海洋环境下高温高压容器液位测量系统的制作方法

1.本发明属于海洋环境下液位测量领域，更具体地说，本发明涉及一种海洋环境下高温高压容器液位测量系统。


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.现有海洋环境液位测量方法主要有双参考管法和导波雷达液位计测量法。
4.双参考管法是在被测容器内设计2个平衡容器，虽然测量精度高，但是2个平衡容器必须安装在容器中心处，安装复杂且平衡存在很大困难，需要设置补水装置，否则会引入新的误差；这种测量方式比较适用于“瘦高”型容器，不太适合液位较小的“大脸盆”型容器，而且平衡容器易受热冲击，不适用于高温高压容器液位测量。
5.导波雷达液位计虽然有着较高精度，但是必须安装在容器的正中心才能消除倾斜状态下的误差，而且高温高压容器内的水蒸汽厚度会影响导波雷达传送速度带来测量误差，雷达波无法穿透500mm以上蒸汽层，因此不适用于大型高温高压容器的液位测量。另外，安装在容器中心处的导波雷达液位计不便于检修，一旦故障维护困难。
6.可见，上述测量法都存在一定条件和局限性，不能解决海洋环境下高温高压容器的液位测量。
7.有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的海洋环境下高温高压容器液位测量系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于：提供一种简单、可靠、精度高的海洋环境下高温高压容器液位测量系统，以解决海洋环境倾斜摇摆对高温高压容器液位测量带来的困难。
9.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种海洋环境下高温高压容器液位测量系统，其包括：
10.液位测量装置，以第一差压变送器测量高温高压容器的液位，输出液位测量信号；所述第一差压变送器所在位置低于高温高压容器，第一差压变送器的高压侧仪表管连接至高温高压容器内侧的底部中心处取压，第一差压变送器的低压侧仪表管与位于高温高压容器内侧最顶部中心处的集液器连接取压，集液器处于满水状态；
11.液位测量误差修正装置，以第二差压变送器预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置以第一差压变送器测量高温高压容器的液位时，以第二差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；
12.信号采集装置，与第一差压变送器和第二差压变送器连接，用于采集第一差压变送器的液位测量信号和第二差压变送器的液位修正信号；以及
13.处理计算单元，与信号采集装置连接，以修正用液体在静止状态下的压力与实时
压力的比值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液位测量信号进行修正，计算得出高温高压容器内液体的真实液位值。
14.作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述海洋环境下高温高压容器液位测量系统还包括：
15.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高温高压容器内液体的真实液位值向外输出。
16.作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述液位测量误差修正装置包括集液容器、导压管和第二差压变送器；所述导压管与集液容器连接；第二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二差压变送器的中心点在一条垂直线上；第二差压变送器的高压侧与导压管连接，低压侧与大气连接。
17.作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述处理计算单元计算高温高压容器内液体的真实液位值h的公式为：
[0018][0019]
公式中，h为第一差压变送器顶部取压点与高温高压容器液位底标高的高度差；δp为第一差压变送器输出的液位测量信号对应的压力值，p
10
为第二差压变送器在静止状态下的压力测量值，ρ2为高温高压容器内液体密度，ρ3为高温高压容器内气空间介质密度，g为重力加速度，p
′
为第二差压变送器输出的液位修正信号对应的压力测量值。
[0020]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，ρ3、ρ2为液位测量时的实时密度，若高温高压容器内介质的工作温度和工作压力无变化，则ρ3、ρ2为常数，直接代入公式中进行计算；若高温高压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高温高压容器内气空间介质和液体的实时密度ρ3、ρ2，再将实时密度ρ3、ρ2代入公式中进行计算。
[0021]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述信号采集装置采用同一块板卡实现第一差压变送器的液位测量信号和第二差压变送器的液位修正信号的采集，有效保证两个信号的同步性。
[0022]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器的横截面积与导压管的横截面积相同。
[0023]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述液位测量误差修正装置内的液体与液位测量装置仪表管内的液体保持一致。
[0024]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器的顶部设置有带堵头的补液口；集液容器内部为未满状态，预留有用于吸收导压管和集液容器内的液体热胀冷缩的自由空间。
[0025]
作为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器内部设置有多层用于抑制液体晃动的滤网。
[0026]
与现有技术相比，本发明海洋环境下高温高压容器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高温高压容器的液位测量信号进行修正，可以彻底消除高温高压容器内液位因船体倾斜角、重力加速度变化以及测量仪表安装距离l造成的测量误差，能够实现船舶、海洋平台等设施上各种规则形状高温高压容器在严重事故海况下(大倾斜
角和摇摆幅度)的液位测量，特别适用于大型高温高压容器的液位测量。
附图说明
[0027]
下面结合附图和具体实施方式，对本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统进行详细说明。
[0028]
图1为本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统的结构示意图。
[0029]
图2为图1中液位测量装置的结构示意图。
[0030]
图3为图1中液位测量误差修正装置的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的目的、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，对本发明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发明，并非为了限定本发明。
[0032]
请参阅图1，本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统包括：
[0033]
液位测量装置20，以第一差压变送器测量高温高压容器的液位，输出液位测量信号；
[0034]
液位测量误差修正装置10，以第二差压变送器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20以第一差压变送器测量高温高压容器的液位时，以第二差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；
[0035]
信号采集装置30，与第一差压变送器和第二差压变送器连接，用于采集第一差压变送器的液位测量信号和第二差压变送器的液位修正信号；以及
[0036]
处理计算单元40，与信号采集装置30连接，以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值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液位测量信号进行修正，计算得出高温高压容器内液体的真实液位值。
[0037]
本发明海洋环境下高温高压容器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计算出的高温高压容器内液体的真实液位值向外输出。
[0038]
请参阅图2，液位测量装置20包括第一差压变送器21、高压侧仪表管22、低压侧仪表管23、集液器24和高温高压容器25。其中，第一差压变送器21所在位置低于高温高压容器25；高压侧仪表管22的一端与第一差压变送器21的高压侧连接，另一端连接至高温高压容器25内侧的底部中心处取压；低压侧仪表管23的一端与第一差压变送器21的低压侧连接，另一端与集液器24连接取压；集液器24位于高温高压容器25内侧的最顶部中心处，且集液器24处于满水状态。第一差压变送器21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。
[0039]
从液位测量装置20的结构可知，第一差压变送器21的低压侧压力值和高压侧压力值分别为：
[0040]
p
‑
＝ρ1gg
′
h1 cos α+ρ2gg
′
h cos α+ρ1gg
′
l sin α sin β+ρ2gg
′
r sin α sin β+p0‑‑
公式(1)；
[0041]
p
+
＝ρ1gg
′
h1 cos α+ρ2gg
′
h cos α+ρ3gg
′
(h
‑
h)cos α+ρ1gg
′
l sin α sin β+ρ2gg
′
r sin α sin β+p0‑‑
公式(2)；
[0042]
公式(1)、(2)中，p
‑
为第一差压变送器21的低压侧压力值，p
+
为第一差压变送器21的高压侧压力值，ρ1为高温高压容器25外侧仪表管内液体密度，ρ2为高温高压容器25内液体密度，ρ3为高温高压容器25内气空间介质密度；g为重力加速度，g
′
为船体摇晃导致的重力加速度变量(数值未知)，h1为第一差压变送器21安装位置与高温高压容器25液位底标高的高度差，h为第一差压变送器21顶部取压点与高温高压容器25液位底标高的高度差；l为第一差压变送器21与高温高压容器25侧壁之间的最小水平距离；r为高温高压容器25的半径或高温高压容器25边缘到高温高压容器25中心的距离；α为船体倾角(数值未知)，β为第一差压变送器21相对高温高压容器25的倾斜角；h为高温高压容器25内液体的真实液位值，p0为高温高压容器25内的气空间压力。因此，第一差压变送器21输出的液位测量信号对应的压力值δp的计算公式为：
[0043]
δp＝p
+
‑
p
‑
＝(ρ3‑
ρ2)gg
′
(h
‑
h)cosα
‑‑
公式(3)，
[0044]
公式(3)中，g
′
cosα为海洋环境(大倾斜角和摇摆幅度)引起的误差。
[0045]
若以公式(4)中的k作为液位修正系数，则可以根据公式(3)推导出高温高压容器25内液体的真实液位值h为：
[0046][0047][0048]
请参阅图3，液位测量误差修正装置10包括集液容器12、导压管11和第二差压变送器13。其中，导压管11与集液容器12连接；第二差压变送器13位于集液容器12正下方，保证集液容器12的中心点与第二差压变送器13的中心点在一条垂直线上。第二差压变送器13的高压侧与导压管11连接，低压侧与大气连接。第二差压变送器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。
[0049]
集液容器12的顶部设置有带堵头的补液口。导压管11内充满水，确保导压管11与第二差压变送器13之间没有气泡。第二差压变送器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。
[0050]
从液位测量误差修正装置10的结构可知：
[0051]
在静止状态下，第二差压变送器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
为集液容器12和导压管11内水的密度，g为重力加速度，h
10
为集液容器12和导压管11内水的总高度；
[0052]
当船体发生倾斜摇摆或晃荡时，第二差压变送器13的液位修正信号对应的压力测量值p
′
为：p
′
＝ρ
10
gg
′
h
10
cosα，α为船体倾角，g
′
为船体摇晃导致的重力加速度变量；
[0053]
由此可得，液位修正系数k为：
[0054][0055]
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
，即可在将第二差压变送器13的液位修正信号转化为压力测量值p
′
后，利用公式(6)计算出液位修正系数k，然后
将第一差压变送器21输出的液位测量信号对应的压力值δp和计算出的液位修正系数k代入公式(5)，即可计算出高温高压容器真实液位值h。
[0056]
当然，也可以先将公式(6)代入公式(5)推导出计算高温高压容器真实液位值h的公式(7)，将公式(7)存储在处理计算单元40中，计算时直接将p
10
、p
′
、δp代入公式(7)，得出高温高压容器真实液位值h：
[0057][0058]
公式(7)中，h为第一差压变送器21顶部取压点与高温高压容器25液位底标高的高度差；δp为第一差压变送器21输出的液位测量信号对应的压力值，p
10
为第二差压变送器13在静止状态下的压力测量值，ρ2为高温高压容器25内液体密度，ρ3为高温高压容器25内气空间介质密度，g为重力加速度，p
′
为第二差压变送器13输出的液位修正信号对应的压力测量值。ρ3、ρ2为液位测量时的实时密度，若高温高压容器25内介质的工作温度和工作压力无变化，则ρ3、ρ2为常数，直接代入公式(7)中进行计算；若高温高压容器25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高温高压容器25内气空间介质和液体的实时密度ρ3、ρ2，再将实时密度ρ3、ρ2代入公式(7)中进行计算。
[0059]
本发明选用差压变送器测量p
10
、p
′
的原因是由于船舶在海上航行，不同位置大气压力不同，差压变送器可以防止大气压力的变化导致测量误差。
[0060]
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。
[0061]
通过以上描述可知，本发明海洋环境下高温高压容器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，可以彻底消除高温高压容器内液位因船体倾斜角、重力加速度变化以及测量仪表安装距离l造成的测量误差，能够实现船舶、海洋平台等设施上各种规则形状高温高压容器在严重事故海况下(大倾斜角和摇摆幅度)的液位测量，特别适用于大型高温高压容器的液位测量。
[0062]
由于本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统所处的环境温度存在变化，根据本发明的测量原理，环境温度的变化会引起水的密度变化，因此温度变化后液位测量误差修正装置10的第二差压变送器13的压力测量值也会出现变化，压力测量值变化量δp
10
的计算公式为：
[0063][0064]
公式(8)中，s1为导压管11的横截面积，h11为导压管11的高度，s2为集液容器12的横截面积，ρ11为初始时刻水的密度，ρ12为温度变化后水的密度。
[0065]
由公式(8)可知，当温度升高时，压力会减小，而且导压管11的横截面积s1与集液容器12的横截面积s2相差越大，压力测量值变化量δp
10
就越大，只有当s1＝s2时，δp
10
为0。
[0066]
因此，为了避免因集液容器12横截面积与导压管11的横截面积不同而引起测量误差，本发明的集液容器12的横截面积s2与导压管11的横截面积s1优选为相同(如果二者横截面积不同，也可以根据公式(8)给出一个密度变化修正系数，只是因为需要确定的参数比
较多，过程相对繁琐)，例如，当二者横截面均为圆形时，要求二者的直径相同。为便于导压管11安装，同时防止导压管11内的水蒸发，导压管11和集液容器12的尺寸建议在dn20到dn50范围内选择，比较合理。
[0067]
易于理解的是，由于本发明海洋环境下高温高压容器液位测量系统所处的环境温度存在变化，集液容器12内需要预留一定空间，用于吸收导压管11和集液容器12内水的热胀冷缩引起的体积变化。考虑环境温度从0℃到99℃的变化范围，集液容器12的水不应溢出，经计算密度变化导致集液容器12内液位高度的变化δp
12
为：
[0068][0069]
其中，ρ11＝0.999，ρ12＝0.959，h
10
为集液容器12和导压管11内水的总高度，可计算出集液容器12需要预留占集液容器12和导压管11内水的总高度5％左右的自由空间。
[0070]
由于集液容器12为未满状态，虽然集液容器12内液体随船晃荡幅度很小，但作为液位修正信号的标准装置，本发明在集液容器12内设置多层用于抑制液体晃动的滤网，用以尽可能提高液位修正信号的测量精度和可靠性。
[0071]
易于理解的是，液位测量误差修正装置10只是用于确定液位修正系数k，因为液位修正系数k的最终计算公式中仅仅涉及两个压力值p
10
、p
′
，并不涉及液体的密度，所以以上虽然是以最常用的水为例说明液位修正系数k的推导过程，但实际上集液容器12和导压管11内的水也可以替换为其他液体。实际使用中，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内的液体种类应该与液位测量装置20的仪表管22、23内的液体种类保持一致。
[0072]
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
[0073]
1)适用于船舶、海洋平台等设施上，高温高压场合下任一尺寸的规则型容器在任意倾角下的液位可靠测量；
[0074]
2)原理易懂，安装和调试简单；
[0075]
3)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；
[0076]
4)同时修正倾角和重力加速度变化带来的测量误差；
[0077]
5)彻底消除测量仪表安装距离l造成的测量误差；
[0078]
6)在无需进行测量信号滤波处理前提下，能达到非常高的测量精度，同时提高液位测量信号的实时性。
[0079]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明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，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明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，并不对本发明构成任何限制。