周雪花

（新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東 棗莊 277520）

化工企業(yè)液位測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用探析

周雪花

（新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東 棗莊 277520）

本文研究了國(guó)內(nèi)外化工企業(yè)罐區(qū)液位計(jì)量檢測(cè)常用方法及原理，分析了目前常用液位計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光纖液位計(jì)、光電液位計(jì)、伺服式液位監(jiān)測(cè)技術(shù)和磁致伸縮等測(cè)量技術(shù)，介紹了相關(guān)方法原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)了化工企業(yè)液位計(jì)量檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

化工企業(yè)；液位測(cè)量；儀表應(yīng)用

0　引言

隨著電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，研究人員開發(fā)出很多液位測(cè)量?jī)x表，并在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)明了適用性更強(qiáng)、更精準(zhǔn)的機(jī)電一體化測(cè)量?jī)x器。針對(duì)我國(guó)化工企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，研制適合我國(guó)國(guó)情的液位計(jì)量檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于打破國(guó)外壟斷，提升化工企業(yè)液位測(cè)量精度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1　化工企業(yè)液位測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早期的液位測(cè)量技術(shù)采用機(jī)械原理，人工測(cè)量為主。國(guó)外近年來研制出新型液位測(cè)量技術(shù)，目前很多國(guó)外跨國(guó)公司都研制并裝備了高精度、高穩(wěn)定性、功能齊全的液位計(jì)量系統(tǒng)，并形成了系列化產(chǎn)品。我國(guó)的液位計(jì)量技術(shù)起步晚，發(fā)展也相對(duì)較慢。同國(guó)外技術(shù)相比，差距明顯，具體體現(xiàn)在：測(cè)量精度不高、設(shè)備可靠性差、抗干擾性能不足、自主創(chuàng)新技術(shù)少。依照計(jì)量原理分類，大致可分為以下幾種：液位計(jì)法、靜壓測(cè)量法、混合測(cè)量法。液位計(jì)法由于操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)量方法。

2　典型液位測(cè)量技術(shù)研究

液位測(cè)量屬于靜態(tài)測(cè)量的一種，其主要原理是通過液位計(jì)計(jì)量液體位置。依據(jù)液位測(cè)量的原理不用，液位計(jì)可以分為接觸式和非接觸式兩大類。非接觸式液位計(jì)主要有雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和光導(dǎo)液位計(jì)，測(cè)量手段是通過聲、光、射線等測(cè)量液位；接觸式液位計(jì)主要包括浮子式液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、磁致伸縮測(cè)量技術(shù)，主要的測(cè)量手段是通過浮子測(cè)量液位。本文重點(diǎn)研究了超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光纖液位計(jì)、光電液位計(jì)測(cè)量技術(shù)、伺服式液位計(jì)量技術(shù)、磁致伸縮測(cè)量技術(shù)相關(guān)技術(shù)原理及應(yīng)用情況。

（1）光纖液位計(jì)、光電液位計(jì)測(cè)量技術(shù)。光纖液位計(jì)通過在傳統(tǒng)的力學(xué)平衡理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)油罐液位的實(shí)時(shí)測(cè)量。在信號(hào)的傳輸過程中通過電磁耦合裝置、光學(xué)編碼器、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。光纖液位計(jì)的測(cè)量原理是：浮子和與之聯(lián)動(dòng)的繩索、錘子隨著液位上下浮動(dòng)，通過精確計(jì)量變徑輪，在磁力耦合裝置的帶動(dòng)下，產(chǎn)生電信號(hào)。光電信號(hào)井光纜傳輸，在光電變送器進(jìn)行光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，并進(jìn)行校準(zhǔn)及信號(hào)放大。經(jīng)二次儀表分析，就可以得到液位精確數(shù)據(jù)。光電液位計(jì)量將光電技術(shù)和微電子技術(shù)運(yùn)用于液位測(cè)量中，其測(cè)量原理是在力學(xué)平衡原理的基礎(chǔ)上，采用紅外光電技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，并且在測(cè)量及計(jì)算過程中運(yùn)用了多種手段進(jìn)行誤差補(bǔ)償和修正。

（2）伺服式液位計(jì)量技術(shù)。伺服式液位計(jì)量系統(tǒng)主要部分包括：浮子、電路系統(tǒng)、靈敏度校正系統(tǒng)和伺服式電機(jī)。伺服液位計(jì)是現(xiàn)階段化工企業(yè)公認(rèn)的高精度液位計(jì)，其系統(tǒng)測(cè)量精度主要取決于液位測(cè)量的較高精度和非實(shí)時(shí)測(cè)量的水位結(jié)合密度測(cè)量數(shù)據(jù)，以及多點(diǎn)溫度測(cè)量得到的平均溫度數(shù)據(jù)。能測(cè)量的參數(shù)包括液位、溫度和密度，液位精度可到1mm，溫度測(cè)量精度在±0.1℃。

（3）磁致伸縮測(cè)量技術(shù)。磁致伸縮式液位計(jì)是一種可進(jìn)行連續(xù)液位、界面測(cè)量的液位計(jì)，同時(shí)能夠提供高清晰度的模擬信號(hào)用于監(jiān)測(cè)和控制。其主要測(cè)量部分由兩個(gè)浮子和一個(gè)傳感器測(cè)桿組成，同時(shí)配備有永久磁鐵，浮子磁鐵、傳輸部分和檢測(cè)部分，對(duì)雙界面都有較好的測(cè)量精度，屬于一種接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，具有較高的測(cè)量精度。具體測(cè)量原理是：由兩個(gè)浮子分別檢測(cè)油水界面和油氣界面，制作的浮子密度分別在油密度和水密度之間，小于油的密度，這樣兩浮子在隨著測(cè)桿移動(dòng)過程中就能檢測(cè)兩界面位置。非磁性傳感管內(nèi)的磁致伸縮線是信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)鍵部件，用于產(chǎn)生信號(hào)的壓磁傳感器就安裝在次之伸縮線內(nèi)，計(jì)時(shí)壓磁傳感器以固定頻率發(fā)出脈沖信號(hào)。浮子內(nèi)部安裝永久磁鐵，形成一個(gè)磁場(chǎng)；檢測(cè)脈沖沿測(cè)桿內(nèi)波導(dǎo)絲傳播會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖，脈沖電流與返回電流脈之間存在一個(gè)時(shí)間差，智能化的電子計(jì)算裝置記錄并計(jì)算信號(hào)發(fā)生與返回之間的時(shí)間差，可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。

磁致伸縮測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①測(cè)量原理更加先進(jìn)，因而儀器理論測(cè)量精度更高；②可測(cè)量參數(shù)更多，對(duì)于化工企業(yè)灌區(qū)測(cè)量中的液位高度、油水界面情況、油品溫度分布等都可進(jìn)行測(cè)量；③測(cè)量分辨率更高，常用磁致伸縮測(cè)量?jī)x器進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)分辨能力可達(dá)到0.001mm；④數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，由于運(yùn)用了數(shù)字信號(hào)傳輸，并結(jié)合ModBus數(shù)字通訊協(xié)議，信號(hào)穩(wěn)定性得到很大提升，傳輸距離在2000米以內(nèi)具有很好的保真度；⑤可與多種終端配和使用，兼容性好；⑥儀器性能穩(wěn)定，日常維護(hù)工作量小，安全隱患得以降低。

（4）超聲波及雷達(dá)測(cè)量技術(shù)。超聲波技術(shù)主要是通過測(cè)量聲波時(shí)差，并結(jié)合介質(zhì)中聲波的傳播速度，計(jì)算液位高度。在此過程中要進(jìn)行聲波信號(hào)和電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。超聲波測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)械波的界面反射信號(hào)強(qiáng)，衰減小，測(cè)穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝和檢測(cè)較為簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是聲波傳播速度影響因素較多，故而精度較低，需要多次測(cè)量標(biāo)定。雷達(dá)技術(shù)是通過天線或雷達(dá)探頭，發(fā)射出連續(xù)的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過導(dǎo)管或者直接到達(dá)被測(cè)液體表面，在被測(cè)液體表面發(fā)生反射作用，反射信號(hào)通過接收器進(jìn)行接收，計(jì)算信號(hào)發(fā)射和接收過程中的時(shí)間差，結(jié)合傳播速度就可以得出液位高度。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)試穩(wěn)定性好，測(cè)量精確度較高，在測(cè)試環(huán)境存在污染，測(cè)試液體粘度較高的條件下適用性好，維護(hù)成本低。

3　化工企業(yè)液位測(cè)量技術(shù)在的問題

光纖液位計(jì)、光電液位計(jì)測(cè)量技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于：液位測(cè)量范圍相對(duì)較窄，制作成本高，使用壽命較短，企業(yè)使用成本高。同時(shí)污濁液體、粘稠液體可能污染或者粘附在探測(cè)器表面，干擾測(cè)量精度。伺服式液位測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)伺服電機(jī)功耗較大，一般需要220V交流電壓供電，在油氣集聚的油庫(kù)中使用，安全隱患較大；為滿足伺服式液位計(jì)精度要求，與之配套的溫度測(cè)量元件等其他儀表較為固定，系統(tǒng)整體兼容性差；系統(tǒng)故障排除需要高水平專業(yè)人員進(jìn)行，人員配備成本高，維護(hù)周期長(zhǎng)?；て髽I(yè)在運(yùn)用磁致伸縮式液位計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)磁致伸縮式液位計(jì)受其中液位計(jì)測(cè)量原理精度限制，在寬范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，精度降低，不適合作為大量程儲(chǔ)油罐計(jì)量系統(tǒng)使用。在黏度較高液體和泥漿中測(cè)量精度下降，由于天線浸入被測(cè)液體中，在液體壓力較大、存在自聚現(xiàn)象、有毒及腐蝕性液體中應(yīng)用效果較差。浮子在隨著液位上下移動(dòng)過程中容易被卡。

4　化工企業(yè)液位計(jì)量檢測(cè)發(fā)展方向

通過分析國(guó)內(nèi)外液位計(jì)量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并就常用的液位計(jì)量技術(shù)原理及應(yīng)用進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為未來液位計(jì)量技術(shù)的主要發(fā)展方向如下：

（1）向更高精度發(fā)展。未來生產(chǎn)數(shù)據(jù)必然會(huì)向高精度發(fā)展，相對(duì)應(yīng)的液位計(jì)量必須提供精度更高的數(shù)據(jù)。

（2）向快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方向發(fā)展更。液位測(cè)量在實(shí)際化工產(chǎn)品交易和存儲(chǔ)中顯得更為重要，實(shí)時(shí)工區(qū)管理是未來的發(fā)展方向，快速的液位監(jiān)測(cè)技術(shù)及相關(guān)儀器的研制刻不容緩。

[1] 賈飛飛. 具有無線收發(fā)功能的超聲波液位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) [D] [D]. 燕山大學(xué), 2010.

[2] 王偉麗. 油罐液位檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)江科技, 2011, 32(2): 117-117.

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