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磁翻板液位計等液位儀表在大罐液位測量應用中的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
本文概述
在化工煉油儲運行業(yè)用于油品的儲存都采用大罐儲存，對于大罐中油品的測量主要是對罐內液位、體積和重量等參數(shù)進行直接或間接的測量。而油品液位的測量則是通過大罐液位儀來實現(xiàn)的。目前, 用于大罐液位測量的儀表產品很多,有浮標浮筒液位計，磁翻板液位計，HTG 液位儀、伺服液位儀等等，此類測量儀表基本上都有數(shù)十年的使用經(jīng)驗，屬于傳統(tǒng)型的基于機械構造進行測量的液位儀表。磁致伸縮液位儀、超聲波液位儀、微波雷達液位儀等面世的時間較短，但是隨著生產與管理的現(xiàn)代化要求的提高，對于自動化控制的需求已經(jīng)成為趨勢，對于此類新型儀表的使用與應用也在逐年提高，其市場占有份額在未來必定會不斷增高。因此, 有必要對這些液位儀的原理和特點進行分析, 繼而對大罐液位儀的發(fā)展趨勢進行討論。
大罐液位儀按液位感應元件與被測液體接觸與否, 可分為接觸型和非接觸型兩大類。以下先對這兩類液位儀的現(xiàn)狀進行討論。本文分析了大罐液位儀的現(xiàn)狀, 指出了磁翻板液位計，浮標液位計，磁致伸縮液位儀、超聲波液位儀、射線液位儀、雷達液位儀等的特點, 并探討了大罐液位儀的發(fā)展趨勢。
1 接觸型大罐液位儀測量裝置的現(xiàn)狀
接觸型大罐液位測量裝置主要包括人工檢尺法、浮子或磁浮筒測量裝置、伺服液位儀、HTG 測量裝置等。它們的共同特點是測量敏感元件與被測液體接觸。
1 .1 人工檢尺法
人工檢尺法行使量油心進行測量, 有實高測量和空高測量兩種技巧。實高測量主要用于測量粘度不大的油品, 它是把末端有試水膏的量油尺, 從測量零點(如罐頂)緩緩投入油品中, 當尺與罐底接觸時, 將量油尺垂直向上提起, 然后根據(jù)量油尺上所留下的油品痕跡, 讀出油面高度。同時根據(jù)試水膏顏色的變更校驗水墊層的高度, 從而確定油高和水高?？崭邷y量用于測量粘度很大的油品, 它只需測得零點至油面高度h , 然后根據(jù)預先測得的零點至罐底的高度H , 由H -h 得到油品的高度。
人工檢尺法的測量結果應精確到毫米, 并至少測量兩次, 兩次結果相差不得超過±1mm。人工檢尺法具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點,但需測試人員爬上幾米至幾十米的大罐進行操縱,并暴露在油蒸汽中, 另外, 需要較長的測量時間, 難以實現(xiàn)在線及時測量。
1 .2 磁翻板液位計、浮子式和浮筒型測量裝置
磁翻板液位計測量液體時采用頂裝或旁通管側裝方式。磁翻柱主體外加裝翻柱液位指示器、液位開關及液位變送器。磁單元置于浮球里面或通過頂桿與浮球相連，當浮球連帶磁單元隨液位變更時，使磁性色塊（磁翻板）翻轉；磁性液位開關在對應液位點動作；同時液位傳感器在浮球磁力的作用下，輸出標準的變更電阻燈號，再經(jīng)過變送器把電阻燈號轉換成4~20mA電流燈號輸出。
磁翻板液位計特點:適用范圍廣、安裝形式多樣，適合任何介質的液位、界面的測量
被測介質與指示結構*隔離，密封性能好，防泄露、適應高壓、高溫、腐蝕條件下的液位測量，可靠性高。
浮子式液位計主要包括有浮筒液位計和浮標液位計、浮筒液位計等產品，浮子式測量系統(tǒng)大約在1930 年*面世, 它采用大而重的浮子作為液位測量元件, 并驅動大罐外壁的編碼盤或編碼帶等顯示裝置, 或連接電子變送器以便遠距離傳輸測量燈號。浮筒型測量裝置的磁浮筒內裝有一系列的干簧或小錳銅電阻作為測量元件, 磁浮筒中間帶孔, 以便不銹鋼套管穿過, 不銹鋼套管固定在罐頂和罐底之間, 其內裝有一系列的干簧或小錳銅電阻作為測量元件。其事情原理是液位變更帶動空心磁浮筒(內藏磁鐵)沿鋼帶上下挪動, 使位于液面處的干簧接點接通, 從而實現(xiàn)對液位的檢測。
浮子式和浮筒型測量裝置具有結構簡單、費用相對低廉等優(yōu)點, 正是云云, 我國仍有一片面油罐采用這種測量系統(tǒng)。但浮子會隨著液面的顛簸而顛簸, 從而造成讀數(shù)誤差, 并引起系統(tǒng)的機械磨損, 增加系統(tǒng)的維修量。浮筒型測量系統(tǒng)因干簧或小錳銅電阻的數(shù)量有限, 故其測量精度較低。
1 .3 伺服液位儀
在50 年代, 為了克服浮子式液位測量裝置的缺點, 提高測量精度和可靠性, 伺服油罐液位儀應運而生。它采用了顛簸積分電路, 消除了抖動, 延長了壽命。該液位儀還采用了伺服電機和靈敏的測重裝置, 其測量精度和可靠性等指標都有較大的提高。現(xiàn)代伺服油罐液位儀的測量精度, 已到達40 米范圍內小于1 毫米, 且普通都具有測量密度分布和平均密度的功效。
但是, 伺服液位儀屬機械式測量裝置, 機械磨損會直接影響其測量精度, 需定期維修和重新標定, 事情壽命仍不是很長, 測量的重復精度較低, 且安裝困難。
1 .4 電容式液位儀
電容式液位儀的核心是電容液位傳感器。該傳感器普通由標準電容、測量電容和相對電容等組成[ 4] 。其中, 相對電容用來測量液體的介電常數(shù), 測量電容用來檢測液位的變更。由液體的介電常數(shù)和測量電容的容量計較出液位。電容式液位儀費用較低, 安裝容易, 且可以應用于高溫、高壓的測量場所,如Kotron 系列液位儀能忍受5 , 000psi 和1 , 000 ℉的惡劣條件[ 5] 。但電容液位儀測量重復精度較低, 需定期維修和重新標定, 事情壽命也不是很長。
1 .5 磁致伸縮液位儀
磁致伸縮液位儀采用磁致伸縮技術來測量大罐的油水界面和油氣界面。通常情況下, 磁致伸縮液位儀安裝有兩個浮子, 其中一個浮子的密度小于油品的密度, 另一個浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度, 分別用來檢測油氣界面和油水界面。各浮子內都藏有一組磁鐵, 從而產生一固定磁場。測量時, 液位計頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖, 該電流產生的磁場沿波導管內感應線向下傳導。當電流磁場與浮子磁場相遇時, 產生“返回”脈沖(也稱“ 波導歪曲”脈沖)。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應油水界面和油氣界面的高度。
磁效應液位計安裝容易, 無須定期維修和重新標定, 事情壽命較長, 其測量精度較高, 測量的重復精度較高, 是相對理想的接觸型液位計。但磁效應液位計與被測液體接觸, 容易受到腐蝕, 且液體密度變更會帶來測量誤差, 浮子沿著波導管外的護導管上下挪動, 容易被卡死。
1 .6 HTG(Hydrostatic Tank Gauge)測量裝置[ 6]
HTG 測量裝置普通采用三個高精度的壓力傳感器P1 、P2 、P3 和一個RTD 溫度檢測元件來測量油品的重量、密度、液位和體積。對于常壓油罐, 氣相壓力傳感器P3 可以省去。設壓力傳感器P1 、P2 、P3測得的壓力分別為p1 、p2 、p3 , 則罐內油料重量=p1 ×油罐平均截面積密度=(p1 -p2)G/H標準體積=重量/基礎溫度下的密度液面=p1/密度
其中,G 是重度系數(shù),H 為壓力傳感器P1 、P2 之間的距離, 標準體積是對應基礎溫度為60 ℉的體積。
由此可見, 重量是由p1 直接計較得到的, 精度較高;而體積和液位都是在假設油料密度均勻和溫度一致的條件下推算得到的, 誤差較大。如果油料存在分層現(xiàn)象, 則體積和液位測量值都是偏小的[ 6] 。HTG 測量系統(tǒng)費用較低, 但仍須定期維修和重新標定, 測量重復精度較低, 安裝須在罐壁開孔, 且液位燈號的誤差較大。吹氣式和壓力稱重式液位計等都屬接觸型測量系統(tǒng), 不再贅述。
2 非接觸型大罐液位測量裝置的現(xiàn)狀
非接觸型測量系統(tǒng)主要包括超聲波液位儀、射線液位儀、振動液位儀、微波雷達液位儀、激光雷達液位儀等, 這類測量系統(tǒng)的共同特點是敏感元件與被測液體不接觸。
2 .1 超聲波液位儀
超聲波液位儀是由換能器將功率脈沖轉換為超聲波, 射向液面, 經(jīng)液面反射后進入超聲波檢測裝置, 再由換能器將該超聲波轉換為電燈號。二次儀表根據(jù)發(fā)射脈沖與接受脈沖之間的時間差和介質中超聲波的傳播速度, 計較出油罐的空高, 繼而求得液位高度[ 7] 。超聲波液位儀的費用較低, 但其傳播速度受傳播介質的影響較大, 測量精度較低, 測量重復精度低, 仍須定期維修和重復標定。正是云云, 目前超聲波液位儀已不代表大罐液位儀的發(fā)展方向。
2 .2 射線液位儀
核輻射放出的射線(如γ射線等)具有較強的穿透能力, 且穿過不同厚度的介質有不同的衰減特性,核輻射式液位儀正是行使這一原理來測量液位的[ 3] 、[ 5] 。核輻射式液位儀的核輻射源用點式或狹長型結構, 安裝在油罐的外面, 狹長型核輻射檢測元件也安裝在油罐外面, 可實現(xiàn)對液位動態(tài)變更的檢測。除行使核輻射射線來測量外, 還可采用中子射線來測量液位。中子射線的穿透能力*, 比γ射線強10 倍以上, 可穿透壁厚達9 英寸的鋼質容器[ 5] 。射線液位儀安裝非常方便, 測量精度能滿足大罐測量的需要, 有一定的應用場所。
2 .3 振動液位儀[ 8]
振動液位儀是測量大罐液位的新式儀器之一。其原理是, 罐壁受激振動的功率譜與激振點及液面間的相對位置有關, 因而根據(jù)譜圖就能計較出液位。振動液位儀由導軌、測試架、激錘、振動傳感器、伺服機構等組成。伺服機構控制振錘上下爬動并激振,振動傳感器檢測激振后的自由振動, 再對燈號進行FET 變換, 并求得大功率處的頻率, 后由空罐時固有頻率/液位關系數(shù)據(jù)庫得液位。這種新式液位儀需要激錘、伺服機構等機械運動部件, 其事情壽命不是很長, 須定期維修和重新標定, 安裝也較復雜。
2 .4 微波雷達液位儀
雷達液位儀發(fā)明于60 年代, 當時是為滿足油槽船等測量需要而產生的, 費用相當昂貴。這種液位儀采用9 ～ 10GHz 連續(xù)波形式的微波調頻技術[ 9](FMCW)[ 10] , 行使液面對微波燈號的反射來測量大罐液面。雷達的入射燈號和反射燈號存在頻率差,由該頻差即可確定油罐的空高, 再用油罐全高減去空高得到液位。
以上是普通的液位雷達。目前, 波導液位雷達的研究發(fā)展較快, 是微波液位雷達的發(fā)展方向之一。波導雷達液位儀的基礎是電磁波的時域反射性TDR。測量液位時, 波導液位雷達每秒鐘產生20 萬個能量脈沖并送入波導體中。當這些脈沖遇到油水界面時, 由于波導體在氣體中和在液體中的導電性能大不相像, 波導的阻抗發(fā)生變更, 從而產生一個液位反射原始脈沖, 與預先設定的和阻抗對應的基本脈沖(又稱基線反射脈沖)相相對, 從而確定液位。波導雷達液位儀突出的優(yōu)點是能耗低。GWR 輸出到波導中的燈號能量非常小, 約為常規(guī)雷達發(fā)射能量的10 %。這是因為波導給燈號傳輸提供了高效的通道, 燈號的衰減保持在小程度。雷達液位儀特別適合于高粘度或高污染度的產品, 如瀝青等。雷達液位儀測量的重復精度較高, 無須定期維修和重新標定, 測量精度也較高, 但安裝相對復雜, 費用較高, 測量油水界面較困難。
2 .5 激光雷達液位儀
激光雷達液位儀通過液面對激光燈號的反射來測量液位。這種液位儀大都采用發(fā)射和接受異軸的光學系統(tǒng), 也有采用同軸的。激光雷達液位儀的主要缺點是對液面的顛簸很敏感, 大罐內的油蒸汽、水蒸汽等微粒對測量不利, 且光學鏡頭須定期保持。
3 大罐液位測量的發(fā)展趨勢
3 .1 液位儀的多樣化趨勢將繼續(xù)存在
綜上所述, 多種液位儀并存的局面還將繼續(xù)存在。液位儀的選定, 應考慮成本、測量精度、介質的介電常數(shù)和顛簸狀況、罐內的霧化和蒸汽狀況等因素。
3 .2 磁致伸縮液位儀是當前理想的接觸型大罐液位測量裝置之一
磁致伸縮液位儀的大特點是測量精度高, 可達0 .025 %, 且費用和安裝成本低, 日常維護量小。另外, 由于采用波導管來傳播電磁脈沖, 故介質的霧化和蒸汽、介質表面的泡沫、大罐內的梯子等都不會對測量精度造成較大的影響。
3 .3 微波雷達液位儀是非接觸型大罐液位測量裝置的重要發(fā)展趨勢
超聲波液位儀受到聲速隨溫度和儲存物質的化學成份以及罐中蒸汽運動的影響, 其測量精度低, 需定期維修和重復標定。激光雷達液位儀等光學測量裝置, 對液面的顛簸非常敏感[ 10] , 且罐內的塵埃和油污沾污檢測鏡頭, 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而雷達液位儀的測量精度較高, 無需定期維修和重新標定。費用高曾經(jīng)是微波雷達液位儀的主要缺點, 但隨著導波雷達的出現(xiàn), 其費用已同其它常用的液位測量儀表相當[ 13] 。因此, 目前微波雷達液位儀是非接觸型大罐液位測量裝置的重要發(fā)展趨勢。