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基于HART协议的电浮筒液位计的开发与应用

来源:编辑::发表时间:2018-06-30 09:37:52

 摘 要: 阐述基于HART协议的电浮筒液位计的设计原理、性能;阐明了该产品所采用的HART通信器的优缺点以及标校装置的设计原理;先容电浮筒液位计的多种安装方法。

 
浮筒液位计是油气生产中大量应用的一种液位测量仪表,在我国石油化工行业已经广泛应用,特别是高温高压型电浮筒液位计在锅炉汽包上的应用更显示出独特的优势,基于HART协议的智能浮筒液位计是利用扭力测量替代传统浮筒液位计的位移测量,基于模块化结构设计的电浮筒液位计,其全金属结构设计,可带无磁滞后,无传送机构变送器,根据配置不同可实现现场液位指示、信号远传等功能。基于模块化设计,远传信号输出、液位显示,HART协议实行,PROFIBUS-PA总线,可全部根据用户需要及时安装和使用。高温高压设计防腐材料选用,X射线探伤,可保证产品适用于任何现场需求。
 
1  电浮筒液位计的结构和原理
电浮筒液位计主要由浮筒、扭力管组件(转矩臂、扭力管、扭力矩管保护罩)、磁钢和霍尔效应元件和放大电路组成,扭力管一侧用螺钉固定,另一侧装有转矩臂。转矩臂被架在刀口支架上,另一端挂有浮筒,如图1所示。
电动浮筒液位计的结构图Inconel 625合金粉末化学成分
电浮筒液位计的工作原理是根据阿基米德原理,浮筒所受的浮力随着液位的变化而变化,同时浮筒高度也随之变化,浮筒的高低变化使转矩臂旋转,带动扭力管旋转,扭力管中心杆产生角位移,中心杆与磁钢固定连接所以有相同的旋转角度,利用霍尔效应角位移传感器测量磁钢产生的磁场的变化(电容传感器产生电流变化),被A/D转换器转化成液位信号,然后再传送给CPU。液体的温度变化会对扭力管材料的剪切弹性模量产生变化,因此必须有温度传感器度温度信号的变化进行采集,然后传送给CPU,经过CPU的综合处理再经D/A转换器将具体的液位变化转化成模拟电流信号,最终将结果在电流表上以电流的形式体现出来。
 
2  扭力管的材料选择
根据电浮筒液位计的测量原理,利用扭力管的扭转弹力克服浮筒重力通过转矩臂产生的力矩,所以扭力管弹性性能的好坏直接影响仪表反映的灵敏度。通过对比选择inconel625合金,inconel625合金是以Mo、Nb为主要强化元素的固溶强化镍基变形合金,在650℃以下具有良好的持久性能、疲劳性能及抗氧化和抗腐蚀性能,从低温到1050℃温度范围内具有良好的强度和韧性,广泛应用于航空航天和化工等行业。Inconel 625合金传统铸锻工艺存在宏观成分偏析和材料利用率低的缺点,粉末冶金方法可有效克服上述缺点。
 
粉末热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)可获得锻件的优异性能,且材料利用率高,用于近净成形复杂高性能零件,具有良好发展潜力。通过热等静压Inconel 625合金粉末,获得了近全致密、组织均匀复杂零件。然而,热等静压Inconel 625合金粉末时,容易形成原始颗粒边界,对性能造成不利影响。对热等静压镍基高温合金采用高温固溶处理,可消除原始颗粒边界,改善持久性能。其化学成分如表1所示。
Inconel 625合金粉末化学成分
3 HART 通信协议的加载
研制的电浮筒液位计加载了DLC3000系列智能型液位控制器,对过程操作信息变量及时存取。使用与DLC3000系列智能型液位控制器相兼容的275型HART通信器,可获取来自程、智能液位控制器或浮筒测量室的信息,机械结构简单坚固,易于运输安装,完电子模块完全密封能抗振,耐腐蚀;容易设置与标定,而且能反应过程量的细小变化,环境温度对其灵敏度影响非常小;维修简单,电子模块与现场接线端子相隔离,防止电子模块受潮,同时也使安装维修容易进行。
 
4  表头的标校
仪表工作时,由于扭力管的弹性变形和磁场的强弱、霍尔效应传感器的反应都不程线性,磁钢产生的磁场一般是非线性的,在这里必须解决扭力管和杠杆组件,磁场强度、霍尔效应传感器表头的独立标定的线性化。较难实现均匀磁场,沿宽度方向线性变化的磁场就更不容易实现。由于需要的磁场变化率精度相当高,磁钢和磁钢中间只有4mm,同时霍尔元件厚度占2mm,要在4mm的间隙中作弧线运动,结果必然程非线性。
 
为了得到独立标定表头线性化首先要得到霍尔效应传感器在磁钢产生的非线性磁场中连续转动时的输出电压值的变化的一组数值,以此为目的,可以单独对部分表头进行输出电压的数据测试,记录下大量霍尔电压的输出数据,进一步分析得出非线性曲线的特征,选取一段曲线包含了最大工作范围内的霍尔电压,通过计算,选定30个点进行补偿性插入,通过App运算保证全量程范围内的精度要求。最后只要测试满足精度要求,同时必须获得霍尔电压输出曲线。在此过程中利用步进电机组成带动霍尔效应传感器转动,仪表最大量程范围在4°以内,现在6°范围内选定30个点作为测量点。先将摇架固定连接在步进电机的轴心上,以0mV输出为起始,左右各3°,电机每一次转动12′,转动一次,电脑采集一次输出霍尔电压。步进电机的精度是是0.1%FS,即可精确到0.08′,完全可满足0.5%的标定要求。
 
5  浮筒液位计的安装
为了使在现场对仪表数值的读出外浮筒液位变送器有一个可旋转的表头,该头可在360°范围内旋转8个不同位置中的任何一个位置。浮筒的外套可提供各种端口连接方式,以便利在容器上的安装,连接方式如图2所示。
电浮筒液位计的安装方式
仪表应优先选用标准的右侧安装,即面对仪表时仪表的位置应安装在外浮筒的右侧,但是当必要时也可采用左侧安装。电气安装必须正确,以防止由于电噪声而引起的误差,为了得到最好的通信结果应采用屏蔽电缆。
 
仪表的外壳应可靠的接地,电源接线盒中“+”为直流24V电源的正数,“-”为直流24V电源的负数,本质安全型的仪表电源可由关联设备齐纳安全栅LB805、LB830S提供(也可采用欧陆企业的MTL3041型),电缆屏蔽层与安全栅的汇流条相接。
 
6  总结
基于HART协议的电浮筒液位计扭力管部分的材质选择了高温下具有更高强度和韧性的Inconel625,加载了DLC3000系列智能型液位控制器,同时设计了新型标校装置,经测试其性能指标达到预计设计要求,功能完善,且价格低廉,适用性广,有广阔的市场前景。

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