磁致伸縮式液位計的原理和應用

謝芳

（中國石化工程建設有限公司，北京100101）

液位儀表的選型要求較高。通常液位測量由于對象復雜，液位的測量范圍變化大等原因，在液位計的選擇過程中需要考慮的因素主要有測量工況分析、介質特性分析、測量要求分析、精度要求分析、用戶的使用習慣考慮、性價比選擇等。石化裝置具有高溫高壓、易燃易爆的特點，對用于易燃易爆、有毒、腐蝕性介質測量的儀表，重點應考慮儀表的可測范圍、穩定性，介質腐蝕性，儀表的維護量等內容。液位測量的儀表種類繁多，磁致伸縮式液位計具有測量精度高、范圍寬、使用方便、維護費用低等特點，可廣泛應用于石化、制藥、水利等領域，比傳統壓力式、機械式、電容、超聲波或雷達等測量系統具有更高的應用和經濟價值［1］。

1 磁致伸縮式液位計簡介

磁致伸縮（Magnetostrition）指鐵磁質中磁化方向的改變會引起介質晶格間距的改變，從而使得鐵磁質的長度和體積發生改變的現象。磁致伸縮現象具有各向異性，當長度為L的磁性材料在磁化方向上的長度變化為ΔL時，磁致伸縮率可表示為：λ＝ΔL／L。磁致伸縮率的范圍一般為1×10－3～1×10－5。

磁致伸縮式液位計（Magnetostrictive Liquid LeveL Meter）內部檢測元件由一定的磁致伸縮物質構成，是基于磁致伸縮原理設計制造的液位（界位）計，它由磁性浮子驅動，高精度、高分辨率變送器傳送4～20mA 標準信號（帶 HART）［2］，24V直流二線制供電，變送器可做成耐腐蝕型的。

1.1 工作原理

磁致伸縮式液位計的基本原理如圖1所示，結構如圖2所示。其結構分為三部分：浮球、變送器和裝有磁致線的不銹鋼測量管。

當變送器接通電源后，脈沖發送器和接收器開始工作，發送器定時向下端發送低電流詢問脈沖信號，脈沖及其磁場順著磁致伸縮線向下運行，當脈沖信號的磁場與浮球內的磁場相遇時，產生扭應力脈沖，這個扭應力脈沖向磁致線兩端傳送。向下傳送的扭應力脈沖被阻尼吸收，向上傳送的扭應力脈沖被接收器接收并檢測出來。根據從發出詢問脈沖到接收返回扭應力脈沖的時間差，就可計算出液位的高度并轉換成4～20mA的輸出信號。

圖1 磁致伸縮式液位計基本原理

圖2 磁致伸縮式液位計結構示意

1.2 性 能

磁致伸縮式液位計應用于石化領域，作為非接觸式液位計，具有較大優勢。

a）可靠性強。無機械可動部分，故無摩擦、無磨損，核心元件與測量介質非接觸，使用壽命長。

b）精度高。分辨率高于0.01%，相當于1mm，計量精度最高可達0.5mm。

c）安全性好。磁致伸縮式液位計的防爆性能高，本安防爆，使用安全，特別適合對液體化工原料和易燃液體的測量。

d）磁致伸縮式液位計易于安裝、維護簡單、維護量少，有利于大幅降低維護成本。

e）可以遠程傳遞信號，輸出模擬量或數字量，帶HART協議和RS－485接口。

磁致伸縮式液位計由磁性浮子驅動，可以連續測量介質液位和界位，變送器精度高，分辨率高，測量重復性好，可用做計量級的儀表，適宜于在一定的黏度、介電常數范圍內對潔凈介質的測量［2］，而對下列參數的變化不會產生漂移和誤差：介電常數變化、氣相組分變化、壓力變化。理論上，溫度變化產生的誤差很小，平均每變化10℃，輸出值變化小于2mm。有隔爆型和本安型；防護性能可以做到IP67。

1.3 基本參數

a）測量范圍：測量管是剛性桿時，測量范圍不大于6m；測量管是柔性桿時，測量值在3.5～20m［2］。

b）下盲區：液位測量不大于60mm；界位測量不大于15mm。

c）上盲區：液位測量不大于100mm。

d）工作電壓：直流24V。

e）工作環境溫度：－50～125℃。

f）介質溫度：－200～400℃。

g）工作壓力：真空～16MPa。

2 安 裝

實踐證明，設備頂部安裝法蘭，有利于安裝和維護。設備上裝法蘭，帶法蘭蓋，在法蘭蓋上開螺紋。安裝時，先卸下浮球和擋環，將液位計擰緊在法蘭蓋上，然后裝上浮球和擋環，再將液位計和法蘭蓋依次裝入容器［2］。有時，也可以在罐側壁選擇法蘭安裝方式。

隔爆型儀表接線為典型的二線制，無需另接電源，本安型儀表接線在控制系統側加裝安全柵。

3 設計時的注意事項

3.1 影響儀表工作的干擾因素

干擾來自于靜電放電、射頻電磁場輻射、浪涌沖擊、工頻磁場等。介質溫度變化過大或在振動環境下使用，也會給磁致伸縮式液位計的測量帶來干擾。

3.2 設計時的注意事項

a）由于測量原理等因素，當磁致伸縮式液位計處于強磁場干擾環境下，會使浮子受的磁場力疊加導致消磁。因此，安裝時應遠離強電磁環境，如高壓電機、風機、離心機、攪拌器、變頻器、干燥床等，需要急停、啟動的地方，這些設備應做好接地屏蔽工作。同時，磁致伸縮式液位計的信號線應遠離高壓電源線，并使信號線屏蔽層處于良好接地狀態。

b）靜電放電會干擾磁致伸縮式液位計的測量，使用時應使安裝有液位計的設備良好接地。

c）為了避免射頻電磁場輻射，需要在設計時考慮無線儀表發射源的位置，至少保證2m以上的距離。

d）對于浪涌沖擊非可控的干擾，一般會在現場側加浪涌保護器、防雷擊、保護電路板。浪涌保護器中的抑制元件（壓敏電阻MOV）是采用損耗自身的方式對沖擊電流進行消解（發熱、融化），對抗大電流的沖擊。這樣就可以很好地保護磁致伸縮式液位計的本體安全。

e）工頻磁場多數由工頻機泵產生，安裝磁致伸縮式液位計時應盡量遠離工頻機泵。

f）如果介質溫度變化過大，磁致伸縮式液位計不宜作為計量級的儀表使用。但是，只要滿足平均每變化10℃，輸出值變化小于2mm的條件，介質溫度累計變化所產生的誤差一般在測量要求誤差范圍之內。

g）在振動環境使用時，也會影響精度，液位計最好安裝在非振動的工況條件下。

4 磁致伸縮式液位計的應用

磁致伸縮式液位計在石化行業主要應用于油罐液位和烷基鋁儲罐液位的測量，現已越來越多地應用于原油儲罐、成品油儲罐液位的測量［3］。

a）油品液位測量如果涉及貿易結算，就必須使用計量級的測量儀表。如果選擇在罐頂部開口安裝，磁致伸縮和伺服馬達液位計都可以達到測量要求，但伺服馬達液位計測量原理復雜、安裝繁瑣、價格昂貴、維護工作量大；而磁致伸縮式液位計不僅能夠做到本安防爆、安裝方便、精度高、維護量少，性價比相對較高，很適合替代伺服馬達液位計用在油罐液位測量上。

b）在非計量級要求油罐液位測量上，磁致伸縮式液位計和雷達液位計均可達到測量要求。但是雷達液位計會受介電常數的影響，烴類混合物介電常數通常較低，需要加裝導波管，因而應用范圍受限。而磁致伸縮式液位計的惟一可動部件是浮子，維護量極少，節省人工，性價比高，很受用戶的歡迎。

c）以某聚丙烯裝置原料罐為例，如圖3所示。儲罐高18m，介質為液化石油氣，易揮發，密度527.5kg／m3，介電常數為1.6，設計溫度為50℃，設計表壓為1.7MPa，最高介質溫度為35℃，工作表壓為900kPa，要求頂部法蘭安裝，測量精度±1mm，測量范圍在0～18m，4～20mA的輸出信號，防爆等級Ex dⅡBT4，防護等級IP65。在該工況下，傳統設計方案選擇雷達液位計（帶導波管）和伺服馬達液位計。由于液化石油氣具有揮發性，儲罐內存在揮發氣體，揮發氣體影響雷達回波的反射，用雷達液位計測量時，測量效果不理想；選用伺服馬達液位計測量精度高，測量效果好，但是因為機械部件很多，易出現磨損，維護工作量大；磁致伸縮式液位計選型時，測量高度如果大于6m，測量管需要選柔性桿，柔性桿可測量的最大高度為20m，滿足測量范圍0～18m要求，液位計精度高，測量效果好。這三類液位計的對比見表1所列，使用磁致伸縮式液位計測量液化石油氣儲罐液位綜合成本低，效果好。

表1 三種液位計對比

圖3 聚丙烯原料球罐

d）以某烯烴裝置烷基鋁進料罐的液位測量為例，如圖4所示，罐高800mm，直徑250mm。介質烷基鋁是一種在聚烯烴反應中重要的催化劑［3］，密度829kg／m3，設計溫度為324℃，設計表壓為1.2MPa，操作溫度為30℃，操作表壓為241kPa。

圖4 烷基鋁進料儲罐

根據生產工藝要求，烷基鋁的存儲和輸送過程應遠離熱源，并處于干燥惰性氣體（如氮氣、氬氣）的保護下［2］；當暴露于氧氣、水或含有活潑氫的混合物（如醇或酸）中，會產生劇烈反應；與空氣接觸后燃燒，遇含氧化合物（如水）也會劇烈燃燒或爆炸，并生成一種帶有刺激性氣味的氧化物氣體，此氣體對人體氣管和肺均能造成傷害；烷基鋁還可導致皮膚和眼睛的嚴重燒傷。在對其進行液位測量時，要求選擇本安型EExiaⅡCT6，防護等級IP65，4～20mA輸出信號可遠傳的液位計，測量精度0.5%，測量范圍在0～747mm，頂部安裝法蘭。雷達式和伺服馬達液位計供電方式均為四線制供電，不能做到本安防爆，不符合選型要求；傳統方案中選用浮筒式液位計，但測量精度低，有機械部件，需要定期維護標定；在同等條件下，選用磁致伸縮式液位計，安裝較浮筒式液位計簡單，測量精度也遠高于浮筒式液位計，磁致伸縮式與浮筒式液位計技術性能對比，見表2所列。

表2 磁致伸縮式與浮筒式液位計對比

5 結束語

雖然磁致伸縮式液位計價格較貴，但是安裝調試好以后，沒有什么維護工作量，工作人員不需要經常接觸儲罐，從而大幅降低了工作人員和危險化工原料接觸的機會，其綜合費用低，性價比高。應用實踐證明，使用效果很好，得到了用戶的認可。

［1］趙堅.磁致伸縮液位傳感器的最新發展及應用［J］.測控技術，1998，17（02）：20－21.

［2］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000：125－148.

［3］楊朝虹，楊競.磁致伸縮液位傳感器的應用與發展［J］.礦冶，2004，13（04）：86.

［4］王志魁.化工原理 ［M］.3版.北京：化學工業出版社，2004：378－379.

［5］國家質量技術監督局.GB 3836.1—2000爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分：通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2000.

［6］國家質量技術監督局.GB 3836.4—2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”［S］.北京：中國標準出版社，2000.

［7］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 3836.4—2010爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［8］國家質量技術監督局.GB 9969.1—1998工業產品使用說明書 總則 ［S］.北京：中國標準出版社，1998.

［9］國家質量技術監督局.GB／T 18272.1—2000工業過程測量和控制系統評估中系統特性的評定 第1部分：總則和方法學 ［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［10］中國石化集團公司工程標準發行總站.SH／T 3007—2007石油化工儲運系統罐區設計規范 ［S］.北京：中國石化出版社，2008.