化工生產中界面測量常用方案

張 寅

（無錫藍海工程設計有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

在如今的化工生產中，有越來越多場合（例如分離、吸收、萃取等）需要精確測量反應釜或儲罐中兩種介質的界面。比如，本司多次參與設計的環氧樹脂項目，在反應工序時，反應后得到環氧氯丙烷與水的混合物，因環氧氯丙烷需要回用，所以需要將兩者區分，環氧氯丙烷回用至反應釜，而水將送去ECH 精餾工序。此時需要用到分相器，通過測量其中環氧氯丙烷和水的界面，界面的測量與調節閥形成PID 調節，以此將環氧氯丙烷和水相互分離，該界面的控制是否準確會直接影響產品的合格度、企業的能源消耗量、成本的核算等重要問題。因此，這個控制回路至關重要，選擇適合的界面的測量儀表，是對生產穩定以及產品質量把控的一個關鍵環節。

1 測量方案分析

針對界面測量，不同物質造成的界面分層的情況也不一樣，有的分層清晰分明，有的則不一定有鮮明的分界，會有一段混懸狀態。針對不同工況，所用的方法也不盡相同，下面主要探討在此前各個項目中使用過的各種測量界面的方案。根據檢測依據的不同，一般常用的可以分為以下兩大類：一是根據密度差來測量界面，包括差壓法測量、浮子式測量；二是根據介電常數差異來測量界面。以下將對這兩大類中具有代表性的儀表進行列舉分析：

1.1 差壓法測量界面

利用差壓原理測量界面是工程項目中常見的一種測量方式，它其實歸根結底是利用密度差來測量界面。差壓法測量界面的原理是：利用介質的密度差異，假設密度大的介質密度為ρ，密度小的介質密度為ρ1，上下法蘭間距為L，產生的差壓為△P，當前界面高度為L1。通過檢測兩個取壓點之間的壓力差，可以計算出界面的高度，具體的測量計算公式如下：

從公式（1）可以看出，如果兩介質密度保持不變，則L1 與△P 形成線性關系，通過測量差壓即可推算出界面高度。一般定測量范圍時，當全部為輕介質時，設定液位為0；當全部為重介質時，設定為滿量程。

在實際的工業生產應用中，差壓法測量有一定的局限性，在某些情況下會導致測量產生較大誤差。首先，這種測量方法需要輕介質液位一定要高于上法蘭口，否則將無法測量；其次，密度是否穩定對差壓法測量的影響非常大，如果兩種介質的密度不穩定，有波動，則測量結果會有較大誤差；再次，如果兩介質的密度差異不大，就會造成量程太小從而無法保證原有的精度，導致測量誤差變大。

因此，差壓法測量方案對輕介質的高度和對兩介質的密度均有要求。

1.2 浮子式測量界面

浮子式測量同樣也是利用密度差異來測量界面的一種方式。它是通過浮子在不同密度的液體中產生不同的浮力來進行界面測量的。

一般化工生產中使用較多的有傳統的浮筒液位計、伺服液位計，還有近些年逐漸發展起來，得到越來越多運用的磁致伸縮液位計。

有些檢測場合對精度要求不嚴格，也會使用磁翻板液位計來測量界面，但由于該儀表本身的精度比較低，所以整個界面測量系統的精度無法得到保證。因此，一般不采用這個方案。

以下針對上面提到的3 種常用的測量方案分別逐一進行分析。

1.2.1 浮筒液位計

浮筒液位計是由表頭、扭力管、外筒和內筒組成的。外筒相當于容器，內筒連接在扭力管上，扭力管又固定在表頭上。當界面變化時，內筒受到的浮力也會跟著變化，導致扭力管產生不同程度的形變。表頭內有霍爾傳感器，它能檢測到微小的形變，并形成讀數。因此，浮筒液位計是通過浮力來測量界面的變化。

所受浮力公式為：

其中，ρ1 為重組分的密度，ρ2 為輕組分的密度，h 為重組分的高度，H 為液位計量程。通過公式（2）可以看出，當輕組分的密度小到和空氣或系統內部氣相介質的密度相同時，界面計實際上測量的就是重組分的液位了。

浮筒液位計的浮子一般情況下是中空的，有時候會帶一點配重。檢測時把充滿輕組分時顯示的高度設為零位，把充滿重組分時顯示的高度設為滿量程，測得的界位其實就是重組分的高度。

浮筒液位計根據安裝方式的不同可以分為內浮筒式和外浮筒式，在測量界面時，一般盡量不會選用外浮筒液位計，因為外浮筒液位計測量的界面變化是無法及時反映容器內界面變化的。其中一種情況如圖1 所示。

圖1 外浮筒液位計測量界面Fig.1 Measurement interface of external displacer level gauge

測量界面一般需要較長的沉淀和穩定時間，但當開車或停車等情況時，可能存在輕介質沒有穩定覆蓋上法蘭口的場合。從連通上看，與設備聯通的外測量筒內可能會出現與設備內實際界面不一致的現象。主要是當輕介質沒有足夠的液體流過測量筒時，測量筒和罐內為了要保持連通平衡，受到重力的影響，重介質會往測量筒多流一些。顯然，此時內外的界位不一致：測量筒內重介質液位高于罐內的重介質液位，同時輕介質液位也略低于罐內實際液位，這時就無法展現出設備內部兩介質的真實狀態。因此，測量界面需盡量避免開立旁管，這也就是為何界面測量不適合使用外浮筒液位計。

同時，浮筒液位計由于本身外形尺寸的限制，考慮到運輸等原因，一般無法做很長，所以一般測量范圍不超過3 m。

1.2.2 伺服液位計

伺服液位計同樣是根據兩種被測介質密度差異，導致所受浮力的不同來對界面進行測量的。同時，因為伺服液位計的檢測原理是根據浮力平衡，所以它在測量界面時只受介質密度變化影響，與其他因素無關。

伺服液位計的測量浮子受到其本身的重力和液體的浮力，在測量鋼絲上則表現為測量浮子所受重力和浮力之合力，即測量鋼絲上的張力。當界面變化時，測量浮子所受的浮力也隨之變化，從而導致測量鋼絲上的張力變化，使伺服控制器發出指令，令伺服電動機測量鼓轉動，伺服電機均速放下或收緊測量鋼絲。當浮子不斷地跟蹤界面上下移動時，計數器記錄伺服電機的轉動步數，并自動地計算出測量浮子的位移量，即界面的變化量。基于這樣的測量原理，伺服液位計對于界面檢測能夠做到系統精確度高，穩定性強，因此測量范圍很寬泛。

伺服液位計同樣也有不足之處，當測量黏度較大的介質，同時液面波動也比較大時，可能會發生牽引鋼絲被拉斷，導致浮球丟失情況。另外，由于伺服液位計價格相當昂貴，考慮使用經濟性的情況下，一般只有在需要進行貿易計量的儲罐才會采用伺服液位計。

1.2.3 磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計是采用磁致伸縮原理的高精度位移測量儀表，是目前界面測量運用的非常廣泛的一款儀表，它是采用不導磁的不銹鋼管（測桿）、磁致伸縮線（波導線）、可移動的磁浮子和電子部件構成的。傳感器的脈沖發生器在波導線上勵磁出電流脈沖，該電流沿著波導線傳播時會在波導線的周圍產生脈沖電流磁場。在傳感器測桿外配有磁浮子，磁浮子沿測桿隨著界面的變化而上下移動，在磁浮子內部有一組永久磁環。當電流脈沖產生的磁場與浮子內的磁環磁場相遇時，矢量相加形成螺旋磁場，產生瞬間扭力，使波導線扭動并產生終止脈沖，沿波導線傳回并由檢出機構檢出。通過測量起始脈沖和終止脈沖之間的時間差，可以精確地確定磁浮子所在的位置，即界面的位置。磁致伸縮液位計構造如圖2 所示。

圖2 磁致伸縮液位計構造圖Fig.2 Structure diagram of magnetostrictive liquid level gauge

磁致伸縮液位計的優點有：唯一可動部件為磁浮子，維護量極低；精度高，最高可達0.01%FS（滿量程），其非線性精度能小于0.01%FS，重復精度能小于0.001%FS；測量范圍廣；耐高溫，耐高壓，穩定性好；安裝方便，不需要標定，不需要維護等，所以很多工程控制場合它都能夠勝任。

結合以上3 種常用的浮子式液位計來看，用這種方式來檢測界面還是適用場合比較寬泛的。不過在使用浮子式液位計時，也需要注意幾點，否則可能會帶來較大的測量誤差：介質不能太粘稠，長期工作粘結污垢后，浮子容易被卡死；密度要穩定，并且密度差要求比較大，如果差距小，同時界面的量程又比較小，例如只有1m 或更低時，浮力的變化范圍就會非常小，這就需要非常高的分辨率或精度，很有可能就無法測量。

1.3 根據介電常數差異測量界面

如果實際工況所測界面的兩種介質密度相差無幾，那顯然用以上的差壓法測量或者浮子式測量的方式都是不合適的。這種情況下，如果兩介質的介電常數相差很大的話，就可以考慮用介電常數的差異來測量界面了。這種測量方法在工業生產中采用的比較多的是導波雷達液位計。

導波雷達液位計的測量原理是雷達波發射出去，遇到分界面，反射出回波。接收傳感器接收到回波之后，根據TOF（time of flight）時間距離原理，通過其速度算出距離，也就是界面位置。

用導波雷達液位計測量界面時，必須要保證輕介質對雷達波反射效果差，也就是兩種介質的介電常數差較大，通俗一點就是一個是絕緣體，一個是良導體。

與其他界面測量方案相比，導波雷達液位計的主要優勢如下：

1）雷達信號沿導波桿傳播，發射和反射能量比較集中，幾乎無衰減，這個特性能使導波雷達液位計的反射信號強，測量精度不受各種外界因素的影響，同時也不受溫度、壓力和介質物性的變化而改變測量結果，這就保證了測量的準確性。

2）抗油污粘附能力強，測量可靠。

3）安裝簡單，低維護量。

但導波雷達也有一定的局限性，需要注意的是：雷達液位計的原理要求分界面的兩種介質，上面的介電常數小，下面的介電常數大，并且介電常數差別越大越好。如果兩種介質分層，但是介電常數區別不大，就無法測準；另外，如果分界處有比較多的混懸、乳濁等復雜狀況，或者是會產生泡沫、水汽的工況也可能會影響測量準確度；同時，雷達液位計在安裝時需注意儀表的安裝位置，需要避開進料口、攪拌等位置，若安裝位置不合適，會使雷達波的回波信號受到干擾。因此，在安裝的時候，需要考慮儲罐的高度以及安裝位置與罐壁的距離，要給雷達液位計留出足夠的安裝空間。

導波雷達液位計在安裝時多數需使用導波管，導波管的安裝需考慮其強度，所以常在儲罐底部固定，同時導波管內壁應該光滑、無毛刺。因此，一般會采用不銹鋼材質并且保證焊接的平整性。

2 結束語

對于界面測量可以選擇的儀表類型很多，對同一測量對象的測量方法可以有多種選擇，本文僅僅列舉了比較常用的一部分。作為一名合格的設計人員，在確定測量方案時，應該首先確定哪種測量原理適用于目前的工況，然后結合設備開口位置，考慮投入的成本，結合各儀表的優缺點，同時一并考慮客戶的喜好來最終選擇最為合適的測量方案。