高精度低温介质稳态质量流量、液位自动测量系统

　　1　前言

　　在低温试验研究中,经常要求能够精确地测量低温介质的稳态质量流量,并要求能够对贮箱液位进行实时的监测。在大多数试验中,对实时液位监测的测量精度要求并不高,而对稳态质量流量参数的测量精度则有较高的要求。电容式液面计的精度为1%~2%,若用它进行实时液位的监测,精度尚能满足要求,但若用它进行稳态质量流量的测量,精度就难以满足要求。并且,用低温介质对其进行标定也存在一定的困难。分节式电容液面计的精度可达到0.02%,用它测量低温介质的稳态质量流量精度较高,且可在常温下用水进行标定。但用它进行液位的实时监测,在实际工作中往往较难实现。本文对分节式电容液面计的使用作了进一步的研究,通过程控继电器开关矩阵对其分节进行组合,使其根据需要,既能用总电容法实时监测液位,又能用奇偶节电容比较法测量稳态质量流量,形成了一套高精度低温介质稳态质量流量、液位自动测量系统。

　　2　测量系统的原理和组成

　　测量系统的组成如图1所示。主要包括贮箱内的分节式电容液面计、电容式密度计、程控继电器开关矩阵、AH-2500A型电容测试仪、LLMA-1型液位测量变换仪、信号调理模块以及微机采集系统等。

　　在图1的系统中,程控继电器开关矩阵在微机系统的控制下,对分节式电容液面计的分节进行组合,使其具有两种工作模式;模式1———总电容模式,模式2———奇偶节电容比较

　　模式。模式1用于实时液位监测,在该工作模式下,将液面计的所有分节的电容进行并联,使其相当于一般的电容液面计,并通过开关矩阵连接到AH-2500A电容测试仪, AH-2500A对液面计的总电容进行测量并将数据送至微机系统,由软件计算出液位并进行存盘和显示。模式2用于稳态质量流量的测量,在该工作模式下,液面计的奇数节电容和偶数节电容通过开关矩阵分别送至LLMA-1的两个输入端, LLMA-1对其进行三端比较测量,并输出随液位变化的三角波,微机采集系统对该三角波进行采集和处理,从而计算出稳态体积流量,与密度相乘可得稳态质量流量。图1中的电容式密度计通过开关矩阵连接到AH-2500A, AH-2500A对其电容进行测量并将数据送至微机系统,由软件计算出密度。图1中的阶段信号Ts是指示试验开始和结束时刻的信号。

　　下面对本系统的主要设备进行详细说明。

　　2.1　分节式电容液面计^[1,2]

　　分节式电容液面计是将一般的电容液面计的外管分割成高度相同、互相绝缘的若干节,然后将奇数节连接起来,成为一组,将偶数节连接起来,成为另一组,它们分别与内管构成奇数节电容C ₁和偶数节电容 C ₂。将这两个电容作为电桥的相邻两臂,进行比较测量。不难知道,当液面下降时,将获得如图2所示的三角波。其中,各拐点处(波峰、波谷)分别与各奇数节与偶数节的交界处相对应,进而与容器内液面的高度相对应,或与低温介质的体积相对应(标定后)。这样,通过对波形进行分析就可得到稳态体积流量,见式(1)。