浮筒液位計(jì)關(guān)于比密度及選型問(wèn)題

王博(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

在化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要測(cè)量某些設(shè)備(容器)內(nèi)液位高度或者液體-液體間的界面高度。這些液位、料位、界面的測(cè)量統(tǒng)稱為物位測(cè)量，最常用的是液位測(cè)量。物位測(cè)量的方法很多，常見的有：直讀式、浮力式、靜壓式、電氣式、聲波式、核輻射式等。其中浮力式液位計(jì)是應(yīng)用最早的物位測(cè)量?jī)x表，包括恒浮力式、變浮力式兩大類，應(yīng)用阿基米德原理。恒浮力式都是維持浮力不變，浮標(biāo)或浮球漂浮在液面上，其位置隨著液位高低而變化，當(dāng)測(cè)出浮標(biāo)的位置時(shí)，就能確定液位的高低或發(fā)訊報(bào)警。如浮標(biāo)液位計(jì)(浮子鋼帶式)、浮球液位計(jì)或液位開關(guān)(浮子杠桿式)、磁翻板液位計(jì)(浮子磁耦合式)。變浮力式液位計(jì)主要是浮筒液位計(jì)(變送器)，利用浮筒沉浸在液體里，根據(jù)浮筒被浸的程度不同，排開液體的體積不同，則浮筒所受的浮力不同，只要檢測(cè)出浮筒所受浮力的變化，就可知液位的高低。對(duì)于變浮力式測(cè)量方法的浮筒液位計(jì)，由于浮筒本身構(gòu)造和材質(zhì)的限制，在選擇浮筒液位計(jì)作為液位或界面測(cè)量?jī)x表時(shí)，對(duì)被測(cè)液體介質(zhì)的密度就有了相應(yīng)的要求。

1 基本概念及原理

1.1 浮筒液位計(jì)工作原理

浮筒液位計(jì)是根據(jù)阿基米德定律原理設(shè)計(jì)而成的液位測(cè)量?jī)x表，儀表可用來(lái)測(cè)量液位、界位，如圖1所示。

圖1 浮筒液位計(jì)測(cè)量原理圖

浮筒液位計(jì)從原理結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，檢測(cè)的是浮筒在浮力作用下重量G，即：

其中：

式中：G為浮筒在浮力作用下重量；G1為浮筒自身重量；G2為浮筒所受浮力；V1為浮筒體積；V2為浮筒排開液體的體積；ρ1為浮筒密度；ρ2為液體密度；g為重力加速度。

當(dāng)液位在零位時(shí)，扭力管受到浮筒重量所產(chǎn)生的扭力矩(這時(shí)扭力矩最大)，扭力管轉(zhuǎn)角處于“零”度，當(dāng)液位逐漸上升到最高時(shí)，扭力管受到最大的浮力所產(chǎn)生的扭力矩的作用(這時(shí)扭力矩最小)，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度Φ，變送器將轉(zhuǎn)角Φ轉(zhuǎn)換成4～20mA直流信號(hào)，這個(gè)信號(hào)正比于被測(cè)量液位。彈簧式浮筒液位計(jì)原理同扭力管式，只是將扭力換為彈簧彈力。由于浮筒G的測(cè)量范圍是一個(gè)有限值，通常對(duì)廠家的同一系列產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，基本就是一個(gè)固定值(重量)，所以會(huì)對(duì)測(cè)量介質(zhì)提出要求。在這里，密度ρ×重力加速度g即為重度r，由于在不同緯度和海拔高度下重力加速度g有所不同，所以重度r也不是一個(gè)常量。

1.2 基本概念

由于g同時(shí)作用在浮筒和液體上，實(shí)際上g的變化對(duì)于浮筒在浮力作用下重量G的影響可以忽略，但在討論浮筒以及相關(guān)計(jì)算時(shí)又不能直接把g扔掉，否則有悖原理。所以在討論浮筒以及相關(guān)計(jì)算時(shí)采用了抵消了所有單位的無(wú)單位數(shù)值“相對(duì)密度”。

相對(duì)密度，是在給定條件下，某種物質(zhì)的密度ρ與參考物質(zhì)的密度ρr之比，用d表示，即：

相對(duì)密度是無(wú)量綱量，通常情況下固體和液體的相對(duì)密度是該物質(zhì)的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下水的密度比值。氣體的相對(duì)密度是指該氣體的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度的比值。過(guò)去也將相對(duì)密度稱為“比重”。在實(shí)際運(yùn)用中，直接使用密度或密度差不會(huì)對(duì)應(yīng)用帶來(lái)誤差，但使用相對(duì)密度既不會(huì)對(duì)原理的公式推導(dǎo)產(chǎn)生誤解，應(yīng)用起來(lái)也很方便。

1.3 儀表選型規(guī)范概念解釋

1.3.1 石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范

石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范(SH/T 3005—2016)中第8.2.2條規(guī)定。

浮筒式液位計(jì)的選用，應(yīng)符合下列規(guī)定：對(duì)于測(cè)量范圍再2000mm或以內(nèi)，比密度為0.5～1.5的液位連續(xù)測(cè)量或位式測(cè)量；比密度差為0.2或以上的界面連續(xù)測(cè)量或位式測(cè)量，宜選用浮筒液位計(jì)或開關(guān)；對(duì)于真空、負(fù)壓或液體易氣化的液位或界面測(cè)量，宜選用浮筒液位計(jì)或開關(guān)；對(duì)于易凝結(jié)、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕性、有毒性的介質(zhì)，應(yīng)選用內(nèi)浮筒式液位計(jì)；此規(guī)范中所定義的比密度實(shí)際上就是我們所說(shuō)的相對(duì)密度，但是由于這里將差值統(tǒng)一作為液體液位和液體界面兩種測(cè)量方式的參考范圍值，因此參考物質(zhì)的密度統(tǒng)一定為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的水，而被測(cè)物質(zhì)不分氣體和液體，所以此標(biāo)準(zhǔn)也采用了比密度的叫法，即

對(duì)于液位測(cè)量：比密度差=被測(cè)液體密度/水的密度-氣體密度/水的密度

對(duì)于界面測(cè)量：比密度差=被測(cè)液體1密度/水的密度-被測(cè)液體2密度/水的密度

1.3.2 化工部自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定

原化工部自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范(HG/T 20507—2014)中第7.2.4條規(guī)定。

清潔液體的液位、界面測(cè)量，可選用浮筒式液位計(jì)。浮筒式液位計(jì)選型應(yīng)符合下列要求：測(cè)量范圍2000mm 以內(nèi)，密度范用為0.5g/cm3～1.5g/cm3的液體液位連續(xù)測(cè)量，可選用浮筒式液位汁。測(cè)量范圍1200mm以內(nèi)，密度差范圍為0. 19/cm3～0.5g/cm3的液體界面連續(xù)測(cè)量，可選用浮筒式界面計(jì)。使用外浮筒式界面計(jì)測(cè)量、液體界面時(shí)，容器內(nèi)上部液面應(yīng)始終高于上部取壓口。真空對(duì)象、易氣化的液體的液位測(cè)量宜選用浮筒式液位計(jì)。此規(guī)范采用了密度與密度差的叫法，但是這里對(duì)液體液位和液體界面這兩種測(cè)量方式的儀表選型采用了不同的參考范圍值，即液體液位測(cè)量采用單純的密度值，而液體界面測(cè)量采用了密度的差值，這一點(diǎn)上，相對(duì)于老規(guī)范(HG/T 20507—2000)中第4.2.2條規(guī)定做了升級(jí)修改，不再使用比重的說(shuō)法。

老規(guī)范中要求對(duì)于測(cè)量范圍2000mm以內(nèi)，比重為0.5～1.5的液體液面連續(xù)測(cè)量，以及測(cè)量范圍1200mm以內(nèi)，比重差為0.5～1.5的液體界面連續(xù)測(cè)量，宜選用浮筒式儀表。

對(duì)于液位測(cè)量：比重=被測(cè)液體密度/水的密度

對(duì)于界面測(cè)量：比重差=被測(cè)液體1密度/水的密度-被測(cè)液體2密度/水的密度

老規(guī)范這里參考物質(zhì)的密度也統(tǒng)一定為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的水，只是對(duì)于液位測(cè)量不再考慮氣體因素，而只單純考慮被測(cè)液體介質(zhì)的密度。

2 測(cè)量應(yīng)用

2.1 液體界面測(cè)量

對(duì)于界面測(cè)量，是針對(duì)兩種液體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，因此需要兩種液體介質(zhì)有明顯的分界面，若分界面不明顯，則測(cè)量精度會(huì)變的很低，甚至無(wú)法測(cè)量。通常只要兩種液體介質(zhì)的比密度差大于0.2時(shí)，測(cè)量范圍就能夠滿足，因此石化規(guī)范中要求比密度差的值需大于0.2。當(dāng)兩種液體介質(zhì)的比密度差大于0.5時(shí)，兩種介質(zhì)的浮力影響差別就會(huì)變大，對(duì)于有限的浮筒條件來(lái)說(shuō)，會(huì)造成浮筒成本提高和精度的降低。雖然石化規(guī)范中并沒有對(duì)此做要求，但是化工部規(guī)范中仍保留了0.5g/cm3的上限推薦要求，因此就性價(jià)比而言，這種情況可以考慮選別的測(cè)量方式的液位計(jì)。通常不同的生產(chǎn)廠家都會(huì)在樣本里注明界面測(cè)量時(shí)的密度差需大于0.1，也有些可能會(huì)更小點(diǎn)。

2.2 液體液位測(cè)量

對(duì)于液面測(cè)量，是針對(duì)氣體和液體來(lái)說(shuō)，所以通常比密度差會(huì)在0.5～1.5之間。在此，若我們粗略的認(rèn)為氣體的密度非常小，相對(duì)液體可忽略時(shí)，密度差的值基本與液體的密度值大小相等，因此原化工部的規(guī)范中對(duì)液位測(cè)量的參考范圍值使用的是液體的密度。當(dāng)密度小于0.5時(shí)，液體屬于非常輕的液體，由于浮筒的重量是一定的，測(cè)量范圍一般通過(guò)改變其直徑、長(zhǎng)度及密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而直徑、長(zhǎng)度等的改善是有限的，因此對(duì)材質(zhì)會(huì)有特殊的要求，造價(jià)就會(huì)很高，已不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。通常生產(chǎn)廠家會(huì)在樣本上注明適合的密度或比密度范圍，大部分大于0.45或0.5，也有個(gè)別廠家樣本上密度可以達(dá)到0.2，若這樣，那么浮筒的材料會(huì)非常的輕，同時(shí)還要滿足工藝的復(fù)雜工況，成本和維護(hù)也早已超出實(shí)際要求。當(dāng)密度大于1.5時(shí)，液體屬于比較重的液體，甚至粘稠，不但浮力會(huì)特別大，還可能會(huì)吸附在浮筒上。但同樣，浮筒的直徑、長(zhǎng)度、材質(zhì)等改善是有限的，因此超過(guò)1.5時(shí)也不宜再使用浮筒。很多廠家樣本上比密度或密度的最大值都是1.5，也有達(dá)到3.0的，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，液體介質(zhì)比密度值在2.0左右的工況目前遇到的情況還是比較多的。

2.3 廠家應(yīng)用

目前大部分浮筒液位計(jì)生產(chǎn)廠家在樣本中都是以密度和密度差作為液位測(cè)量和界面測(cè)量的參考范圍，其值大小上和無(wú)量綱量比密度和比密度差很接近。通常對(duì)于液位測(cè)量的液體密度要求為0.5～1.5g/cm3,對(duì)于界面測(cè)量則要求兩種介質(zhì)的密度差應(yīng)大于0.1g/cm3。

2.4 浮筒液位計(jì)的選用

由于浮筒液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用和校驗(yàn)比較麻煩，即使是智能式的也是這樣。隨著智能式差壓變送器尤其是智能式法蘭液位變送器的出現(xiàn)，我國(guó)浮筒液位計(jì)的市場(chǎng)被壓縮了很多。但也正由于它現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的準(zhǔn)確和不可替代，使它仍然在過(guò)程工業(yè)中測(cè)量2000mm尤其是1200mm以下液位或界面時(shí)作為重要的可選儀表，特別是國(guó)外的工程公司，常常作為首選推薦給用戶。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然目前浮筒液位計(jì)產(chǎn)品可達(dá)0～3000mm(液面)、0～1500mm(界面)，但是外浮筒越大，體積和重量也就越大，安裝及維護(hù)也越不利，因此，從安裝、維護(hù)方面考慮，測(cè)量范圍原則規(guī)定為0～2000mm，而大測(cè)量范圍的外浮筒如無(wú)必要時(shí)盡量不使用。

比密度差0.5這個(gè)值是目前總結(jié)出來(lái)的一個(gè)最基本的滿足浮筒“浮”起來(lái)并且保證測(cè)量精度的值。例如：對(duì)于界面測(cè)量，若兩種液體介質(zhì)的比密度都小于0.5，一個(gè)為0.3，一個(gè)為0.4，已滿足密度差0.1的要求，但是對(duì)于浮子的材質(zhì)要求就非常特殊了。因此，對(duì)于兩種比密度均小于0.5的液體介質(zhì)的界面測(cè)量和密度小于0.5的液體介質(zhì)的液面測(cè)量，浮筒液位計(jì)也盡量不使用。