改進(jìn)型浮子液位計(jì)在槽體液位測(cè)量中的應(yīng)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(yè)生產(chǎn)過程中，槽體一般作為載體被用于液態(tài)反應(yīng)介質(zhì)的運(yùn)輸和存儲(chǔ)，是生產(chǎn)工藝中重要的容器。槽體內(nèi)部液面應(yīng)始終處于理想的工作高度，故槽體介質(zhì)液面高度成為工藝生產(chǎn)過程中需要控制的一個(gè)重要參數(shù)。實(shí)現(xiàn)地下槽體液位的快速、準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于工藝控制過程至關(guān)重要[1]。地下槽體內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜，各種因素均會(huì)對(duì)液位測(cè)量造成影響。為安全起見，液位測(cè)量值通常作為工業(yè)生產(chǎn)中觸發(fā)安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system,SIS)啟動(dòng)的聯(lián)鎖條件[2]。工業(yè)生產(chǎn)中，充分分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件和影響因素，選擇適合現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量條件的測(cè)量儀表，已成為工業(yè)儀表測(cè)量業(yè)內(nèi)的共同努力方向。

1 研究背景

工業(yè)生產(chǎn)中，針對(duì)地下槽體、罐體的液位測(cè)量方式眾多，測(cè)量設(shè)備多種多樣。因此，選擇一種符合具體工況條件的液位計(jì)尤為重要。目前，常用的液位測(cè)量裝置，按測(cè)量原理可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式液位測(cè)量裝置有人工檢尺、浮子液位計(jì)等,非接觸式液位測(cè)量裝置有雷達(dá)液位計(jì)、核輻射液位計(jì)、超聲波液位計(jì)等。與接觸式液位測(cè)量裝置相比,非接觸式測(cè)量在技術(shù)含量和測(cè)量精度上具有一定的優(yōu)勢(shì)。但由于受使用成本高和苛刻的使用環(huán)境等因素限制,非接觸式測(cè)量裝置在國內(nèi)外市場(chǎng)上還無法普及使用。根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)市場(chǎng)上目前普遍使用的是人工檢尺和浮子液位計(jì)。人工檢尺對(duì)人的操作技能要求較高,受客觀因素影響大，測(cè)量精度有限；在惡劣工況下,測(cè)量具有高風(fēng)險(xiǎn)。浮子液位計(jì)在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)機(jī)械卡滯、密度調(diào)節(jié)困難、維修復(fù)雜等現(xiàn)象。因此,研制出一套具備維護(hù)方便、制作簡單、精度高等多種優(yōu)勢(shì)的實(shí)用型浮子液位計(jì)，對(duì)于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)測(cè)量有著深遠(yuǎn)的意義[3]。為此,本文介紹了一種改進(jìn)型浮子液位計(jì),可用于測(cè)量地下槽體、罐體等設(shè)備的液位。

工業(yè)生產(chǎn)中，人們通常運(yùn)用多種方法來進(jìn)行容器內(nèi)液體的物位測(cè)量。傳統(tǒng)浮子液位計(jì)就是常用的一種。由于環(huán)境和工況等因素的影響，傳統(tǒng)浮子液位計(jì)在液位測(cè)量過程中存在很大的局限性。特別是在焦化行業(yè)中的地下槽體、罐體等雜質(zhì)較多、工況復(fù)雜的環(huán)境中，由于傳統(tǒng)浮子液位計(jì)為接觸式測(cè)量裝置，其浮球會(huì)被粘上焦油等雜質(zhì)，導(dǎo)致浮球密度增大，不能正常地浮在被測(cè)介質(zhì)表面，從而影響液位計(jì)的測(cè)量。與之相比，非接觸式測(cè)量的雷達(dá)液位計(jì)則優(yōu)勢(shì)明顯。其不接觸被測(cè)量介質(zhì)，避免了上述情況的出現(xiàn)。雷達(dá)波的傳輸方向一定，回波受被測(cè)量槽體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的槽體，雷達(dá)波在傳播過程中呈無序狀態(tài)，進(jìn)而影響液位測(cè)量的精度，不能有效實(shí)現(xiàn)其功能[4]。

2 傳統(tǒng)浮子液位計(jì)

2.1 組成結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)浮子液位計(jì)由浮球、傳動(dòng)部件、顯示系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)圖

利用浮球密度小、漂浮在被測(cè)介質(zhì)界面之上的特征，傳動(dòng)部件將浮球的位置傳遞到顯示系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)將傳動(dòng)部件傳遞的浮球位置信息通過機(jī)械、電子、電磁、光學(xué)等不同形式顯示。按其結(jié)構(gòu)形式，浮子可分為杠桿式、平衡式、導(dǎo)桿式、連桿式、連通管式。

2.2 工作方式

傳統(tǒng)浮子液位計(jì)是利用恒浮力原理工作的液位測(cè)量儀器。密度比被測(cè)液體小的浮球，受到浮力的作用漂浮在被測(cè)介質(zhì)表面，通過測(cè)量浮球的位置變化反映被測(cè)介質(zhì)在罐體中的液位情況。目前，浮子液位計(jì)分為磁性浮子液位計(jì)和浮球浮子液位計(jì)兩類[5]。磁性浮子液位計(jì)也稱為磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)，是安裝于現(xiàn)場(chǎng)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(cè)介質(zhì)表面時(shí)，隨著介質(zhì)液面的變化，擁有磁性的浮子也與液面發(fā)生一致變化，并通過磁極間相互作用使雙色磁翻柱發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而顯示液位。浮球浮子液位計(jì)則是一種具有遠(yuǎn)傳功能的測(cè)量儀表。其原理為：在傳感器中等距離安裝一定數(shù)量的電阻，當(dāng)浮球到達(dá)某一位置時(shí)就會(huì)將電阻兩側(cè)接通；通過測(cè)量輸出端的電阻信號(hào)值的大小，即可換算出該處液位，然后再由變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)，并被遠(yuǎn)傳至中央控制室計(jì)算機(jī)或二次儀表顯示。

傳統(tǒng)浮子液位計(jì)具有四個(gè)特點(diǎn)：①安全可靠，適用于易燃、易爆液體液位測(cè)量；②不受多種外界因素的限制，適用于黏度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測(cè)量[6]；③具有就地顯示直讀性，讀數(shù)直觀，清晰明了；④無需多組液位計(jì)組合，單機(jī)運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，具有較強(qiáng)的單體全量程測(cè)量功能[7]。

3 傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測(cè)量的干擾因素

傳統(tǒng)浮子液位計(jì)是一種采用恒浮力原理工作的液位測(cè)量儀表，目前被廣泛應(yīng)用于地下槽體的液位測(cè)量。當(dāng)被測(cè)量介質(zhì)液面平靜時(shí)，浮球工作環(huán)境比較好，在導(dǎo)管中可以平穩(wěn)地上下運(yùn)動(dòng)，且能準(zhǔn)確測(cè)量出介質(zhì)液面高度，測(cè)量精度高。實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的干擾因素，使浮球不能正常工作，影響測(cè)量精度[1]。

①介質(zhì)溫度。

介質(zhì)存放的環(huán)境溫度對(duì)被測(cè)介質(zhì)形態(tài)的影響很大。如果溫度太低，會(huì)造成地下槽體內(nèi)易結(jié)晶的介質(zhì)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。結(jié)晶物附著在傳統(tǒng)浮子液位計(jì)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(zhì)表面，從而影響液位測(cè)量。測(cè)量過程中，介質(zhì)的不同溫差對(duì)傳統(tǒng)浮子液位計(jì)的測(cè)量偏差有著一定的影響[8]。

②機(jī)械故障。

從結(jié)構(gòu)上看，傳統(tǒng)浮子液位計(jì)大多使用機(jī)械滑輪和鋼絲作為信號(hào)傳遞的載體。機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)因腐蝕、外力、浮球表面結(jié)晶卡滯等原因引起機(jī)械故障。若機(jī)械故障不能及時(shí)排除，必然會(huì)造成傳統(tǒng)浮子液位計(jì)不能正常工作。

③液體的擾動(dòng)。

地下槽體內(nèi)液體介質(zhì)的攪拌、流入、流出均會(huì)造成槽內(nèi)被測(cè)介質(zhì)液面的擾動(dòng)。槽體液面的擾動(dòng)會(huì)引起傳統(tǒng)浮子液位計(jì)的浮球位置不穩(wěn)定，造成無法讀取液位計(jì)的準(zhǔn)確數(shù)值，嚴(yán)重影響浮球液位計(jì)的正確測(cè)量。

4 改進(jìn)措施

對(duì)于以上提出的、影響傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素，通過分析其本質(zhì)，提出具有針對(duì)性的改進(jìn)措施。在傳統(tǒng)浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)和測(cè)量硬件等方面進(jìn)行改進(jìn)，以規(guī)避原有的影響因素，達(dá)到測(cè)量穩(wěn)定、精確度高的效果。

4.1 測(cè)量結(jié)構(gòu)

針對(duì)以上傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測(cè)量的干擾因素，對(duì)傳統(tǒng)浮子液位計(jì)的部分測(cè)量結(jié)構(gòu)采取了針對(duì)性的改進(jìn)措施，解決干擾因素問題。改進(jìn)型浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)型浮子液位計(jì)在原來的測(cè)量基礎(chǔ)上增加了密封塊和上、下開孔，并改變了測(cè)量桿和浮球的接觸形式。測(cè)量導(dǎo)管必須垂直于液面安裝。浮球處于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)部，其直徑與測(cè)量導(dǎo)管直徑相同，材料視容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)密度而定。材料密度應(yīng)小于介質(zhì)密度，使浮球漂浮在介質(zhì)表面，且可以隨著液位的升高，在浮力的作用下于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)部上下移動(dòng)。測(cè)量導(dǎo)管上下均開設(shè)一開孔。考慮到被測(cè)介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)堵塞導(dǎo)波管下部開孔位置，可根據(jù)實(shí)際，在不影響測(cè)量導(dǎo)管結(jié)構(gòu)安全的情況下，增加下開孔處環(huán)測(cè)量導(dǎo)管同一平面上的開孔數(shù)量。在測(cè)量導(dǎo)管上開孔，可使浮球上部與容器內(nèi)上部氣壓一致，從而保證測(cè)量管內(nèi)外液面相同。測(cè)量指針固定在測(cè)量桿上，隨測(cè)量桿上下移動(dòng)，與刻度尺配合準(zhǔn)確指示槽體內(nèi)液位高度。

與傳統(tǒng)浮子液位計(jì)相比，改進(jìn)型浮子液位計(jì)最大的不同就是測(cè)量桿和浮球分離安裝。測(cè)量桿下方是一個(gè)喇叭口，浮球上浮頂住喇叭口，從而作用于測(cè)量桿。測(cè)量桿為一個(gè)中空貫穿整個(gè)桿體。若浮球因介質(zhì)結(jié)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(zhì)對(duì)浮球進(jìn)行清洗。浮球材料用耐腐蝕性較強(qiáng)的材料制成，還要保證其密度較小，使其在測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)可以漂浮、上下移動(dòng)。

改進(jìn)型浮子液位計(jì)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(cè)量。測(cè)量導(dǎo)管的安裝可以有效防止介質(zhì)湍流引起的內(nèi)部液面波動(dòng)，避免了被測(cè)介質(zhì)液面波動(dòng)引起的測(cè)量誤差。加裝測(cè)量導(dǎo)管，減小了浮球下方接觸介質(zhì)的面積，可有效避免結(jié)晶介質(zhì)的揮發(fā)[9]。

4.2 安裝注意事項(xiàng)

改進(jìn)型浮球液位計(jì)在安裝時(shí)，要與槽體入口和泵出口保持安全距離，并有效避開槽體內(nèi)的攪拌裝置，從而防止介質(zhì)湍流對(duì)改進(jìn)型浮子液位計(jì)的干擾[10]。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量桿為中空結(jié)構(gòu)，測(cè)量封閉或半封閉槽體液位時(shí)，應(yīng)將測(cè)量桿頂部開口進(jìn)行封堵，防止槽體內(nèi)介質(zhì)蒸發(fā)從測(cè)量桿中空部分溢出，影響槽體氣密性。

浮球在測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，管道內(nèi)部不平整或測(cè)量導(dǎo)管安裝不垂直于被測(cè)界面，均會(huì)造成浮球運(yùn)動(dòng)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(cè)量導(dǎo)管在安裝時(shí)一定要垂直于被測(cè)介質(zhì)液面。

4.3 應(yīng)用結(jié)果

改進(jìn)型浮子液位計(jì)被用于地下槽體液位的精確測(cè)量、測(cè)量誤差可以縮小至±0.5mm以內(nèi),測(cè)量過程安全穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)精確度高、數(shù)值可靠。改進(jìn)型浮子液位計(jì)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)浮子液位計(jì)在測(cè)量過程中的不足，維護(hù)方便、成本低廉、測(cè)量穩(wěn)定，為生產(chǎn)的安全運(yùn)行提供了有力的保障。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)浮子液位計(jì)在實(shí)際使用過程中，由于被測(cè)介質(zhì)黏度大、介質(zhì)結(jié)晶、設(shè)備腐蝕造成的機(jī)械卡滯等問題，測(cè)量結(jié)果誤差很大。通過對(duì)傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測(cè)量機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)、測(cè)量硬件等方面的改進(jìn)，成功規(guī)避了以上影響因素，達(dá)到測(cè)量穩(wěn)定、精確度高的效果。改進(jìn)型浮子液位計(jì)設(shè)計(jì)簡單、易于操作、維護(hù)方便，適用于石油、焦化、化工等行業(yè)的地下槽體液位測(cè)量，具有很高的推廣和實(shí)用價(jià)值。