改進型浮子液位計在槽體液位測量中的應用

賈保峰

(拜城縣眾泰煤焦化有限公司,新疆 拜城 842300)

0 引言

化工工業生產過程中，槽體一般作為載體被用于液態反應介質的運輸和存儲，是生產工藝中重要的容器。槽體內部液面應始終處于理想的工作高度，故槽體介質液面高度成為工藝生產過程中需要控制的一個重要參數。實現地下槽體液位的快速、準確測量，對于工藝控制過程至關重要[1]。地下槽體內環境十分復雜，各種因素均會對液位測量造成影響。為安全起見，液位測量值通常作為工業生產中觸發安全儀表系統(safety instrumented system,SIS)啟動的聯鎖條件[2]。工業生產中，充分分析現場測量條件和影響因素，選擇適合現場工藝測量條件的測量儀表，已成為工業儀表測量業內的共同努力方向。

1 研究背景

工業生產中，針對地下槽體、罐體的液位測量方式眾多，測量設備多種多樣。因此，選擇一種符合具體工況條件的液位計尤為重要。目前，常用的液位測量裝置，按測量原理可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式液位測量裝置有人工檢尺、浮子液位計等,非接觸式液位測量裝置有雷達液位計、核輻射液位計、超聲波液位計等。與接觸式液位測量裝置相比,非接觸式測量在技術含量和測量精度上具有一定的優勢。但由于受使用成本高和苛刻的使用環境等因素限制,非接觸式測量裝置在國內外市場上還無法普及使用。根據市場統計,國內市場上目前普遍使用的是人工檢尺和浮子液位計。人工檢尺對人的操作技能要求較高,受客觀因素影響大，測量精度有限；在惡劣工況下,測量具有高風險。浮子液位計在使用過程中經常會出現機械卡滯、密度調節困難、維修復雜等現象。因此,研制出一套具備維護方便、制作簡單、精度高等多種優勢的實用型浮子液位計，對于實際工業生產測量有著深遠的意義[3]。為此,本文介紹了一種改進型浮子液位計,可用于測量地下槽體、罐體等設備的液位。

工業生產中，人們通常運用多種方法來進行容器內液體的物位測量。傳統浮子液位計就是常用的一種。由于環境和工況等因素的影響，傳統浮子液位計在液位測量過程中存在很大的局限性。特別是在焦化行業中的地下槽體、罐體等雜質較多、工況復雜的環境中，由于傳統浮子液位計為接觸式測量裝置，其浮球會被粘上焦油等雜質，導致浮球密度增大，不能正常地浮在被測介質表面，從而影響液位計的測量。與之相比，非接觸式測量的雷達液位計則優勢明顯。其不接觸被測量介質，避免了上述情況的出現。雷達波的傳輸方向一定，回波受被測量槽體的內部結構限制。對于結構復雜的槽體，雷達波在傳播過程中呈無序狀態，進而影響液位測量的精度，不能有效實現其功能[4]。

2 傳統浮子液位計

2.1 組成結構

傳統浮子液位計由浮球、傳動部件、顯示系統組成，其結構如圖1所示。

圖1 傳統浮子液位計結構圖

利用浮球密度小、漂浮在被測介質界面之上的特征，傳動部件將浮球的位置傳遞到顯示系統；顯示系統將傳動部件傳遞的浮球位置信息通過機械、電子、電磁、光學等不同形式顯示。按其結構形式，浮子可分為杠桿式、平衡式、導桿式、連桿式、連通管式。

2.2 工作方式

傳統浮子液位計是利用恒浮力原理工作的液位測量儀器。密度比被測液體小的浮球，受到浮力的作用漂浮在被測介質表面，通過測量浮球的位置變化反映被測介質在罐體中的液位情況。目前，浮子液位計分為磁性浮子液位計和浮球浮子液位計兩類[5]。磁性浮子液位計也稱為磁翻轉液位計，是安裝于現場的顯示儀表。其原理為：裝有永久磁鐵的浮子依靠浮力漂浮在被測介質表面時，隨著介質液面的變化，擁有磁性的浮子也與液面發生一致變化，并通過磁極間相互作用使雙色磁翻柱發生翻轉，進而顯示液位。浮球浮子液位計則是一種具有遠傳功能的測量儀表。其原理為：在傳感器中等距離安裝一定數量的電阻，當浮球到達某一位置時就會將電阻兩側接通；通過測量輸出端的電阻信號值的大小，即可換算出該處液位，然后再由變送器轉換成標準4～20 mA電流信號，并被遠傳至中央控制室計算機或二次儀表顯示。

傳統浮子液位計具有四個特點：①安全可靠，適用于易燃、易爆液體液位測量；②不受多種外界因素的限制，適用于黏度大的介質、有毒或無毒衛生型介質、有腐蝕性介質的物位測量[6]；③具有就地顯示直讀性，讀數直觀，清晰明了；④無需多組液位計組合，單機運行即可實現測量功能，具有較強的單體全量程測量功能[7]。

3 傳統浮子液位計測量的干擾因素

傳統浮子液位計是一種采用恒浮力原理工作的液位測量儀表，目前被廣泛應用于地下槽體的液位測量。當被測量介質液面平靜時，浮球工作環境比較好，在導管中可以平穩地上下運動，且能準確測量出介質液面高度，測量精度高。實際使用過程中會出現各種各樣的干擾因素，使浮球不能正常工作，影響測量精度[1]。

①介質溫度。

介質存放的環境溫度對被測介質形態的影響很大。如果溫度太低，會造成地下槽體內易結晶的介質出現結晶現象。結晶物附著在傳統浮子液位計的浮球表面，改變了浮球的重量，使浮球不能正常地漂浮在介質表面，從而影響液位測量。測量過程中，介質的不同溫差對傳統浮子液位計的測量偏差有著一定的影響[8]。

②機械故障。

從結構上看，傳統浮子液位計大多使用機械滑輪和鋼絲作為信號傳遞的載體。機械結構會因腐蝕、外力、浮球表面結晶卡滯等原因引起機械故障。若機械故障不能及時排除，必然會造成傳統浮子液位計不能正常工作。

③液體的擾動。

地下槽體內液體介質的攪拌、流入、流出均會造成槽內被測介質液面的擾動。槽體液面的擾動會引起傳統浮子液位計的浮球位置不穩定，造成無法讀取液位計的準確數值，嚴重影響浮球液位計的正確測量。

4 改進措施

對于以上提出的、影響傳統浮子液位計測量準確度的因素，通過分析其本質，提出具有針對性的改進措施。在傳統浮子液位計結構的基礎上，對測量機構、顯示機構和測量硬件等方面進行改進，以規避原有的影響因素，達到測量穩定、精確度高的效果。

4.1 測量結構

針對以上傳統浮子液位計測量的干擾因素，對傳統浮子液位計的部分測量結構采取了針對性的改進措施，解決干擾因素問題。改進型浮子液位計結構如圖2所示。

圖2 改進型浮子液位計結構圖

改進型浮子液位計在原來的測量基礎上增加了密封塊和上、下開孔，并改變了測量桿和浮球的接觸形式。測量導管必須垂直于液面安裝。浮球處于測量導管內部，其直徑與測量導管直徑相同，材料視容器內被測介質密度而定。材料密度應小于介質密度，使浮球漂浮在介質表面，且可以隨著液位的升高，在浮力的作用下于測量導管內部上下移動。測量導管上下均開設一開孔。考慮到被測介質內雜質堵塞導波管下部開孔位置，可根據實際，在不影響測量導管結構安全的情況下，增加下開孔處環測量導管同一平面上的開孔數量。在測量導管上開孔，可使浮球上部與容器內上部氣壓一致，從而保證測量管內外液面相同。測量指針固定在測量桿上，隨測量桿上下移動，與刻度尺配合準確指示槽體內液位高度。

與傳統浮子液位計相比，改進型浮子液位計最大的不同就是測量桿和浮球分離安裝。測量桿下方是一個喇叭口，浮球上浮頂住喇叭口，從而作用于測量桿。測量桿為一個中空貫穿整個桿體。若浮球因介質結晶或者黏度大等原因附著在浮球上，可在頂部采用蒸氣或清水等合適的介質對浮球進行清洗。浮球材料用耐腐蝕性較強的材料制成，還要保證其密度較小，使其在測量導管內可以漂浮、上下移動。

改進型浮子液位計零部件簡單，安裝便捷、可靠，適用于封閉、半封閉以及全開放式地下槽體的液位測量。測量導管的安裝可以有效防止介質湍流引起的內部液面波動，避免了被測介質液面波動引起的測量誤差。加裝測量導管，減小了浮球下方接觸介質的面積，可有效避免結晶介質的揮發[9]。

4.2 安裝注意事項

改進型浮球液位計在安裝時，要與槽體入口和泵出口保持安全距離，并有效避開槽體內的攪拌裝置，從而防止介質湍流對改進型浮子液位計的干擾[10]。改進型雷達液位計的測量桿為中空結構，測量封閉或半封閉槽體液位時，應將測量桿頂部開口進行封堵，防止槽體內介質蒸發從測量桿中空部分溢出，影響槽體氣密性。

浮球在測量導管內運動時，管道內部不平整或測量導管安裝不垂直于被測界面，均會造成浮球運動過程中其與罐壁之間的摩擦。為減小罐壁摩擦帶來的阻力，測量導管在安裝時一定要垂直于被測介質液面。

4.3 應用結果

改進型浮子液位計被用于地下槽體液位的精確測量、測量誤差可以縮小至±0.5mm以內,測量過程安全穩定，測量數據精確度高、數值可靠。改進型浮子液位計有效彌補了傳統浮子液位計在測量過程中的不足，維護方便、成本低廉、測量穩定，為生產的安全運行提供了有力的保障。

5 結束語

傳統浮子液位計在實際使用過程中，由于被測介質黏度大、介質結晶、設備腐蝕造成的機械卡滯等問題，測量結果誤差很大。通過對傳統浮子液位計測量機構、顯示機構、測量硬件等方面的改進，成功規避了以上影響因素，達到測量穩定、精確度高的效果。改進型浮子液位計設計簡單、易于操作、維護方便，適用于石油、焦化、化工等行業的地下槽體液位測量，具有很高的推廣和實用價值。