CN103575366B - 液体介质注满度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体介质注满度检测装置。所述装置包括：外壳体，所述外壳体包括入口和出口，介质从所述入口进入所述外壳体并从所述出口排出所述外壳体；多条流道，所述流道设置于所述外壳体的内壁上，所述介质进入所述外壳体的入口后，流经所述流道，到达所述外壳体的出口；浮子，所述浮子位于所述流道的内环中，并在所述流道的所述内环中移动；浮子位置感测单元，安装在所述外壳体上，用于检测所述浮子在所述流道的所述内环中的位置。本发明能实现液体介质注满度的自动检测，减少了人力消耗和操作风险，并且提高了工业自动化水平以及降低了资源（电、液体介质）的消耗。

Description

液体介质注满度检测装置

技术领域

本发明涉及工业领域的自动化控制系统，特别涉及液体介质的注满度检测。

背景技术

工业领域（特别是石化、冶金、电力）大量的容器或管道在正式投运前，要对这些容器或管道进行注入（注入介质流量比正常运行流量小，一般为正常流量的10～30％）液体介质（如水、油、酸、碱等）的操作，同时排出容器或管道的空气，以保证容器或管道内介质的注满度，防止正式投入系统时液体冲击而损坏设备。

图1示出了一个容器1000（管道类同），P11是容器1000的排空管（该容器上有多个排空管，为示例的目的仅标出一个），P11上的阀门G11被称为排空门。当此容器投运前，先要通过注入门G12（有些容器没有专用的注入门，而是通过主阀门来注入液体介质，道理是相同的）对容器1000注入液体介质，并由现场操作人员实地观察P11的排出状况来判断容器1000是否注满。由于容器1000较大，现场操作人员要在现场进行长期观察，当发现排空管P11排出大量（满管）液体介质后，通知远方控制人员结束注入工作，转入正常的运行方式。

现有技术中没有专用的容器或管道注满度检测装置（仪表），容器或管道注入介质是由工厂操作人员赴现场进行观察来完成的，由于工厂庞大，需要检测和观察的点很多，而且容器和其排水管安装在不同高度、不同区域，给现场工作人员带来很大的工作量和安全风险。

并且由于人员经验差异也带来观察的误差，易出现以下两种情况：在容器或管道尚未被注满时误向控制人员发出已注满的信号，此时对容器投运会造成冲击，导致设备损坏或造成系统故障；或在容器已注满一段时间后，才告知控制人员已注满，因此需要等待较长的排出时间，导致液体介质和电能的浪费。

另外，由于容器或管道是否注满必须由现场工作人员来实地观察，这一环节也成为了实现工业系统全程自动化的瓶颈。

发明内容

本发明公开了可实现自动检测的液体介质注满度检测装置，该装置在注入液体介质过程中能自动检测反映容器或管道的注满度的信号，而不再需要操作人员进行实地观察。

根据本发明的一个方面，提供了一种液体介质注满度检测装置，其中，所述装置可以包括：外壳体，所述外壳体具有入口和出口，介质从所述入口进入所述液体介质注满度检测装置并从所述出口排出所述液体介质注满度检测装置；多条流道，所述流道设置于所述外壳体的内壁上，所述介质进入所述外壳体的入口后，流经所述流道，到达所述外壳体的出口；浮子，所述浮子位于所述流道的内环中，并能够在所述流道的所述内环中移动；浮子位置感测单元，安装在所述外壳体上，用于检测所述浮子在所述流道的所述内环中的位置。

该液体介质注满度检测装置中的所述外壳体可以是中空的柱体，所述流道与所述外壳体是一体成型的或者所述流道与所述外壳体是分离设置的。

本发明中的每条所述流道从外壳体的所述入口到所述出口是连通的，并且所述流道在所述出口的横截面积大于在所述入口处的横截面积。

进一步地，对于每条所述流道，在所述出口处的横截面上该流道的外环上的中点与在所述入口处的横截面上该流道的外环上的中点间的连线被称为该流道的轴线，该流道的该轴线与所述外壳体的轴线间有10°至60°间的夹角，因此排出介质通过液体介质注满度检测装置时会顺着流道旋转，从而可带动浮子旋转，这使得浮子不容易卡涩并且也使浮子能够自清洗。

进一步地，从外壳体的所述入口到所述出口所述流道的横截面积可以是均匀增大的或者是波浪式增大的。

优选地，所述浮子位置感测单元包括磁控开关，并且在所述浮子内部有永久磁体，所述磁控开关随着所述浮子位置的改变而打开或闭合。而所述浮子的上部和下部由导磁金属构成而中间部分是非导磁材质，所述永久磁体可固定在所述浮子的所述中间部分的内部。因此，浮子的位置会影响浮子位置感测单元中的磁场，以此来控制磁控开关的打开和闭合。

上述所述浮子位置感测单元包括：第一开关，所述第一开关用于输出表示排空门打开的信号；第二开关，所述第二开关用于输出表示容器或管道被预注满的信号；第三开关，所述第三开关用于输出表示容器或管道被注满的信号。

另外，所述装置还可包括第一支架，所述第一支架安装在所述外壳体的所述出口处和所述入口处，用于连接所述外壳体和容器或管道的排空管，并用于限定所述浮子的移动范围。

当需要水平安装上述液体注满度检测装置时，该液体介质注满度检测装置中还包括第二支架、弹簧、弹簧固件和中心定位杆，所述第二支架分别安装在所述入口处和所述出口处的所述第一支架上，所述弹簧的一端被所述弹簧固件固定在所述出口处的所述第二支架中心，另一端被所述弹簧固件固定在所述浮子朝向所述出口的一端的中心，所述中心定位杆的两端分别固定在所述入口处和所述出口处的所述第二支架的中心并穿过所述浮子和所述弹簧。

本发明能实现液体介质注满度的自动检测，减少了人力消耗，有利于设备维护并减少了不必要的浪费，并且使得工艺系统全程自动化成为可能。

附图说明

在图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。

图1示出了现有技术中需进行液体介质注满度检测的容器的示意图；

图2A示出了根据本发明的一个优选实施方式的适用于容器或管道的示例液体介质注满度检测装置的示意图；

图2B示出了对应于图2A所示的示例液体介质注满度检测装置的流道展开图；

图3示出了根据本发明的一个实施方式的被水平安装的液体介质注满度检测装置的示意图；

图4示出了根据本发明的另一个优选实施方式的液体介质注满度检测装置的流道展开图；

图5示出了根据本发明的一个实施方式的液体介质注满度检测装置的外壳体、流道和浮子在出口处的剖面图和在入口处的剖面图（左图是出口的剖面图，右图是入口的剖面图）；

图6示出了安装了根据本发明的所公开的液体介质注满度检测装置的容器的示意图，该液体介质注满度检测装置包括旁路通道；以及

图7示出了根据本发明的一个实施方式的液体介质注满度检测装置的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步地详细描述。

根据本发明的一个方面，提供了一种液体介质注满度检测装置，其中，所述装置包括：外壳体，所述外壳体具有入口和出口，容器或管道中的排出介质从所述入口进入所述液体介质注满度检测装置并从所述出口排出所述液体介质注满度检测装置；多条流道，所述流道设置于所述外壳体的内壁上，所述容器或管道中的排出介质进入所述外壳体的入口后，流经所述流道，到达所述外壳体的出口；浮子，所述浮子位于所述流道的内环中，并在所述流道的所述内环中移动；浮子位置感测单元，安装在所述外壳体上，用于检测所述浮子在所述流道的所述内环中的位置。

液体介质注满度检测装置一般被安装在容器或管道的排空管上，并与地面垂直或水平。通常，小型的容器或管道上可安装一个液体介质注满度检测装置，大型的容器或管道上可能需要安装一个或多个液体介质注满度检测装置，该一个或多个液体介质注满度装置可以分别安装在容器或管道的头部或尾部或其他部位的排空管上。

图2A示出了根据本发明的一个优选实施方式的适用于容器或管道的液体介质注满度检测装置200的示意图，该液体介质注满度检测装置200垂直于地面安装，因此外壳体21入口在下而出口在上。如图2A所示，外壳体21是一个中空的柱体，外壳体21的内壁上设置有流道22。外壳体21和流道22可以是一体成型的，比如如果外壳体21是较厚的板材，可以直接在外壳体21的内壁上开槽形成流道22。可选地，外壳体21和流道22也可以是分离设置的，比如将一个与能与外壳体21的内壁紧密贴合的笼子嵌套在外壳体21内，该笼子包括若干个上下贯通的笼条，笼条的间隙形成流道22。选择一体成型的或分离设置的外壳体21和流道22取决于选材及加工方式，这由工艺或材料加工成本决定。本实施方式中外壳体21的内壁构成流道22的外环，而构成流道22的凸起所围成的圆被称为流道22的内环。浮子23位于流道22的内环内，浮子23的外径最大处和构成流道22的凸起间有0.2～0.5mm的间隙。图2A的实施方式中的浮子23的上部和下部是两个由导磁金属构成的圆形构件，其形状为流线型（减少阻力和对流体的搅动），浮子中部是一个非导磁性材料构成的圆筒状柱体构件，并在该圆筒状柱体结构中安装了强永久磁铁，磁铁的磁极位于上下两端。浮子23的上、中、下三个构件可以用卡扣连接，浮子23的外壳和磁铁间可用高温密封胶填充。浮子位置检测装置24包括多个磁控开关，该磁控开关可以是磁控干簧管，可根据需要选择有保持功能的磁控开关或无保持功能的磁控开关。液体介质注入过程中容器或管道中的排出介质从外壳体的入口进入液体介质注满度检测装置200，自下而上经过流道22后从外壳体的出口排出。浮子23受到排出介质的冲击力而向上移动。浮子23的移动可引起浮子位置感测单元24中的磁场变化，从而控制对应的磁控开关以输出信号。图2A中的液体注满度检测装置200的外壳体21的出口端和入口端分别通过第一支架25固定在排空管上。从图中可看出，第一支架25的内径小于浮子23的最大外径，因此第一支架25可限定浮子23的移动范围，使得浮子23只能在入口处和出口处的第一支架25间移动。同时，在分离设置流道22和外壳体21的情况下，第一支架25还起到固定构成流道22的凸起的作用。由于浮子23在移动的过程中，会与第一支架25碰撞，因此可以将第一支架25与浮子23接触的棱加工成倒角，例如R3倒角，可尽量减少碰撞对浮子的损害。

图2B示出了对应于图2A所示的液体介质注满度检测装置200的流道22展开图。图2B中白色的部分是流道22。可以看出图2B中的每条流道22都是上下连通并且从下往上均匀增大。当开始注入液体介质时，最先排出容器或管道的排空管的排出介质是空气，排出的空气带给浮子（未示出）的冲击力大于浮子的重力，使得浮子逐渐上升。上升过程中由于流道22变大，浮子所受的冲击力逐渐减小，直到重力和冲击力达到平衡，浮子不再上升。随着容器或管道内注入的液体介质越来越多，排出介质不再只是空气，而是空气、可溶解杂质、杂物和液体介质等的混合物，该混合物的密度大于空气密度，使得浮子受到的冲击力变大，浮子继续上升，但由于流道一直在增大，所以当预注满时，冲击力和重力再次达到平衡。当液体介质注满容器或管道时，排出介质基本是纯的液体介质，纯液体介质的密度大于混合物，浮子受到的冲击力再次超过重力，浮子又开始上升，直到浮子到达顶部。图2B中还示出了其中一条流道的轴线PQ（其他流道类似）。图2B中的点P是在出口处的横截面上的该流道的外环（即外壳体的内壁）上的中点，点Q是在入口处的横截面上该流道的外环（即外壳体的内壁）上的中点，本文中将点P和点Q间的连线PQ称为该流道的轴线。从图2B中可以看出轴线PQ与外壳体的轴线（如果外壳体是圆柱形，则外壳体的轴线指该圆柱体的轴线，通常，外壳体的轴线与地面平行或垂直）间有一个夹角，即流道具有一个倾斜角度，从而使得排出介质通过液体介质注满度检测装置时可沿着该倾斜角度旋转，并可带动浮子旋转，使浮子不容易卡涩并且也使浮子可以进行自清洗。该夹角可设计在10^°到60^°的范围内。

图3是示出了根据本发明的一个实施方式的可以被水平安装的液体介质注满度检测装置300的示意图。除了上述部件外，为了使液体注满度检测装置适用于水平安装，图3示出的根据本发明的水平安装的液体介质注满度检测装置还包括第二支架36、弹簧38、弹簧固件39和中心定位杆37，第二支架36安装在入口处和出口处的第一支架35上，通常与第一支架35垂直，弹簧38的一端被弹簧固件39固定在出口处的第二支架36的中心，另一端被弹簧固件39固定在所述浮子33朝向出口的一端的中心，中心定位杆37沿着流道内环的中轴线设置，两端分别固定在入口处和出口处的第二支架36的中心并穿过浮子33和弹簧38，以使浮子33和弹簧38始终沿着流道内环的中轴线移动。另外，为了保证浮子33在水平方向活动自由，可以在浮子33内部与中心定位杆37接触的部位安装浮子内滑道，该浮子内滑道可采用耐腐蚀金属管。图3中所示的液体介质注满度监测装置300的工作原理和图2A和图2B中所示的垂直安装的液体介质注满度监测装置200的工作原理相似，区别只在于，液体介质注满度监测装置200中与排出介质的冲击力相对抗的是浮子23的重力，而液体介质注满度监测装置300中与排出介质的冲击力相对抗的是弹簧38的弹力。值得注意的是，流道的设计是多种多样的，为了简洁的目的，图2A、图2B和图3中画出的流道均为梯形的流道，这仅仅是一种可能的流道形状设计。

图4示出了根据本发明的另一个优选实施方式的液体介质注满度检测装置的流道展开图。为示例的目的，图4是将流道的侧面展开图垂直放置的示图，对应于水平安装的液体介质注满度监测装置，也可将图4旋转90°以便于理解。从图4中可看出，流道42从入口到出口是波浪式增大的，即有部分区域的流道42并不是从下到上均匀增大的，可能是保持不变甚至减小的，但整体看减小的幅度小于增大的幅度，所以整个流道42的变化趋势是从入口到出口逐渐增大的。图4中，从入口到出口，流道42的横截面积以不变—增大—不变—减小的规律变化。开始注入液体介质时，浮子（未示出）受到排出的空气的冲击力大于浮子重力（或弹簧的弹力），浮子开始移动，但随着流道逐渐变大，使得冲击力随着流道的变大而减小，当到达倒数第一条水平线（水平安装时，此线实际上与地面是垂直的，以下类同）附近时，浮子受到的冲击力和浮子重力（或弹簧的弹力）达到平衡，浮子悬浮在倒数第一条水平线附近处，并触发浮子位置感测单元中的第一磁控开关443闭合，以输出表示排空门打开的信号。当容器或管道内的液体介质逐渐增多，排出介质因为包含了多种杂质和混合物而密度增大，浮子受到的冲击力随着排出介质密度的增大而增大，浮子继续移动。从图4中可以看出，倒数第一条水平线上方（水平安装时，是左侧或右侧，以下类同）有一段区域的流道是宽度不变的，在宽度不变的流道上方的一段流道甚至是宽度减小的，此时由于排出物的密度增大并且流道的横截面积不变甚至减小，浮子受到的冲击力明显增大，浮子快速移动，而第一磁控开关443由于浮子离开倒数第一条水平线而被重新打开（无保持功能的磁控开关）或保持（有保持功能的磁控开关，按磁方向自保持，仅在浮子反方向离开时才打开）。浮子迅速通过这一段流道保持不变以及流道减小的区域。直到浮子再次进入流道增大的区域，冲击力逐渐减小，当浮子到达倒数第二条水平线附近时，冲击力和浮子重力（或弹簧的弹力）再次达到平衡。此时浮子触发浮子位置感测单元中的第二磁控开关442，以输出表示容器或管道被预注满的信号。接下来由于容器或管道中注入的液体介质越来越多，排出介质中的液体介质含量越来越高而排出介质的密度也越来越大，浮子继续移动，第二磁控开关442在浮子离开倒数第二条水平线后被打开或保持。同理，浮子迅速通过接下来的流道保持不变和流道变小的区域，然后又在流道逐渐增大的区域中缓慢上升，直到浮子受到上方的支架的限制或者浮子重力（或弹簧的弹力）和冲击力重新平衡，此时浮子停留在倒数第三条水平线附近处，并触发浮子位置感测单元中表示注满的第三磁控开关441，输出注满信号。同样地，图4中的流道的轴线MN（为了示例的目的，仅示出一条流道的轴线，其他流道类似）与外壳体的轴线间有一个夹角，该夹角在10°到60°之间。

图5示出了根据本发明的一个实施方式的液体介质注满度检测装置的外壳体、流道和浮子在出口处的剖面图和在入口处的剖面图（左图对应出口，右图对应入口）。图5中的流道52可以看成是由圆柱形的外壳体51、附着在外壳体的内壁上的凸起和浮子53围成。从图5中可清楚地看出流道52在出口处的横截面积明显大于流道52在入口处的横截面积。

本发明所公开的液体介质注满度监测装置可以安装在容器和管道上。无论安装在容器或管道上，本发明的实现是相同的。因此，图6示出了安装了本发明所公开的液体介质注满度检测装置600的容器6000，该液体介质注满度检测装置600还包含旁路通道。容器6000较大，所以在容器6000的头部和尾部各安装了一个液体介质注满度检测装置600，两个液体介质注满度监测装置600的结构和工作原理完全一样。液体介质注满度检测装置600在上述的基础上做了进一步改进，加装了第一旁路隔离阀67、第二旁路隔离阀68和旁路通道69。第一旁路隔离阀67安装在外壳体上方的排空管P61上，第一旁路隔离阀67通过排空管P61与外壳体和排空门G61串联；第二旁路隔离阀68的一端通过旁路通道69与排空门G61下方的排空管P61相连，另一端通过旁路通道69与第一旁路隔离阀67上方的排空管P61相连，即第二旁路隔离阀68与第一旁路隔离阀67、外壳体和排空门G61并联。在第一次对容器6000（管道类同）注入液体介质时，排出的混合物中可能含有较多杂物或腐蚀性的介质，这种混合物如果进入液体介质注满度检测装置600，可能会对损坏装置600。因此，当第一次进行注入操作时，可关闭排空门G61和第一旁路阀67，打开第二旁路阀68，注入过程中含有大量杂质的排出介质通过旁路通道69和第二旁路阀68被排出容器6000（管道类同），而不会进入液体介质注满度监测装置600中的流道中。当完成首次清洗后，关闭第二旁路阀68，打开排空门G61和第一旁路阀67，开始正式的注入操作。

图7示出了根据本发明的一个实施方式的液体介质注满度检测装置的工作流程图。该实施方式中，液体介质注满度检测装置的浮子位置感测单元包括三个开关，三个开关分别是表示排空门是否打开的第一开关、是否预注满的第二开关和是否注满的第三开关。在步骤S1，在开始注入前，浮子处于流道的最底部，浮子位置感测单元中的三个磁控开关都处于打开的状态；在步骤S2，开始注入时，容器或管道的排空门和注入门（有些容器没有专用的注入门，而是通过主阀门来注入液体介质，道理是相同的）被打开，通过注入门向容器或管道注入液体介质（注入的液体介质的流量比正常运行时的流量小，大约是正常运行流量的10%～30%），此时的注入的液体介质流速一般在2m/s～20m/s之间，而温度一般小于150℃；在步骤S3，由于刚开始容器或管道内主要是空气，空气密度远远小于注入的液体介质的密度，在液体注满度检测装置中从入口到出口的排出介质（主要是空气）经过流道时只能将浮子吹起一个很小的高度，浮子移动到对应于浮子位置感测单元中第一开关的位置，浮子位置感测单元向控制系统输出排空门打开信号，确认排空门打开；在步骤S4，随着液体介质不断进入容器或管道，当液体介质快充满容器或管道时，在此期间排出的是容器内的液体介质、杂物、可溶解的杂质和空气的混合物（如泡沫），这种混合物的密度比空气大，因此浮子被经过流道从入口到出口的排出介质（含各种杂质的混合物）冲击移动到更高的位置（如流道的中间），触发第二开关，向控制系统输出预注满信号；在步骤S5，可选地，控制系统收到预注满信号后，可将注入门关闭到之前的状态的30～50%（根据工艺要求确定），慢速向容器或管道内注入液体介质，以尽量减少液体介质的浪费；在步骤S6，当容器或管道中被注满液体介质后，纯液体介质的密度大于上述的混合物，所以浮子被经过流道从入口到出口的排出介质（纯液体介质）冲击到流道的出口处，从而触发表示是否注满的开关，向控制系统输出注满信号；在步骤S7，控制系统收到注满信号后，控制关闭注入门和排空门，可选地，可在接收到注满信号后，延时很短的时间（如3～5秒）再关闭注入门和排空门以确保容器或管道被注满，此时注入过程结束，控制系统可进入正常运行的模式。

如无特别说明，本发明中所指的液体介质可以是下列液体介质中的任意一种：如海水、中水、半除盐水、除盐水和凝结水等的各种水，各种油，各种酸，各种碱和其他溶液等。

本发明中各种部件的命名仅是为了示例的目的，实际中具有相同或类似特征和功能的部件可能具有不同的名称。

尽管出于解释说明的目的已经公开了本发明的实施方式，但是应理解为本发明不限于此，并且本领域技术人员应理解各种不偏离本发明的范围和主旨的修改、增加和替代是可能的。相应地，任何和所有修改、变化或等效安排应考虑进本发明的范围，并且本发明的详细范围将通过随附的权利要求书公开。

Claims (10)

1.一种液体介质注满度检测装置，其中，所述装置包括：

外壳体，所述外壳体具有入口和出口，介质从所述入口进入所述外壳体并从所述出口排出所述外壳体；

多条流道，所述流道设置于所述外壳体的内壁上，所述介质进入所述外壳体的入口后，流经所述流道，到达所述外壳体的出口；

浮子，所述浮子位于所述流道的内环中，并能够在所述流道的所述内环中移动；

浮子位置感测单元，安装在所述外壳体上，用于检测所述浮子在所述流道的所述内环中的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳体为中空的柱体，所述流道与所述外壳体是一体成型的或者所述流道与所述外壳体是分离设置的。

3.根据权利要求1所述的装置，其中每条所述流道从外壳体的所述入口到所述出口是连通的，并且所述流道在所述出口处的横截面积大于在所述入口处的横截面积。

4.根据权利要求3所述的装置，其中对于每条所述流道，在所述出口处的横截面上该流道的外环上的中点与在所述入口处的横截面上该流道的外环上的中点间的连线被称为该流道的轴线，该流道的所述轴线与所述外壳体的轴线间有10°至60°间的夹角。

5.根据权利要求3所述的装置，其中从外壳体的所述入口到所述出口，所述流道的横截面积是均匀增大的或者是波浪式增大的。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述浮子位置感测单元包括磁控开关，并且在所述浮子内部有永久磁体，所述磁控开关随着所述浮子位置的改变而打开或关闭。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述浮子的上部和下部由导磁金属构成而中间部分为非导磁材质，所述永久磁体固定在所述浮子的所述中间部分的内部。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述浮子位置感测单元包括：

第一开关，所述第一开关用于输出表示排空门打开的信号；

第二开关，所述第二开关用于输出表示容器或管道被预注满的信号；以及

第三开关，所述第三开关用于输出表示容器或管道被注满的信号。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括第一支架，所述第一支架安装在所述外壳体的所述出口处和所述入口处，用于将所述外壳体连接到容器或管道的排空管，并用于限定所述浮子的移动范围。

10.根据权利要求9所述的装置，所述装置还包括第二支架、弹簧、弹簧固件和中心定位杆，所述第二支架分别安装在所述入口处和所述出口处的所述第一支架上，所述弹簧的一端被所述弹簧固件固定在所述出口处的所述第二支架上，另一端被所述弹簧固件固定在所述浮子朝向所述出口的一端的中心，所述中心定位杆的两端分别固定在所述入口处和所述出口处的所述第二支架的中心并穿过所述浮子和所述弹簧。