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浮子液位計在液位測量中具有更高的使用價值的方案說明
浮子式液位計是實際是一類液位計種類，其典型的應用就是常見的浮標液位計，其應用范圍非常廣泛。傳統型的浮子液位計適合在各類具有黏稠介質的測量中有很好的表現，不過對于易于揮發結晶的介質和特別黏稠狀介質, 傳統浮子液位計的使用會還是會打折扣。本文基于地下槽體液位測量環境的實際狀況, 并結合傳統浮子液位計的測量原理和結構特點, 提出了一種具有高度、制作方便、環境適應程度高、抗干擾性強、耐腐蝕能力強、維護使用方便等諸多優勢的改進型浮子液位計。通過實際投產使用，該改進型浮子液位計的測量效果基本達到了初的設計要求，在繼承了傳統浮子液位計優點的基礎上, 并通過結構改造, 成功克服了傳統浮子液位計在液位測量過程中的局限性。此方案不但解決了地下槽體液位測量過程中常見的問題, 同時也石化等行業生產過程中地下槽體液位計的使用提供有益的思路。
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。
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。磁性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 m A電流信號, 并被遠傳至*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、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、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。