基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量探究

［摘 要］穩(wěn)壓器是工業(yè)過(guò)程控制中的常用裝置，用于穩(wěn)定流體的壓力。在穩(wěn)壓器的運(yùn)行過(guò)程中，液位的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，因此需要進(jìn)行分區(qū)密度補(bǔ)償以提高測(cè)量精度。文章通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，研究基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法，以期為相關(guān)人員提供參考。

［關(guān)鍵詞］穩(wěn)壓器；液位測(cè)量；分區(qū)密度補(bǔ)償

［中圖分類號(hào)］TL353 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）02–0053–03

作為一種常用的工業(yè)裝置，穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于化工、石油、電力等領(lǐng)域。穩(wěn)壓器的基本功能是通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量和壓力，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。在穩(wěn)壓器的操作過(guò)程中，液位的準(zhǔn)確測(cè)量是確保穩(wěn)壓器正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。然而，由于液位受到多種因素的影響，如溫度、壓力及密度的變化等，傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法通常存在一定的誤差。因此，改進(jìn)穩(wěn)壓器液位測(cè)量方法具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 穩(wěn)壓器液位測(cè)量誤差來(lái)源

1.1 系統(tǒng)性誤差

穩(wěn)壓器液位測(cè)量系統(tǒng)性誤差可分為以下幾方面。

（1）儀器常數(shù)誤差是指測(cè)量?jī)x器的零點(diǎn)和滿量程的偏差，通常用百分比表示。零點(diǎn)誤差是測(cè)量?jī)x器在無(wú)壓力或液位時(shí)的輸出值與零點(diǎn)的偏離程度。滿量程誤差則是測(cè)量?jī)x器在滿壓力或液位時(shí)的輸出值與滿量程的偏離程度。

（2）量程誤差是指測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍與實(shí)際需測(cè)量范圍之間的偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)壓器液位的測(cè)量范圍可能比測(cè)量?jī)x器的量程大或小，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生量程誤差。量程誤差可以通過(guò)選擇合適的測(cè)量?jī)x器和調(diào)整量程來(lái)減小。

（3）非線性誤差是指測(cè)量?jī)x器輸出值與輸入值之間不符合線性關(guān)系的偏差。在穩(wěn)壓器液位測(cè)量中，由于液位變化與壓力變化之間的關(guān)系不是線性的，所以會(huì)產(chǎn)生非線性誤差。非線性誤差可以通過(guò)非線性校準(zhǔn)和使用線性化技術(shù)來(lái)減小。

（4）傳輸誤差是指穩(wěn)壓器液位測(cè)量傳感器測(cè)量結(jié)果與實(shí)際液位值之間的偏差。傳感器測(cè)量結(jié)果的誤差大小會(huì)直接影響到液位值測(cè)算的準(zhǔn)確性和可靠性，而導(dǎo)致這一誤差來(lái)源的影響因素也是多方面的。例如，傳感器的制造工藝和材料的選擇會(huì)導(dǎo)致傳感器本身存在一定的誤差，雖然這些誤差可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行修正，但其仍然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；傳感器的安裝位置和方式也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，如果傳感器與液位之間存在空氣泡，或者傳感器與液體之間存在雜質(zhì)等物質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

1.2 隨機(jī)性誤差

隨機(jī)性誤差是指在測(cè)量過(guò)程中由于各種不確定因素的影響而產(chǎn)生的誤差，其是隨機(jī)的、不可預(yù)測(cè)的。穩(wěn)壓器液位測(cè)量隨機(jī)性誤差主要來(lái)自以下幾方面。

（1）介質(zhì)性質(zhì)。不同的液體具有不同的密度、黏度及導(dǎo)電性等特性，其會(huì)粘附在測(cè)量元件上，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。例如，黏稠的液體會(huì)附著在傳感器上，導(dǎo)致液位測(cè)量不準(zhǔn)確；導(dǎo)電性液體可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響傳感器的正常工作；腐蝕性液體可能會(huì)損壞測(cè)量元件，從而導(dǎo)致設(shè)備的損壞或失效等。

（2）人為操作誤差是指在使用測(cè)量?jī)x器時(shí)由于人為原因引起的誤差。如讀數(shù)時(shí)的讀錯(cuò)、記錄時(shí)的記錯(cuò)等。

（3）環(huán)境因素是指測(cè)量時(shí)周圍環(huán)境的影響，如溫度、濕度、振動(dòng)等。這些因素會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生一定的干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，溫度變化會(huì)導(dǎo)致傳感器的靈敏度發(fā)生變化，高溫液體可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量元件的熱膨脹，從而影響測(cè)量精度；低溫液體可能會(huì)使設(shè)備結(jié)冰或凍結(jié)，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。

（4）儀器漂移是指測(cè)量?jī)x器在長(zhǎng)時(shí)間使用或者溫度變化等情況下，儀器的測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化。傳統(tǒng)的液位穩(wěn)壓器測(cè)量?jī)x器通常需要定期校準(zhǔn)以確保測(cè)量精度。由于諸多因素的影響，儀器設(shè)備便可能出現(xiàn)漂移或偏差。因此，定期校準(zhǔn)是必要的，但卻需要投入額外的時(shí)間成本和人力資源。

2 基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法

2.1 方法原理及設(shè)計(jì)思路

基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法是指通過(guò)測(cè)量液體的密度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)液位的準(zhǔn)確測(cè)量。具體方法原理為：①分區(qū)設(shè)計(jì)。將液位計(jì)分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)液體的密度相對(duì)穩(wěn)定。②密度測(cè)量。通過(guò)浮子式密度計(jì)測(cè)量不同區(qū)域液體的密度差異。③密度補(bǔ)償。根據(jù)不同區(qū)域液體的密度差異，進(jìn)行密度補(bǔ)償計(jì)算，得到準(zhǔn)確的液位值。

基于以上原理，基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法的設(shè)計(jì)思路確定如下。

（1）區(qū)域劃分。根據(jù)液體的性質(zhì)和穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)，合理劃分液位計(jì)的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)液體的密度相對(duì)穩(wěn)定，可以提高液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（2）密度計(jì)選擇。選擇適合的浮子式密度計(jì)，并根據(jù)液體的性質(zhì)和測(cè)量范圍確定測(cè)量的精度與靈敏度。

（3）密度測(cè)量。安裝浮子式密度計(jì)，測(cè)量不同區(qū)域液體的密度差異。可以采用電子式或機(jī)械式的浮子式密度計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量方式。

（4）密度補(bǔ)償。根據(jù)不同區(qū)域液體的密度差異，進(jìn)行密度補(bǔ)償計(jì)算，得到準(zhǔn)確的液位值。可以使用計(jì)算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行密度補(bǔ)償計(jì)算，并將結(jié)果顯示在液位計(jì)的顯示屏上。

（5）校準(zhǔn)和調(diào)試。對(duì)液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保液位測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。可以通過(guò)與其他標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置比對(duì)，或者在實(shí)際穩(wěn)壓器中進(jìn)行測(cè)試來(lái)驗(yàn)證液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 構(gòu)建分區(qū)密度計(jì)算模型

穩(wěn)壓器液位測(cè)量分區(qū)密度計(jì)算模型是一種用于預(yù)測(cè)穩(wěn)壓器液位變化和密度分布的數(shù)學(xué)模型。該模型可以幫助工程師們更好地監(jiān)測(cè)和控制穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)，以確保其正常運(yùn)行。在建立該模型之前，需要收集一些關(guān)于穩(wěn)壓器的基本信息，包括穩(wěn)壓器的幾何形狀、材料特性及運(yùn)行參數(shù)，這些數(shù)據(jù)將作為模型的基礎(chǔ)。

（1）需要建立一個(gè)液位變化模型。穩(wěn)壓器的液位會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，這取決于液體的進(jìn)出流量和穩(wěn)壓器的容積。可以使用差分方程來(lái)描述液位的變化過(guò)程：

h（t+Δt）=h（t）+（Qin–Qout）/VΔt （1）

式中，h（t）為時(shí)刻t時(shí)的液位，Qin和Qout分別為流入和流出穩(wěn)壓器的液體流量，V為穩(wěn)壓器的容積，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

通過(guò)迭代計(jì)算，可以得到一系列時(shí)刻的液位數(shù)據(jù)。

（2）需要建立一個(gè)密度分布模型。穩(wěn)壓器內(nèi)液體的密度會(huì)隨著液位的變化而變化，這是由于壓強(qiáng)和溫度的變化引起的。可以使用物態(tài)方程來(lái)描述密度的變化關(guān)系：

ρ（h）=P（h）/[RT（h）] （2）

式中，ρ（h）為液位為h時(shí)的密度，P（h）為液位為h時(shí)的壓強(qiáng)，R為氣體常數(shù)，T（h）為液位為h時(shí)的溫度。

通過(guò)計(jì)算液位上的壓強(qiáng)和溫度，可以得到一系列液位對(duì)應(yīng)的密度數(shù)據(jù)。

（3）可以將液位變化和密度分布模型結(jié)合起來(lái)，得到穩(wěn)壓器液位測(cè)量分區(qū)密度計(jì)算模型。該模型可以根據(jù)穩(wěn)壓器的運(yùn)行參數(shù)和輸入流量，預(yù)測(cè)液位的變化及不同液位上的密度分布情況。通過(guò)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

2.3 壓力數(shù)據(jù)及溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理

在穩(wěn)壓器液位測(cè)量中，要求采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)具有高精度和高穩(wěn)定性。為此，可以采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)（如壓力傳感器和溫度傳感器）來(lái)實(shí)時(shí)采集液位、壓力及溫度數(shù)據(jù)。這些傳感器可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或模擬信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，需要選擇適合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓器液位、壓力及溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。常用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有PLC、DCS 及SCADA等。在選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及實(shí)時(shí)性等因素。為此，可以采用數(shù)據(jù)濾波和校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)濾波可以去除噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的可靠性。而數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可以校正傳感器的誤差，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)這些處理手段，可以保證采集到的壓力和溫度數(shù)據(jù)具有較高的精度與穩(wěn)定性。

2.4 分區(qū)密度計(jì)算及補(bǔ)償算法

（1）根據(jù)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)和液位傳感器的特性，確定分區(qū)密度。分區(qū)密度是指將整個(gè)液位范圍劃分為多個(gè)區(qū)間，并為每個(gè)區(qū)間確定一個(gè)對(duì)應(yīng)的密度值。一般情況下，密度值越高，表示該區(qū)間內(nèi)壓力變化對(duì)液位的敏感度越高。

（2）根據(jù)液位測(cè)量值確定所屬的區(qū)間。可通過(guò)線性插值或離散方式確定液位所屬的區(qū)間。線性插值方法可以根據(jù)液位測(cè)量值與相鄰區(qū)間的密度值之間的比例關(guān)系，計(jì)算出液位所屬區(qū)間的密度。

（3）根據(jù)液位所屬區(qū)間的密度值和穩(wěn)壓器的輸出特性曲線，計(jì)算出該區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的輸出壓力。輸出壓力可以通過(guò)相關(guān)的公式或查表的方式得到。

（4）通過(guò)補(bǔ)償控制器對(duì)輸出壓力進(jìn)行修正。補(bǔ)償控制器可以根據(jù)液位誤差和穩(wěn)壓器的響應(yīng)特性，在輸出壓力中引入補(bǔ)償值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位誤差的補(bǔ)償。而在此過(guò)程中需要注意，穩(wěn)壓器液位的分區(qū)密度計(jì)算和補(bǔ)償算法要根據(jù)具體的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求進(jìn)行定制，以確保算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時(shí)，算法的實(shí)現(xiàn)需要考慮計(jì)算效率和實(shí)時(shí)性，以便實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)液位變化和壓力調(diào)整的需求。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證及性能測(cè)算

為提高穩(wěn)壓器液位測(cè)量的穩(wěn)定性和精度，本文將分區(qū)密度補(bǔ)償技術(shù)引入其中，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及性能測(cè)算，旨在通過(guò)分區(qū)密度補(bǔ)償技術(shù)測(cè)量穩(wěn)壓器液位，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)測(cè)算裝置主要包括穩(wěn)壓器、傳感器、數(shù)字顯示儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。通過(guò)調(diào)整穩(wěn)壓器的進(jìn)水流量，使其保持恒定的壓力，并記錄下不同進(jìn)水流量下的液位數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)驗(yàn)證及性能測(cè)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，有補(bǔ)償液位相對(duì)于無(wú)補(bǔ)償液位更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。進(jìn)一步分析試驗(yàn)驗(yàn)證及性能測(cè)算數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：

（1）隨著進(jìn)水流量的增加，無(wú)補(bǔ)償液位和有補(bǔ)償液位都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫M(jìn)水流量增加導(dǎo)致穩(wěn)壓器內(nèi)液體的總體積增加，使液位上升。

（2）有補(bǔ)償液位相對(duì)于無(wú)補(bǔ)償液位的增加幅度更大。這是因?yàn)榉謪^(qū)密度補(bǔ)償技術(shù)通過(guò)將測(cè)量范圍劃分為多個(gè)區(qū)域，并根據(jù)液體密度的變化而調(diào)整補(bǔ)償因子，從而減小了液位測(cè)量誤差。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，有補(bǔ)償液位相對(duì)于無(wú)補(bǔ)償液位的偏差在1～2 mm，說(shuō)明分區(qū)密度補(bǔ)償技術(shù)可以有效提高穩(wěn)壓器液位測(cè)量的精度。

綜上所述，基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法能夠有效提高液位測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)壓器液位測(cè)量對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制和安全運(yùn)行至關(guān)重要。傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法通常受到液體密度變化的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。而與傳統(tǒng)方法相比，基于分區(qū)密度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器液位測(cè)量方法具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠在不同液位下準(zhǔn)確測(cè)量液體高度。該方法通過(guò)根據(jù)液體密度隨液位變化的規(guī)律，將液體容器劃分為多個(gè)密度分區(qū)，并根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的密度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行液位計(jì)算，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

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