在化工生产车间中液位测量常用技巧详细举例

引言

在如今的化工生产中，有越来越多场合（例如分离、吸收、萃取等）需要精que测量反应釜或储罐中两种介质的界面。比如，本司多次参与设计的环氧树脂项目，在反应工序时，反应后得到环氧氯丙烷与水的混合物，因环氧氯丙烷需要回用，所以需要将两者区分，环氧氯丙烷回用至反应釜，而水将送去ECH精馏工序。此时需要用到分相器，通过测量其中环氧氯丙烷和水的界面，界面的测量与调节阀形成PID调节，以此将环氧氯丙烷和水相互分离，该界面的控制是否准确会直接影响产品的合格度、企业的能源消耗量、成本的核算等重要问题。因此，这个控制回路至关重要，选择适合的界面的测量仪表，是对生产稳定以及产品质量把控的一个关键环节。

1测量方案分析

针对界面测量，不同物质造成的界面分层的情况也不一样，有的分层清晰分明，有的则不一定有鲜明的分界，会有一段混悬状态。针对不同工况，所用的方法也不尽相同，下面主要探讨在此前各个项目中使用过的各种测量界面的方案。根据检测依据的不同，一般常用的可以分为以下两大类：一是根据密度差来测量界面，包括差压法测量、浮子式测量；二是根据介电常数差异来测量界面。以下将对这两大类中具有代表性的仪表进行列举分析：

1.1差压法测量界面

利用差压原理测量界面是工程项目中常见的一种测量方式，它其实归根结底是利用密度差来测量界面。差压法测量界面的原理是：利用介质的密度差异，假设密度大的介质密度为ρ，密度小的介质密度为ρ1，上下法兰间距为L，产生的差压为△P，当前界面高度为L1。通过检测两个取压点之间的压力差，可以计算出界面的高度，具体的测量计算公式如下：

△P=ρ1g(L-L1)+ρgL1，得出L1=(△P-ρ1gL)/(ρg-ρ1g)（1）

从公式（1）可以看出，如果两介质密度保持不变，则L1与△P形成线性关系，通过测量差压即可推算出界面高度。一般定测量范围时，当全部为轻介质时，设定液位为0；当全部为重介质时，设定为满量程。

在实际的工业生产应用中，差压法测量有一定的局限性，在某些情况下会导致测量产生较大误差。shou先，这种测量方法需要轻介质液位一定要高于上法兰口，否则将无法测量；其次，密度是否稳定对差压法测量的影响非常大，如果两种介质的密度不稳定，有波动，则测量结果会有较大误差；再次，如果两介质的密度差异不大，就会造成量程太小从而无法保证原有的精度，导致测量误差变大。因此，差压法测量方案对轻介质的高度和对两介质的密度均有要求。

1.2浮子式测量界面

浮子式测量同样也是利用密度差异来测量界面的一种方式。它是通过浮子在不同密度的液体中产生不同的浮力来进行界面测量的。

一般化工生产中使用较多的有传统的浮筒液位计、伺服液位计，还有近些年逐渐发展起来，得到越来越多运用的磁致伸缩液位计。

有些检测场合对精度要求不严格，也会使用磁翻板液位计来测量界面，但由于该仪表本身的精度比较低，所以整个界面测量系统的精度无法得到保证。因此，一般不采用这个方案。

以下针对上面提到的3种常用的测量方案分别逐一进行分析。

   1.2.1浮筒液位计

浮筒液位计是由表头、扭力管、外筒和内筒组成的。外筒相当于容器，内筒连接在扭力管上，扭力管又固定在表头上。当界面变化时，内筒受到的浮力也会跟着变化，导致扭力管产生不同程度的形变。表头内有霍尔传感器，它能检测到微小的形变，并形成读数。因此，浮筒液位计是通过浮力来测量界面的变化。所受浮力公式为：

F浮=ρ1gSh+ρ2gS（H–h）（2）

其中，ρ1为重组分的密度，ρ2为轻组分的密度，h为重组分的高度，H为液位计量程。通过公式（2）可以看出，当轻组分的密度小到和空气或系统内部气相介质的密度相同时，界面计实际上测量的就是重组分的液位了。

浮筒液位计的浮子一般情况下是中空的，有时候会带一点配重。检测时把充满轻组分时显示的高度设为零位，把充满重组分时显示的高度设为满量程，测得的界位其实就是重组分的高度。

浮筒液位计根据安装方式的不同可以分为内浮筒式和外浮筒式，在测量界面时，一般尽量不会选用外浮筒液位计，因为外浮筒液位计测量的界面变化是无法及时反映容器内界面变化的。其中一种情况如图1所示。测量界面一般需要较长的沉淀和稳定时间，但当开车或停车等情况时，可能存在轻介质没有稳定覆盖上法兰口的场合。从连通上看，与设备联通的外测量筒内可能会出现与设备内实际界面不一致的现象。主要是当轻介质没有足够的液体流过测量筒时，测量筒和罐内为了要保持连通平衡，受到重力的影响，重介质会往测量筒多流一些。显然，此时内外的界位不一致：测量筒内重介质液位高于罐内的重介质液位，同时轻介质液位也略低于罐内实际液位，这时就无法展现出设备内部两介质的真实状态。因此，测量界面需尽量避免开立旁管，这也就是为何界面测量不适合使用外浮筒液位计。

同时，浮筒液位计由于本身外形尺寸的限制，考虑到运输等原因，一般无法做很长，所以一般测量范围不超过3m。

1.2.2伺服液位计

伺服液位计同样是根据两种被测介质密度差异，导致所受浮力的不同来对界面进行测量的。同时，因为伺服液位计的检测原理是根据浮力平衡，所以它在测量界面时只受介质密度变化影响，与其他因素无关。

伺服液位计的测量浮子受到其本身的重力和液体的浮力，在测量钢丝上则表现为测量浮子所受重力和浮力之合力，即测量钢丝上的张力。当界面变化时，测量浮子所受的浮力也随之变化，从而导致测量钢丝上的张力变化，使伺服控制器发出指令，令伺服电动机测量鼓转动，伺服电机均速放下或收紧测量钢丝。当浮子不断地跟踪界面上下移动时，计数器记录伺服电机的转动步数，并自动地计算出测量浮子的位移量，即界面的变化量。基于这样的测量原理，伺服液位计对于界面检测能够做到系统精que度高，稳定性强，因此测量范围很宽泛。

伺服液位计同样也有不足之处，当测量黏度较大的介质，同时液面波动也比较大时，可能会发生牵引钢丝被拉断，导致浮球丢失情况。另外，由于伺服液位计价格相当昂贵，考虑使用经济性的情况下，一般只有在需要进行贸易计量的储罐才会采用伺服液位计。

1.2.3磁致伸缩液位计

磁致伸缩液位计是采用磁致伸缩原理的高精度位移测量仪表，是目前界面测量运用的非常广泛的一款仪表，它是采用不导磁的不锈钢管（测杆）、磁致伸缩线（波导线）、可移动的磁浮子和电子部件构成的。传感器的脉冲发生器在波导线上励磁出电流脉冲，该电流沿着波导线传播时会在波导线的周围产生脉冲电流磁场。在传感器测杆外配有磁浮子，磁浮子沿测杆随着界面的变化而上下移动，在磁浮子内部有一组**磁环。当电流脉冲产生的磁场与浮子内的磁环磁场相遇时，矢量相加形成螺旋磁场，产生瞬间扭力，使波导线扭动并产生终止脉冲，沿波导线传回并由检出机构检出。通过测量起始脉冲和终止脉冲之间的时间差，可以精que地确定磁浮子所在的位置，即界面的位置。磁致伸缩液位计构造如图2所示。

磁致伸缩液位计的优点有：非常好可动部件为磁浮子，维护量极低；精度高，#高可达0.01%FS（满量程），其非线性精度能小于0.01%FS，重复精度能小于0.001%FS；测量范围广；耐高温，耐高压，稳定性好；安装方便，不需要标定，不需要维护等，所以很多工程控制场合它都能够胜任。

结合以上3种常用的浮子式液位计来看，用这种方式来检测界面还是适用场合比较宽泛的。不过在使用浮子式液位计时，也需要注意几点，否则可能会带来较大的测量误差：介质不能太粘稠，长期工作粘结污垢后，浮子容易被卡死；密度要稳定，并且密度差要求比较大，如果差距小，同时界面的量程又比较小，例如只有1m或更低时，浮力的变化范围就会非常小，这就需要非常高的分辨率或精度，很有可能就无法测量。

1.3根据介电常数差异测量界面

如果实际工况所测界面的两种介质密度相差无几，那显然用以上的差压法测量或者浮子式测量的方式都是不合适的。这种情况下，如果两介质的介电常数相差很大的话，就可以考虑用介电常数的差异来测量界面了。这种测量方法在工业生产中采用的比较多的是导波雷达液位计。导波雷达液位计的测量原理是雷达波发射出去，遇到分界面，反射出回波。接收传感器接收到回波之后，根据TOF（timeofflight）时间距离原理，通过其速度算出距离，也就是界面位置。用导波雷达液位计测量界面时，必须要保证轻介质对雷达波反射效果差，也就是两种介质的介电常数差较大，通俗一点就是一个是绝缘体，一个是良导体。

与其他界面测量方案相比，导波雷达液位计的主要优势如下 ：

1）雷达信号沿导波杆传播，发射和反射能量比较集中，几乎无衰减，这个特性能使导波雷达液位计的反射信号强，测量精度不受各种外界因素的影响，同时也不受温度、压力和介质物性的变化而改变测量结果，这就保证了测量的准确性。

2）抗油污粘附能力强，测量可靠。

3）安装简单，低维护量。但导波雷达也有一定的局限性，需要注意的是 ：雷达液位计的原理要求分界面的两种介质，上面的介电常数小，下面的介电常数大，并且介电常数差别越大越好。如果两种介质分层，但是介电常数区别不大，就无法测准 ；另外，如果分界处有比较多的混悬、乳浊等复杂状况，或者是会产生泡沫、水汽的工况也可能会影响测量准确度 ；同时，雷达液位计在安装时需注意仪表的安装位置，需要避开进料口、搅拌等位置，若安装位置不合适，会使雷达波的回波信号受到干扰。因此，在安装的时候，需要考虑储罐的高度以及安装位置与罐壁的距离，要给雷达液位计留出足够的安装空间。

导波雷达液位计在安装时多数需使用导波管，导波管的安装需考虑其强度，所以常在储罐底部固定，同时导波管内壁应该光滑、无毛刺。因此，一般会采用不锈钢材质并且保证焊接的平整性。

2 结束语

对于界面测量可以选择的仪表类型很多，对同一测量对象的测量方法可以有多种选择，本文仅仅列举了比较常用的一部分。作为一名合格的设计人员，在确定测量方案时，应该shou先确定哪种测量原理适用于目前的工况，然后结合设备开口位置，考虑投入的成本，结合各仪表的优缺点，同时一并考虑客户的喜好来终选择为合适的测量方案。