液体介质浓度密度的在线连续检测方法 技术领域：
本发明涉及一种液体介质浓度密度的在线连续检测方法，用于化工、炼油等过程工业的参数检测。
背景技术：
工业过程自动化是实现生产的安全、平稳、高效、优质和低耗的基本条件和重要保证，而为了对生产过程实施有效的控制，一个重要的前提就是要获得被控变量的信息。对具体的生产过程来说，真正希望得到控制的工艺参数大都是浓度、聚合率、收率、粗汽油干点、轻柴油倾点、产率分布等直接反映装置情况和产品质量的所谓“质量参数”。但是，这些质量参数的检测十分困难，即便有一些相应的在线分析测量仪，由于分析测量过程通常具有很大的滞后特性，使得在过程控制系统实现时存在很大的困难。为此，一般的做法是通过控制温度、压力、液位和流量等所谓常规变量来达到控制质量指标的目的，但这些参数毕竟是间接变量，不能全面准确地反映过程的质量参数。
目前，国内外已出现了各种各样的在线浓度分析仪，包括：射线法、声学法、振动法、电导法、电磁法、热导法、折光法、工业色谱仪、质谱仪、粘度计法等。但是，几乎所有这些方法在运用于实际工业现场时，都存在各种各样的问题，如价格昂贵、维护困难、测量滞后过大、使用寿命短、抗现场干扰能力弱，因而许多工业过程对浓度的控制都只有依赖于软测量和推断控制。
作为一个关键质量参数，浓度的检测对工业生产有非常重要的意义。主要由于检测上存在的困难和问题，与温度、压力、液位和流量等参数相比，质量参数浓度的控制还是一个未能得到很好解决的问题。如：聚醋酸乙烯(PVAc)树脂甲醇溶液的浓度是一个对聚乙烯醇(PVA)生产具有重要影响的关键参数，目前，该树脂浓度几乎无一例外地采用粘度计来测量，这种测量仪器大都需要从国外进口，价格昂贵，维护困难，量程范围难以调整，浓度与粘度、温度间地关系是严重非线性的，而这种关系要通过大量实验才能获得(鲜光平，聚醋酸乙烯浓度控制系统改造，维纶通讯，2000，19(4)，34-39.)。又如：硫氢酸钠溶液作为聚丙烯睛的溶剂，其浓度的变化直接影响溶解性能的好坏，因此它要控制在严格的范围内。为降低单耗，需要回收系统中的硫氢酸钠溶液，将其进行过滤处理和蒸发浓缩后循环使用。在用蒸发装置对其浓缩的过程中，其出口硫氢酸钠溶液浓度是需要检测和控制的关键参数。由于没有有效的检测手段，经常采用“软测量”的方法，即利用可以测得的参数对出口浓度进行估计(“五效蒸发装置软测量模型的建立”，田荣海等，《化工自动化及仪表》，2000，27(6)8～10)。这种方法存在的问题是：
1)通常待估计的出口浓度与多个可测变量之间的关系十分复杂，很难取
得较高的检测精度。在不少情况下，甚至连这种关系也不一定存在。
2)随着工况的变化，原先得到的关系通常也会变得不准确，因此需要对
模型进行在线修正，而这本身就是一个尚在研究中的问题。
3)软测量一般基于数据分析和处理，其物理意义不明确，操作人员往往
不易接受。
4)因为模型通常较为复杂，涉及的变量也较多，软测量要占用较多的计
算资源。这对一些尚未实现计算机控制的企业来说，其实现更是一个
问题。
由上述分析可以看到，开发简单实用、稳定可靠的质量参数检测系统是很有意义的，具有广泛的应用前景。
发明内容：
本发明针对现有技术的上述问题，提供一种新的液体介质浓度密度的在线连续检测方法，通过建立浓度、密度与所测信号间简单的线性对应关系，采用常规仪表测得的信号来获得浓度密度信息，实现连续在线检测。由于在很多情况下，浓度和密度之间存在简单确定的对应关系，因此为叙述方便，本发明说明书仅以浓度为例进行描述。
按照流体力学定律，当介质在垂直的管道上流动时，任意两个测点的压力差由两部分组成，即静压差和摩擦阻力，其中静压差在两测点位置固定的情况下，取决于介质的浓度(密度)。为了从差压输出信号中准确地获得介质的浓度信息，需要从测得的差压信号中剔除摩擦阻力信号。另外，还要对介质温度和环境温度变化引起的误差予与补偿。
由此，本发明的技术方案中，采用常规的双法兰微差压变送器进行浓度密度的在线连续检测，并合理设置液体介质温度测点和环境温度测点，对介质温度和环境温度进行补偿。测量系统在原介质流动管道上配置一段垂直测量管，为实施快速有效的自动控制，该测量管应尽量置于对控制作用敏感的位置，即浓度调节阀附近。垂直测量管与原主管道的连接可采用大小头连接、焊接等方式。垂直测量管上设两个测压点，两测压点前后各保留一小段直管段，由差压变送器测量两个测压点之间的差压信号。在垂直测量管道与连接法兰之间的引压管上各安装一个阀门。在两测压点中间、测量管道内中心处设置一个液体介质温度测点，由介质温度变送器测量介质温度。在差压变送器附近设置一个环境温度测点，由环境温度变送器测量环境温度。为美观和安装方便，环境温度变送器可采用微型温度传感器。
本发明采用的一次仪表有：
(a)双法兰微差压变送器：要求精度为0.1，量程及零点根据浓度变化范围、介质温度和环境温度来确定，使得两测点的差压在仪表的测量范围内。
(b)介质温度变送器：根据介质温度的变化范围，选用适当量程的温度变送器，误差在1℃内。一般的热电阻、热电偶即可达到要求。
(c)环境温度变送器：根据环境温度的变化范围，选用适当量程的温度变送器，误差在1℃内。一般的热电阻、热电偶即可达到要求。
本发明采用的二次仪表要求不高，能进行简单加减乘除运算即可。
本发明在测得上述三个信号的基础上，利用下面的计算式即可得到介质浓度Con：
Con＝(dP+c1*T1-c2*T2)/c3+c4
其中，dP为差压变送器输出信号；T1为树脂温度信号；T2为环境温度信号。c1，c2，c3，c4是几个重要参数，它们的意义及作用如下：
c1：流体介质温度变化一度时，由于体积膨胀而引起的差压变化(可由介质的体积膨胀系数计算得到)，其作用为介质温度补偿。一般来说，对具体的某个测量系统，该参数是固定的。
c2：环境温度变化一度时，由于双法兰差压变送器毛细管内填充液体积膨胀而引起的差压变化(可由填充液的体积膨胀系数计算得到)，其作用为环境温度补偿。一般来说，对具体的某个测量系统，该参数是固定的。
c3：浓度变化一个单位(如1％)所引起的差压变化，其作用是将差压信号转换为浓度信号。一般来说，对具体的某个测量系统，该参数是固定的。
c4：仪表调节、修正系数，其作用是使测量系统的调校方便易行，对具体的某个测量系统来说，它是唯一的调节参数。
与现有技术中的浓度检测系统相比，本发明具有以下明显优势：
1.系统基于差压法原理，浓度与所测的三个信号间具有简单确定的线性
关系，易于实现。
2.采用常规仪表，性能稳定可靠，响应时间快(滞后时间小)，因而闭环
控制效果好。
3.价格低，一套系统的成本大致为二万元人民币；维护方便，使用寿命
长。
4.量程调整方便(只需在线调整零点迁移并设定参数c4)，可适用于大范
围的浓度测量，即实现对任意浓度的测量而不需任何附加的硬件投入。
5.由于目前差压变送器的精度可达到0.1％以上，温度检测精度也高，因
而本测量系统具有较高的精度，典型误差值为0.5％以内。
本发明的浓度计算式是一个很常见的简单关系式，一般的二次仪表均有这种运算功能。
需要强调的是，本发明的一个重要特性是它能够应用于流动介质的浓度检测，静止介质的浓度测量作为一个特例，则要容易得多。
附图说明：
图1为本发明的系统配置和安装示意图。
如图所示，测量系统在原介质流动管道1上配置一段垂直测量管4，长1500mm，管径400mm，可以使得流动稳定，摩擦阻力小，有效地克服摩擦阻力的影响。为实施快速有效的自动控制，该测量管4应尽量置于对控制作用敏感的位置，即浓度调节阀附近。垂直测量管4与原介质流动管道1通过大小头2连接。在垂直测量管道4与连接法兰8之间的引压管上各安装一阀门5，关闭阀门5，可以拆下差压变送器进行调试、维修等而不影响生产。垂直测量管4设两个测压点，两个测压点之间的差压信号通过引压管引出，由差压变送器11通过连接法兰8测得。两个测压点之间的距离即两法兰8中心点之间的距离为1100mm，两测点前后各保留200mm直管段。在两测压点中间、测量管道内中心处设置一个液体介质温度测点，由介质温度变送器9测量介质温度。在差压变送器11附近设置一个环境温度测点，安装一个环境温度变送器10测量环境温度。差压变送器11、介质温度变送器9以及环境温度变送器10的信号输出作为二次仪表的输入，连接到集散控制系统12(DCS)。
具体实施方法：
以下通过一个具体的应用实例详细描述如何实现本发明。
工艺参数及其它参数为：介质最大流量为32m3/h，最大粘度为500cP，浓度变化1％引起的比重变化为0.0039，浓度变化范围为20％到30％，介质温度变化1℃时引起的比重变化为0.000663，介质温度变化范围为55℃到70℃，环境温度变化1℃时引起的比重变化为0.000891，环境温度变化范围为-25℃到40℃。
测量管道的安装如图1。根据流体力学计算可知，流体在测量管道内的流动为层流，最大摩擦压降为0.7917mmH2o。
量程的选择：浓度变化引起的差压变化为：1100*0.0039*(30-20)＝42.9(mmH2o)，介质温度变化引起的差压变化为：1100*0.000663*(70-55)＝10.4(mmH2o)，环境温度变化引起的差压变化为：1100*0.000891*(40+25)＝63.7(mmH2o)。据此，量程可选为：(42.9+10.4+63.7)＝117(mmH2o)，取为120mmH2o。
零点迁移：零点迁移在线进行，以使差压信号落在差压变送器的量程内。
浓度计算式中参数的确定：c1＝1100*0.000663＝0.7293；c2＝1100*0.000891＝0.9801；c3＝1100*0.0039＝4.29；c4由在线标定得到，它的取值应使浓度计算式所得到的值与实际标定值相等。由于c4的这种作用，使摩擦压降对精度的影响得到很好克服，何况这里摩擦压降的最大值与浓度变化引起的差压相比还是比较小的。