液位開關在工業上的應用

亓瀟(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

液位開關，也稱之為水位開關或液位傳感器，是指一類可以用于控制和測量或自動控制水的開關的裝置。液位開關大部分應用于測量管道內是否有介質，儲罐液位的高低報警或聯鎖保護功能的儀表設備。液位開關廣泛應用于工業建設、工農業生產、科學研究對外貿易以及人民生活等各個領域。如果沒有液位開關，那么工業，尤其是石油和化學工業將無法正常的運轉。在化學工業的生產運行中，液位開關大部分用于關鍵設備、儲罐等的聯鎖保護或者控制，所以液位開關的準確及可靠性決定了化學工藝的穩定運行，對化學和化工工藝安全運行具有至關重要的作用。

1 液位開關的種類

液位開關分為浮球液位開關、射頻導納法液位開關、阻旋型液位開關、電磁型液位開關、電子型液位開關、音叉液位開關、光電型液位開關、超聲波測量技術液位開關等。文章著重針對浮球液位開關、音叉液位開關、超聲波液位開關進行闡述，分析其特點、選型以及應用的經驗。

2 液位開關的基本原理

2.1 浮球液位開關

浮球液位開關，主要是利用了浮力和靜電磁場的原理進行設計制造，并在工藝上實現了應用。具有鐵磁體的浮球(簡稱浮球)在被測介質中的位置受工藝介質浮力作用的影響：隨著介質液位的不斷變化導致磁性浮子的位置隨之產生變化。浮球中的磁性體和傳感器(磁簧開關)作用，最終產生開關接點信號的變化。

有些拋入型浮球液位開關，采用了微動控制開關作為接點出口。當水平面的浮力變化使浮球高度達到某個夾角時，浮球液位開關內的鋼珠就會延著內部軌跡滑動，壓到細微動作控制器或分離細微動作控制器上，使液位高度控制器完成斷開和閉合的接點信號輸出。當然，有些浮球液位開關浮球之間是直接相連的機械連桿，當液位高度變化時，將機械連桿推向細微動作控制器或分離細微動作控制器，最終也一樣能夠完成液位高度控制器斷開和閉合的接點信號輸出變化。

浮球液位開關具有以下優點：(1)用微動開關作為觸點出口時，當觸點容積只要滿足要求時，就能夠進行驅動電器和儀表等裝置的動作；(2)采用專用的防水且耐高溫儀表信號電纜，在苛刻的工況仍然可以正常工作；(3)結構簡單、適用場合較多；(4)儀表信號電纜線長度根據客戶要求進行訂制，靈活性強；(5)與一般的機械進行比較，它的開關動作速度更快、因無過多的機械連桿，也就是沒有過多的維護點，所以它的使用壽命會更長；(6)單個產品可以實現多點輸出參與控制或聯鎖功能。

浮球液位開關的缺點主要有：(1)浮球開關是結構簡單的儀表設備，無法實現類似智能儀表的自檢或者自診斷功能，所以無法知道浮球液位開關是否處于正常工作的狀態，接點信號是否可以及時的觸發，以保證控制和聯鎖的功能。(2)浮球液位開關因為與介質直接接觸，且在介質液位發生變化時，液位開關也是浮動的。所以它是一種活動部件的儀表元器件，因此用在介質黏度較高或者雜質較多的地方會結垢或者卡澀，會使得其準確度降低，嚴重者會導致浮球液位開關無法正常工作。(3)根據介質密度的變化，浮球實際檢測的位置也會發生一定變化，所以浮球液位開關的測量精度相對其他形式較差。(4)對容器內的介質的溫度、密度、介電常數及壓力均有嚴格要求，參數的偏離均可能會導致液位開關無法正常使用。

2.2 音叉液位開關

音叉液位開關的工作原理，是利用放置在基礎上的一個壓電晶體，使音叉在一定共振頻率下產生震動。當音叉液位開關的音叉與被測試介質相碰時，音叉的頻譜與振幅都將出現變動，而音叉液位開關的這種變動將會經由智能電路來加以監測，處理并使其轉化為下一個的開關位置信息，最后以達到對液位報警或監控的目的。音叉液位開關的優點主要有：(1)音叉液位開關由于是采用振動這一特點，從而不受流速、氣泡、湍流、氣泡、固體濃度、沾敷、產品變形等工況的影響；(2)安裝便利，免維護；(3)與浮球液位開關不同，是沒有活動零件，也沒有機械連桿的儀器元件，結構更簡單，維修環節也更少；(4)具有自檢或自診斷功能，所以可以隨時知道音叉液位開關是否處于工作正常的狀態，是否接點信號可以及時的觸發保證控制和聯鎖的功能。音叉液位開關的缺點主要是該類型開關不適合應用于非常黏的介質，例如粉料類的介質。這會導致音叉液位開關的叉體被黏稠的介質覆蓋且堆積，將干擾物位檢測，可能會觸發誤動作。

2.3 超聲波液位開關

超聲波液位開關與內部壓電結晶的探頭之間被空氣分隔，把某個產生特定振蕩頻率的結晶，利用聲音信息傳送空氣縫隙中，當探頭浸入液體時，結晶與聲音產生偶合狀態，超聲液位控制器狀態也產生了變化。

超聲波液位開關的主要優點是：(1)由于超聲液位開關采取了非接觸式檢測方法，而且并沒有直接和介質進行接觸，故超聲液位開關對檢測有強腐蝕性(酸、堿)的介質、對有環境污染的工作場所，以及對容易形成黏附物的物質均不能引起危害；(2)無需法蘭、螺紋、打孔等其他復雜的過程連接，只需將探頭貼近與容器的外側壁固定即可完成安裝。

超聲波液位開關的主要缺點是：(1)與被測介質黏度有一定關系，并不是因為介質會污染探頭，而是因為被測介質黏度較大時吸附于罐壁，這會導致超聲波液位開關無法有效地發出波穿過附著在吸附在罐壁上的黏稠介質，誤認為這是實際液位，會檢測到錯誤信號，從而影響測量導致液位開關誤動作。(2)受介質溫度影響較大，溫度過高時會無法及時觸發超聲波液位開關動作。

3 液位開關的選用

浮球液位一般情況下適用于不十分重要的場合，比如小型儲罐的液位報警、水池液位高低控制外排泵的啟停等。音叉液位開關一般用于重要設備或大型機組的聯鎖保護，重要儲罐出口的泵的高低液位保護等場合。超聲波液位開關一般主要考慮到安裝的便利性，常見的都是安裝在儲存有害介質的儲罐及壓力容器，在化工罐區尤為常見。

3.1 過程連接

浮球液位開關與音叉液位控制器之間的過程鏈接，一般都采用螺紋連接和法蘭連接，為了滿足工藝功能的需要，我們會選擇頂裝式、測裝式以及拋入形式。超聲波液位開關選用的為貼壁形式。

3.2 材質

浮球液位開關的浮球材質，常使用不銹耐酸鋼316L、哈氏合金C4(2.4610)、不銹耐酸鋼涂哈氏合金、不銹鋼噴涂瓷漆、不銹鋼噴涂PFA等。音叉液位開關叉體的材質，常使用不銹耐酸鋼316L、哈氏合金C4(2.4610)、哈氏合金C4(2.4610)噴涂瓷漆、不銹耐酸鋼噴涂PFA等。超聲波液位開關因為傳感器部分無需和介質直接接觸，所以一般只需考慮罐壁或管道材質及使用溫度即可。

3.3 防護等級的要求

浮球液位開關、音叉液位開關、超聲波液位開關均根據國標GB 4208—2017與國際電工委員會 IEC標準IEC 529-76關于外殼防護等級為[1]：IPXX,第一位代表的是防塵等級，考慮到工業生產中惡劣的環境與不定因素，我們在工業使用中基本選擇的都是IP6X,6代表完全防止外物及灰塵。所以基本在防護級別上選用了IP65IP66IP67IP68,而在工業中我們基本選用了IP67和IP68的情況比較多，7代表在深度達1 m的水中防30 min的浸漬危害，8代表在深度大于1 m的水中防止持續浸漬危害。

3.4 不接觸介質材質

浮球液位開關、超聲波液位開關及音叉液位開關的外殼可以選用塑料PBT(聚酯)、不銹鋼等。

3.5 電源選擇

浮球液位開關根據使用場地和環境不同，選擇使用220VAC或24VDC電源。

3.6 防爆等級

浮球液位開關一般為AEPS或ATEX等。

4 液位開關的質量檢查

當液位開關到貨后，務必第一時間對其進行組織驗收，其中有幾點需格外注意。

(1)銘牌檢查。務必確定其技術參數是否完整，并與設計規格書或計量書的尺寸相符，其技術參數一般包含但不限于：生產制造廠名、生產規格型號、生產出廠序號、公稱通徑、設計流量范圍、精度級別、防爆等級、保護級別、制造年月等。

(2)外觀檢查。外觀上不能發生毛刺形成、刻傷、裂痕、腐蝕、霉斑、涂層，不允許有起皮、脫落的跡象。

法蘭密封面和螺紋處無任何損傷。

(3)開蓋檢查。如果條件允許，建議開蓋檢查并做一次動作測試，這是因為實際工作中曾遇到過開蓋后發現內部端子明顯有進水跡象，通過測試后發現液位開關失效，無法正常動作。

(4)合格證書檢查。檢查合格證及檢定或標定證書是否齊全且合格；供電電壓是否與設計規格書或計算書保持一致；變送器及傳感器蓋是否蓋緊，孔洞是否封堵合格，且無任何損傷。

5 液位開關選用及應用的經驗

5.1 材質與介質影響

浮球液位開關浮球的材質選用并不是絕對的，當選型時除了考慮設計的介質外，也要充分考慮是否存在其他介質的可能，是否存在介質發生改變或者濃度發生改變的情況，評估后再做選擇，避免設備損壞的風險。

在選用時經常會忽略可能存在的介質，這導致后期投用介質后很快就無法正常使用，二次選型來解決投入的成本也會更高，而且更重要的還面臨著工藝是否具備隔離的條件，有些情況還需要切除聯鎖保護或者控制功能，此問題會給現場的應用及維修帶來巨大困難。尤其是浮球如果被腐蝕發生泄漏，那么浮球就無法正常工作，也就是浮球液位開關出現故障，我們曾嘗試過維修泄漏的浮球，意義不大，一方面補焊的難度較大，另外浮球的質量也會發生改變，即使臨時使用也只能很短時間，基本只能通過訂購原備件解決，這是因為沒有從根本上解決問題。

解決辦法是，在項目詳細設計階段時，首先工藝介質要由設計院工藝專業和有生產運行經驗的業主共同確認后在反饋給儀表專業進行選型確認，尤其時明確濃度范圍，這是材質選擇的關鍵部分，另外在工藝提出條件時務必要求提供相對準確的密度，不然即使材質選用沒有問題但仍無法解決測量液位相對準確的問題。音叉液位開關叉體的材質選用同浮球液位開關的策略基本一致，務必提前落實好是否存在設計工藝介質以外的混入情況，因為測量原理不同，音叉液位開關是不會受到介質密度變化影響的。

5.2 酸霧環境對液位開關的影響

浮球液位開關、音叉液位開關和超聲波液位開關不接觸介質的部分在我們選型中基本會忽略，一般都是按廠家標準進行選擇，但是對于有些例如酸霧環境，廠家標準配置可能就不適用了，長時間運行會導致外殼腐蝕，嚴重時還會造成腐蝕穿孔，從而導致內部端子及元器件的損壞，液位開關無法正常使用。

建議在設計階段分析出可能存在酸霧的區域，如果條件允許在酸堿罐區的設計時不考慮酸霧的情況，建議也對外殼材質按酸霧腐蝕考慮，因為在此區域有很多靜密封點，如果泄漏或者維修就可能在環境中存在酸霧的可能。防爆級別和要求根據設計院提供的防爆區域等級要求選型即可。

5.3 超聲波液位開關與耦合劑

超聲波液位開關因為采用了貼壁式安裝，為了保證傳感器和儲罐容器等充分結合，會在超聲波液位開關傳感器和儲罐容器的外壁涂抹耦合劑。隨著使用時間變長，會陸續出現故障現象，這一般都是耦合劑失效所導致。解決辦法是，增加預防性維護工作，2～3年對其更換耦合劑，可以采用有經驗的蜘蛛人協助安裝，這樣也會大大地節省搭設腳手架的費用以及現場施工的風險。當然也建議選擇廠家推薦或者使用效果較好的耦合劑產品。

5.4 音叉液位開關的可靠性措施

音叉液位開關需要注意的一點是在存在有黏稠的介質，例如粉料，選用叉體的形式就很容易在一定周期因為掛料導致音叉開關失效，更有甚者有觸發聯鎖誤動作的可能。可以在不改變過程連接、接線、測量原理的情況下，考慮采用棒式的音叉開關，這種結構因為類似一種光滑的金屬棒，黏稠介質相對很難在棒體上掛料，另外隨著容器或設備的輕微振動，有些介質會脫落，從而保證可靠性。

6 結語

合理選擇并使用液位開關十分重要。本文對幾種主要類型液位開關的工作原理及應用進行分析，對在工業上如何合理的選擇并合理使用液位開關有一定的借鑒作用。