CN102147625A - 一种再生酸密度检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种再生酸密度检测控制装置及方法，是在再生酸罐下端的垂直管道上安装两块与PLC连接的压力检测仪表，PLC同时还与盐酸控制阀、弱酸水控制阀及终端显示器连接。PLC根据压力检测仪表的高度差及压差的模拟量换算出再生酸密度值，并按设定的初始密度值控制盐酸控制阀或弱酸水控制阀开度和流量，调整再生酸密度。整个系统结构简单，运行可靠，便于操作，成本低廉且检测值稳定准确，其误差在0.1％以内，符合工业安全环保标准，消除了电离辐射对维护人员的伤害。适用于介质性质为腐蚀性或非腐蚀性的静态或流动液体的密度检测。

Description

一种再生酸密度检测控制装置及方法

技术领域

本发明属于流体密度检测领域，尤其涉及一种用于腐蚀性流体，尤其是冷轧酸再生机组的再生酸密度检测控制装置及其检测控制方法。

背景技术

在石油、化工、冶金、建材等许多行业中，经常要求对密闭容器或管道内的工业物料的密度进行在线式测量。在很多现场，运行设备都具有高温、高压、高粘度、剧毒、强腐蚀等特征，测量条件比较恶劣，常规仪表往往无法对这些设备介质的密度实行有效测量。同位素仪表以其非接触测量的特点，在这些特殊环境下使用，具有得天独厚的优势。而其中尤以γ射线密度计的应用更为普遍。

γ射线密度计的测量原理是，当γ射线穿过被测物质时，由于与物质的相互作用，其强度受到衰减，这些衰减作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应三种，对于窄束平行射线，它按指数衰减规律变化，即 $I=I_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_m\mathrm{\ρd}}$

式中：I₀是经过零点物料后测到的射线信号，

I是经过物料后测到的射线信号，

μ_m是被测物料对射线的质量吸收系数，

ρ是被测介质的密度，

d是射线穿过被测物料的距离。

对于确定的测量对象，I₀、μ_m及d都是不变的常量，因此通过测量I，就可以得到被测的密度ρ。

γ射线密度计是应用于酸再生机组、检测再生酸密度最常见的仪器。因为被测液体有较强的腐蚀性，所以原有的检测设备是应用放射性同位素Cs-137发射γ射线穿透被检测酸液进行测量的。它采用的是非接触方式安装，射源独立于管道一侧，接收装置水平安装在对面，通过运算后将电信号传给显示器，直接显示检测的介质密度值。

然而，放射线设备的射源有极强的辐射作用。不论是保管、安装还是调试，在一定的空间范围内均构成了射线污染的威胁，更不利于人员的维修与维护。而一旦出现泄露问题，将给设备及人员造成不可挽回的后果。同时，放射线设备元器件复杂，集成度高，不利于现场调试和离线维修。尤其是处于酸气环境下，不仅对设备和备件的耐腐蚀程度有了更高的要求，而且也增加了出现故障的几率，且需要由具备相关技能的专业人员维护，其维护费用及设备备件订购费用昂贵，增加了机组的运行成本。

发明内容

本发明的目的就是针对上述缺陷，提供一种结构简单，安装方便，成本低廉，便于维护和操作，符合工业安全环保标准，彻底避免电离辐射，保证检测精度和使用要求的再生酸密度检测控制装置及方法。

为此，本发明所采取的技术解决方案是：

一种再生酸密度检测控制装置，由压力检测仪表、计算机可编程序逻辑控制器(简称PLC)、终端显示器、盐酸控制阀、弱酸水控制阀及配套管道组成；在再生酸罐下端的垂直管道上一上一下安装有两块与PLC连接的压力检测仪表，PLC同时还与盐酸控制阀、弱酸水控制阀及终端显示器连接。

所述的压力检测仪表为电子检测压力仪表，测量范围为0～120kPa。且安装后两块压力检测仪表连接管的轴线垂直于再生酸管道。

所述的计算机可编程序逻辑控制器即PLC内设有模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、比例微分积分控制模块PID及滤波模块。

所述的盐酸控制阀、弱酸水控制阀均为气动可调节锥形阀门。

一种再生酸密度检测控制的方法，利用两块不同高度的压力检测仪表所形成的高度差及其所显示的压力差，通过PLC设定程序的模拟量处理和公式换算，得到实时检测的再生酸密度值；在送入监控画面显示的同时，PLC还根据设定的初始密度值发出模拟量信号，控制盐酸控制阀或弱酸水控制阀开度，通过调整盐酸或水的加入比例来调节再生酸密度。其具体方法和步骤为：

1、密度检测：

当再生酸流经上下两块压力检测仪表时，两块压力检测仪表分别将测得的压力值在表头上显示读数，同时以4～20mA的电流信号将压力值传送给PLC，PLC中的模拟量输入模块AI将接收后的压力值通过软件编辑器进行计算，即按照公式： $\mathrm{\ρ}=\frac{P_A-P_B}{\mathrm{\Δh}\·g}(1-\mathrm{\α})$ 计算出再生酸密度值；

式中：ρ是所测再生酸密度、(g/l)，

P_A是上部压力检测仪表所测压强值、(mmHg)，

P_B是下部压力检测仪表所测压强值、(mmHg)，

Δh是上、下两块压力检测仪表连接管轴线之间的垂直距离、(m)，

g为重力加速度、取值9.80665m/s²，

α为调整系数、取值范围在0.02～0.05之间；

为防止压力波动影响检测，调整仪表的阻尼时间为3秒；并通过程序中的滤波模块保证检测密度值的精确性及稳定性；

2、密度控制：

PLC根据内部预设的标准再生酸密度值，将当前检测密度值与预设的再生酸密度值进行比较，计算出密度变化差值，通过PLC控制器中的比例微分积分控制模块PID计算，得出补酸量或补水量；然后通过模拟量输出模块AO对盐酸控制阀或弱酸水控制阀进行控制，通过调节两个阀门的开度控制盐酸或水的流量，实现对再生酸密度的调整；调整后的密度值又经由模拟量输入模块AI进入PLC中，参与下一次的计算与调整，从而形成再生酸密度的闭环控制。

本发明的有益效果为：

本发明采用压差式密度检测法和密度闭环控制系统，经实际应用证明，整个系统结构简单，运行可靠，检测控制方法切实可行，便于掌握和操作，检测值稳定准确，波动及变化范围较小，与实际通过比重表检测的密度值的误差在0.1％以内。

本发明与原有传统电离辐射密度检测方法相比，具有安装方式简单、可维护性强、成本低廉等优点，同时符合工业安全环保标准，消除了电离辐射对维护人员的伤害。适用于介质性质为腐蚀性或非腐蚀性的静态或流动液体的密度检测，并可根据介质性质选择相应的检测仪表，大幅度降低检测成本。

附图说明

附图为再生酸密度检测控制装置结构示意图。

图中：再生酸罐1、盐酸控制阀2、弱酸水控制阀3、压力检测仪表4、PLC5、终端显示器6、再生酸管道7、循环泵8。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步说明。

由附图可见，本发明之再生酸密度检测控制装置主要是由再生酸罐1、压力检测仪表4、PLC5、终端显示器7、盐酸控制阀2、弱酸水控制阀3及再生酸管道7等配套管道组成。在再生酸罐1下端的再生酸管道7的垂直段上一上一下安装有两块压力检测仪表4，压力检测仪表4与PLC5连接，PLC5同时还与盐酸控制阀2、弱酸水控制阀3及终端显示器6连接。再生酸罐1里面介质为盐酸和水的混合溶液。再生酸罐1下端再生酸管道7上有一个循环泵8，目的为了使再生酸罐1内的液体充分融合，不产生分层，密度均匀，并且把酸打到下一个环节，进行下一系统反应。再生酸罐1罐体不密封，上端有一个放气口。罐体入口处有一将盐酸管道和弱酸水管道合并到一起的调酸管道，盐酸管道和弱酸水管道分别连接有盐酸控制阀2和弱酸水控制阀3，可调节盐酸和水的流量。

根据介质性质，本发明压力检测仪表4选择两块相同型号的精度比较高的电子检测压力仪表，同时根据实际工况，通过确定文丘里放气管位置与安装仪表位置相对落差，选择仪表的测量范围在0～120kPa。选择防腐膜片发兰或螺纹式安装，并带有可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议的两线制4～20mA的传输模式。

盐酸控制阀2、弱酸水控制阀3是工业过程控制中的主要执行单元仪表，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。本发明选择动力源为气动源，选择气缸为气开式模式，确保故障停气时，气缸自动复位关闭。为使调节呈线性变化，选择阀体为锥形，以提高控制的安全性与可靠性。

计算机可编程序逻辑控制器PLC5是选择德国西门子公司的PLC系统，包括CPU(中央处理器)，内设AI(模拟量输入模块)、AO(模拟量输出模块)和滤波模块。上位机为西门子工控机，内含西门子STEP7可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作；最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。

本发明两块压力检测仪表4的中心距之间的垂直距离为Δh，为计算方便Δh应尽量选择容易测量的定值，如1m。压力检测仪表4的水平中心距要垂直于管道，使压强垂直于检测介质，以减少在其他方向上的分力。如果管道有倾角θ，则实际压强值P需将原有的压强值P_A(或P_b)乘以角的余弦，即P＝P_A(或P_b)cosθ。

本发明再生酸密度检测控制的方法，主要是利用两块不同高度的压力检测仪表4所形成的高度差及其所显示的压力差，通过PLC5设定程序的模拟量处理和公式换算，得到实时检测的再生酸密度值；在送入终端显示器6显示监控画面的同时，PLC5根据设定的初始密度值发出模拟量信号，控制盐酸控制阀2或弱酸水控制阀3的开度，通过调整盐酸或水的加入量来调整再生酸密度。

其具体方法和步骤为：

1、密度检测：

当再生酸流经上下两块压力检测仪表4时，两块压力检测仪表4的表头将分别显示测得的压力值，同时压力检测仪表4以12mA的电流信号将压力值传送给PLC5，PLC5中的AI将接收后的压力值通过软件编辑器进行计算，并按照公式 $\mathrm{\ρ}=\frac{P_A-P_B}{\mathrm{\Δh}\·g}(1-\mathrm{\α})$ 计算出再生酸密度值；

同时，为防止压力波动影响检测，调整仪表的阻尼时间为3秒；并通过程序中的滤波模块保证检测密度值的精确性及稳定性；

2、密度控制：

PLC5根据内部预设的标准再生酸密度值，将当前检测密度值与预设的再生酸密度值进行比较，计算出密度变化差值，通过PLC5中的比例微分积分控制模块PID计算，得出补酸量或补水量；然后通过AO对盐酸控制阀2或弱酸水控制阀3进行控制，通过调节两个阀门的开度控制盐酸或水的流量，实现对再生酸密度的调整；调整后的密度值又经由AI进入PLC5中，参与下一次的计算与调整，从而形成再生酸密度的闭环控制。

调整系数α的确定，主要是考虑到被检测的再生酸为连续流动的液体，要通过采用压差的方式计算介质的密度，必须应用流体力学的基本原理加以认证。由于介质具有一定黏度，与理想流体不同，介质点要黏附在管道内壁上，受固体内壁的影响，在固体内壁和流体的主流之间必定要有一个过渡的流速变化区域，从而产生速度梯度，形成沿程和局部阻力，从而耗费机械功，并且不可逆转的转化为热能。因此，整个管道的能量损失应该是各分段能量损失的叠加。正是充分考虑沿程和局部阻力的影响，本发明为简化起见，而将上述影响因素的综合作用通过调整系数α来进行必要的参数整定，并确定α的取值范围在0.02～0.05之间变化，以减少检测误差，使实际计算的密度值更加准确。

Claims (7)

1.一种再生酸密度检测控制装置，包括再生酸罐，其特征在于，由压力检测仪表、计算机可编程序逻辑控制器即PLC、终端显示器、盐酸控制阀、弱酸水控制阀及配套管道组成；在再生酸罐下端的垂直管道上一上一下安装有两块与PLC连接的压力检测仪表，PLC同时还与盐酸控制阀、弱酸水控制阀及终端显示器连接。

2.根据权利要求1所述的再生酸密度检测控制装置，其特征在于，所述的压力检测仪表为电子检测压力仪表，测量范围为0～120kPa。

3.根据权利要求1所述的再生酸密度检测控制装置，其特征在于，所述的两块压力检测仪表连接管的轴线垂直于再生酸管道。

4.根据权利要求1所述的再生酸密度检测控制装置，其特征在于，所述的计算机可编程序控制器即PLC内设有模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、比例微分积分控制模块PID及滤波模块。

5.根据权利要求1所述的再生酸密度检测控制装置，其特征在于，所述的酸液控制阀门、弱酸水控制阀门均为气动可调节锥形阀门。

6.一种应用权利要求1所述再生酸密度检测控制装置的方法，其特征在于，利用两块不同高度的压力检测仪表所形成的高度差及其所显示的压力差，通过PLC设定程序的模拟量处理和公式换算，得到实时检测的再生酸密度值；在送入监控画面显示的同时，PLC还根据设定的初始密度值发出模拟量信号，控制盐酸控制阀或弱酸水控制阀开度，通过调整盐酸或水的加入比例来调节再生酸密度。

7.根据权利要求6所述的再生酸密度检测控制方法，其特征在于，其具体方法和步骤为：

1)、密度检测：

当再生酸流经上下两块压力检测仪表时，两块压力检测仪表分别将测得的压力值在表头上显示读数，同时以4～20mA的电流信号将压力值传送给PLC，PLC中的模拟量输入模块AI将接收后的压力值通过软件编辑器进行计算，即按照公式： $\mathrm{\ρ}=\frac{P_A-P_B}{\mathrm{\Δh}\·g}(1-\mathrm{\α})$ 计算出再生酸密度值；

式中：ρ是所测再生酸密度、(g/l)，

PA是上部压力检测仪表所测压强值、(mmHg)，

PB是下部压力检测仪表所测压强值、(mmHg)，

Δh是上、下两块压力检测仪表连接管轴线之间的垂直距离、(m)，

g为重力加速度、取值9.80665m/s²，

α为调整系数、取值范围在0.02～0.05之间；

为防止压力波动影响检测，调整仪表的阻尼时间为3秒；并通过程序中的滤波模块保证检测密度值的精确性及稳定性；

2)、密度控制：

PLC根据内部预设的标准再生酸密度值，将当前检测密度值与预设的再生酸密度值进行比较，计算出密度变化差值，通过PLC控制器中的比例微分积分控制模块PID计算，得出补酸量或补水量；然后通过模拟量输出模块AO对盐酸控制阀或弱酸水控制阀进行控制，通过调节两个阀门的开度控制盐酸或水的流量，实现对再生酸密度的调整；调整后的密度值又经由模拟量输入模块AI进入PLC中，参与下一次的计算与调整，从而形成再生酸密度的闭环控制。

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