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, 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重要參數(shù)。實(shí)現(xiàn)地下槽體液位的快速、準(zhǔn)確測量, 對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(yè)生產(chǎn)中觸發(fā)安全儀表系統(tǒng) (safety instrumented system, SIS) 啟動的聯(lián)鎖條件[2]。工業(yè)生產(chǎn)中, 充分分析現(xiàn)場測量條件和影響因素, 選擇適合現(xiàn)場工藝測量條件的測量儀表, 已成為工業(yè)儀表測量業(yè)內(nèi)的共同努力方向。

  工業(yè)生產(chǎn)中, 針對地下槽體、罐體的液位測量方式眾多, 測量設(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(jì)等, 非接觸式液位測量裝置有雷達(dá)液位計(jì)、核輻射液位計(jì)、超聲波液位計(jì)等。與接觸式液位測量裝置相比, 非接觸式測量在技術(shù)含量和測量精度上具有一定的優(yōu)勢。但由于受使用成本高和苛刻的使用環(huán)境等因素限制, 非接觸式測量裝置在國內(nèi)外市場上還無法普及使用。根據(jù)市場統(tǒng)計(jì), 國內(nèi)市場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(fēng)險(xiǎn)。浮子液位計(jì)在使用過程中經(jīng)常會出現(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)勢的實(shí)用型浮子液位計(jì), 對于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)測量有著深遠(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)為接觸式測量裝置, 其浮球會被粘上焦油等雜質(zhì), 導(dǎo)致浮球密度增大, 不能正常地浮在被測介質(zhì)表面, 從而影響液位計(jì)的測量。與之相比, 非接觸式測量的雷達(dá)液位計(jì)則優(yōu)勢明顯。其不接觸被測量介質(zhì), 避免了上述情況的出現(xiàn)。雷達(dá)波的傳輸方向一定, 回波受被測量槽體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制。對于結(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)而影響液位測量的精度, 不能有效實(shí)現(xiàn)其功能[4]。

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

  利用浮球密度小、漂浮在被測介質(zhì)界面之上的特征, 傳動部件將浮球的位置傳遞到顯示系統(tǒng);顯示系統(tǒng)將傳動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。

  傳統(tǒng)浮子液位計(jì)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(zhì)表面, 通過測量浮球的位置變化反映被測介質(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(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)就會將電阻兩側(cè)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4~20 m A電流信號, 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)具有四個特點(diǎn): (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(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測量[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)測量功能, 具有較強(qiáng)的單體全量程測量功能[7]。

  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量儀表, 目前被廣泛應(yīng)用于地下槽體的液位測量。當(dāng)被測量介質(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, 且能準(zhǔn)確測量出介質(zhì)液面高度, 測量精度高。實(shí)際使用過程中會出現(xiàn)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(zhì)溫度。

  介質(zhì)存放的環(huán)境溫度對被測介質(zhì)形態(tài)的影響很大。如果溫度太低, 會造成地下槽體內(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, 從而影響液位測量。測量過程中, 介質(zhì)的不同溫差對傳統(tǒng)浮子液位計(jì)的測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傳遞的載體。機(jī)械結(jié)構(gòu)會因腐蝕、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, 必然會造成傳統(tǒng)浮子液位計(jì)不能正常工作。

(3) 液體的擾動。

  地下槽體內(nèi)液體介質(zhì)的攪拌、流入、流出均會造成槽內(nèi)被測介質(zhì)液面的擾動。槽體液面的擾動會引起傳統(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)的正確測量。

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

  針對以上傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測量的干擾因素, 對傳統(tǒng)浮子液位計(jì)的部分測量結(jié)構(gòu)采取了針對性的改進(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。

  改進(jìn)型浮子液位計(jì)在原來的測量基礎(chǔ)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(dǎo)管必須垂直于液面安裝。浮球處于測量導(dǎo)管內(nèi)部, 其直徑與測量導(dǎo)管直徑相同, 材料視容器內(nèi)被測介質(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量導(dǎo)管內(nèi)部上下移動。測量導(dǎo)管上下均開設(shè)一開孔。考慮到被測介質(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, 在不影響測量導(dǎo)管結(jié)構(gòu)安全的情況下, 增加下開孔處環(huán)測量導(dǎo)管同一平面上的開孔數(shù)量。在測量導(dǎo)管上開孔, 可使浮球上部與容器內(nèi)上部氣壓一致, 從而保證測量管內(nèi)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(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)***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(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, 使其在測量導(dǎo)管內(nèi)可以漂浮、上下移動。

  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量。測量導(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, 避免了被測介質(zhì)液面波動引起的測量誤差。加裝測量導(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]。

  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)的測量桿為中空結(jié)構(gòu), 測量封閉或半封閉槽體液位時(shí), 應(yīng)將測量桿頂部開口進(jìn)行封堵, 防止槽體內(nèi)介質(zhì)蒸發(fā)從測量桿中空部分溢出, 影響槽體氣密性。

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

  改進(jìn)型浮子液位計(jì)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(nèi), 測量過程安全穩(wěn)定, 測量數(shù)據(jù)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)在測量過程中的不足, 維護(hù)方便、成本低廉、測量穩(wěn)定, 為生產(chǎn)的安全運(yùn)行提供了有力的保障。

  傳統(tǒng)浮子液位計(jì)在實(shí)際使用過程中, 由于被測介質(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, 測量結(jié)果誤差很大。通過對傳統(tǒng)浮子液位計(jì)測量機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)、測量硬件等方面的改進(jìn), 成功規(guī)避了以上影響因素, 達(dá)到測量穩(wěn)定、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)的地下槽體液位測量, 具有很高的推廣和實(shí)用價(jià)值。