護(hù)理路徑表干預(yù)，具有一定影響，能夠提高患者治療依從性。為此，該文2016年5月—2017年5月探討高血壓合并糖尿病老年患者實(shí)行護(hù)理路徑表干預(yù)的臨床護(hù)理效果，現(xiàn)報(bào)道如下。

2）吹氣管的壓力損失

吹氣裝置測(cè)量液位的前提是忽略管道的壓損。吹氣源壓力越高、流量越大，測(cè)量取壓點(diǎn)下游吹氣管線(xiàn)越長(zhǎng)，管徑越小，誤差越大，且上述條件不變時(shí)，被測(cè)壓力越小，誤差越大。

3）被測(cè)液體密度變化

當(dāng)被測(cè)液體密度不穩(wěn)定，或者因溫度等參數(shù)變化引起密度變化時(shí)，將導(dǎo)致液位測(cè)量出現(xiàn)較大偏差，此時(shí)需要引入另外一組吹氣裝置或者其他密度測(cè)量手段進(jìn)行被測(cè)液體的密度測(cè)量，從而對(duì)液位進(jìn)行密度修正。

1 智能化吹氣裝置

通過(guò)對(duì)吹氣裝置測(cè)量液位的原理分析，只有保證吹氣流量的穩(wěn)定才能認(rèn)為正壓側(cè)吹氣管底端氣體壓力與該處液體介質(zhì)的壓力相等，同時(shí)氣體流量恒定才能使得正負(fù)壓側(cè)吹氣管底端到差壓變送器取壓點(diǎn)的壓損一致。在使用過(guò)程中，流量和壓力的不穩(wěn)定引起的誤差直接影響測(cè)量的精度。

1.1 智能化吹氣裝置組成

氣體流量控制一般是靠節(jié)流閥和流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)智能控制器將節(jié)流閥和流量計(jì)組成負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制回路，構(gòu)成智能化吹氣裝置。其原理是氣體的流速轉(zhuǎn)化為葉輪的轉(zhuǎn)速，葉片上的小磁片經(jīng)過(guò)霍爾元件時(shí)，產(chǎn)生并輸出脈沖電信號(hào)，智能控制器記錄下脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，也就得到氣體的流量；將此值與流量的初始值比較后，智能控制器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，改變氣體的流量值，從而實(shí)現(xiàn)氣體流量的自動(dòng)控制。

智能控制器的程序運(yùn)行方式是循環(huán)掃描方式，而非順序執(zhí)行方式。首次掃描時(shí)初始化一些功能，例如高速計(jì)數(shù)器、電機(jī)脈沖等，然后接受參數(shù)的輸入，包括：流量值、吹氣時(shí)間、選定工作方式（脈沖或連續(xù)）等，然后程序即按照設(shè)定的參量驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)流量，置位導(dǎo)通電磁閥控制吹氣時(shí)間和吹氣方式，完成預(yù)定的吹氣工作后，控制電磁閥端口置零關(guān)斷氣源，并重新等待操作者的指令。

圖2 一進(jìn)五吹六引壓智能化吹氣裝置原理圖

以一進(jìn)五吹六引壓為例，設(shè)計(jì)原理圖如2所示。壓縮氣先進(jìn)入電動(dòng)調(diào)壓閥，氣壓傳感器采集壓力信號(hào)后輸入智能控制器，通過(guò)智能控制器自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力；經(jīng)過(guò)調(diào)壓之后的氣流進(jìn)入電動(dòng)節(jié)流閥，流量計(jì)信號(hào)輸入智能控制器，通過(guò)智能控制器自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)電動(dòng)節(jié)流閥，完成恒流控制。

智能化吹氣裝置，當(dāng)有氣源用氣支線(xiàn)發(fā)生意外時(shí)或者不同支線(xiàn)啟動(dòng)停止瞬間，所產(chǎn)生的沖擊由反饋信號(hào)提供給控制系統(tǒng)，避免沖擊瞬間氣源因沖擊過(guò)大而造成壓力流量不足的情況出現(xiàn)。

由于保證了氣體流量的自我整定恒流功能的實(shí)現(xiàn)，使得智能化吹氣測(cè)量裝置比傳統(tǒng)無(wú)恒流自我整定的吹氣裝置測(cè)量精度高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

表1 五個(gè)吹氣回路基本性能測(cè)試結(jié)果

表2 單個(gè)吹氣回路不同條件下基本性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)該裝置在多工況下的模擬測(cè)試得出：

（1）吹氣裝置適用的壓力范圍為1 bar～3 bar，流量范圍為15 L/h～60 L/h；

（2）最佳吹氣壓力1 bar，吹氣流量15 L/h～30 L/h；

（3）隨著輸氣管路加長(zhǎng)，精度會(huì)降低，在一定范圍內(nèi)，輸氣管路長(zhǎng)度的影響可進(jìn)行修正。

1.3 擴(kuò)展功能

智能化吹氣裝置，內(nèi)置智能控制器，使得整個(gè)系統(tǒng)具備了多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)（可兼容或選擇多種通信協(xié)議的接口）、系統(tǒng)參數(shù)自我整定、安全故障自我保護(hù)、輔助觸電輸出、應(yīng)急消息發(fā)布或自動(dòng)提醒等智能化功能。

智能化吹氣裝置可以通過(guò)干觸點(diǎn)或通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制器組網(wǎng)中各變送器信號(hào)及設(shè)備的當(dāng)前信息采集（如壓力、壓差、流量、溫度；斷路器位置信號(hào)；保護(hù)測(cè)控裝置的各種信息等）及調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓閥、止回閥、針型閥、截止閥、三閥組的分/合、開(kāi)度控制，可提供完備的報(bào)表、趨勢(shì)和分析工具等，提高數(shù)據(jù)采集匯總能力。

將電站中各個(gè)吹氣測(cè)量裝置智能控制器進(jìn)行組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，是對(duì)核電及常規(guī)電力專(zhuān)用吹氣測(cè)量裝置的一次創(chuàng)新，也是電站安全生產(chǎn)的發(fā)展方向。

2 工程應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

吹氣管的正壓管管口應(yīng)與被測(cè)液體設(shè)備底部保持適當(dāng)距離，建議5～10 cm之間，以便于吹氣管中氣泡的順利逸出。這段距離即為吹氣裝置測(cè)量的盲區(qū)。一般情況下，吹氣管口采用平口方式，如果采用45°斜口，則測(cè)量盲區(qū)應(yīng)是斜口上端口到設(shè)備底部的距離。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，吹氣管的長(zhǎng)度不宜超過(guò)10 m，也就是對(duì)于液位高于10 m的容器不適合使用吹氣裝置。某些場(chǎng)合，在吹氣管底部開(kāi)“V”形口，目的是為了避免形成較大的氣泡而影響測(cè)量精度，也減少懸浮物顆粒進(jìn)入吹氣管底部。

測(cè)量帶壓設(shè)備時(shí)，吹氣管內(nèi)的壓力P與設(shè)備內(nèi)最大壓力值P設(shè)備max、氣路元件的壓降P氣路和最大液位壓力Phmax之間的關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足：

這樣，設(shè)備中的溶液才不可能倒灌出來(lái)。這對(duì)放射性的介質(zhì)測(cè)量非常重要，所以在測(cè)量帶壓容器內(nèi)的介質(zhì)時(shí)，一定要在吹氣管上安裝逆止閥，以防止氣流方向。吹氣裝置和差壓變送器的安裝標(biāo)高要大于設(shè)備內(nèi)最高液面的標(biāo)高，進(jìn)一步防止液體倒流。另外為了防止堵塞氣口，可以把吹氣管出口做成錐形，縮小出口口徑，增加出口流速，使得在正常使用時(shí)被測(cè)液體不易進(jìn)入吹氣管。

當(dāng)被測(cè)液體中，氣泡（可能來(lái)源有：吹氣管的壓空、被測(cè)液體的蒸發(fā)過(guò)程或者化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的氣體釋放、被測(cè)液體攪拌過(guò)程中的壓空等）過(guò)多，氣管出口氣泡不再是一個(gè)一個(gè)孤立地冒出，而是呈線(xiàn)性或者局部氣流，此時(shí)儀表指示降低，并隨著氣泡量的增加，誤差越來(lái)越大。所以吹氣裝置對(duì)有劇烈放氣反應(yīng)的液體參數(shù)測(cè)量不適用。

3 結(jié)語(yǔ)

吹氣裝置只有吹氣管和介質(zhì)接觸，其余部件都安裝在設(shè)備以外，與被測(cè)液體不接觸，屬于非接觸式儀表，非常適用于高溫、高壓、腐蝕性、粘度高以及劇毒等介質(zhì)的液位測(cè)量，而且是全機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件，故障率低。

國(guó)產(chǎn)化和智能化是我國(guó)核電和常規(guī)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投資和安全生產(chǎn)的發(fā)展方向。智能型吹氣裝置實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)度和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，比較適用于核電和常規(guī)火電等惡劣工況下的液位等參數(shù)測(cè)量。

［1］胡勇鋒.新一代吹氣法液位計(jì)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)儀器儀表，2012（8）：69-72.

［2］王美華，趙文達(dá).吹氣法液位檢測(cè)裝置及其應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2004（3）：31-34.

［3］王永祥，陳國(guó)民.基于Cortex-M3微控制器船舶吹氣液位檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集［J］.廣州航海高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010（9）：13-14.

Intelligent Air Blowing Device and Its Application Notes

QI Li-hua，LIU Zhuo
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen518000，China）

After analyzing the basic principle of air blowing device used to measure liquid level，the design structure and test results of a new intelligent air blowing device are present，it is able to adjust automatically air pressure and flow.Some notes for engineering application about it are given.

air blowing device；liquid level measurement；intelligent

TH816

A

1009－9492(2014)08－0153－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.044

齊麗華，女，1982年生，河北滄州人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：核電站儀表和系統(tǒng)智能控制技術(shù)。 (編輯：王智圣)

2014－07－11