引言

在如今的化工生產(chǎn)中，有越來越多場合（例如分離、吸收、萃取等）需要精que測量反應釜或儲罐中兩種介質(zhì)的界面。比如，本司多次參與設計的環(huán)氧樹脂項目，在反應工序時，反應后得到環(huán)氧氯丙烷與水的混合物，因環(huán)氧氯丙烷需要回用，所以需要將兩者區(qū)分，環(huán)氧氯丙烷回用至反應釜，而水將送去ECH精餾工序。此時需要用到分相器，通過測量其中環(huán)氧氯丙烷和水的界面，界面的測量與調(diào)節(jié)閥形成PID調(diào)節(jié)，以此將環(huán)氧氯丙烷和水相互分離，該界面的控制是否準確會直接影響產(chǎn)品的合格度、企業(yè)的能源消耗量、成本的核算等重要問題。因此，這個控制回路至關重要，選擇適合的界面的測量儀表，是對生產(chǎn)穩(wěn)定以及產(chǎn)品質(zhì)量把控的一個關鍵環(huán)節(jié)。

 

1測量方案分析

針對界面測量，不同物質(zhì)造成的界面分層的情況也不一樣，有的分層清晰分明，有的則不一定有鮮明的分界，會有一段混懸狀態(tài)。針對不同工況，所用的方法也不盡相同，下面主要探討在此前各個項目中使用過的各種測量界面的方案。根據(jù)檢測依據(jù)的不同，一般常用的可以分為以下兩大類：一是根據(jù)密度差來測量界面，包括差壓法測量、浮子式測量；二是根據(jù)介電常數(shù)差異來測量界面。以下將對這兩大類中具有代表性的儀表進行列舉分析：

 

1.1差壓法測量界面

利用差壓原理測量界面是工程項目中常見的一種測量方式，它其實歸根結(jié)底是利用密度差來測量界面。差壓法測量界面的原理是：利用介質(zhì)的密度差異，假設密度大的介質(zhì)密度為ρ，密度小的介質(zhì)密度為ρ1，上下法蘭間距為L，產(chǎn)生的差壓為△P，當前界面高度為L1。通過檢測兩個取壓點之間的壓力差，可以計算出界面的高度，具體的測量計算公式如下：

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

 

從公式（1）可以看出，如果兩介質(zhì)密度保持不變，則L1與△P形成線性關系，通過測量差壓即可推算出界面高度。一般定測量范圍時，當全部為輕介質(zhì)時，設定液位為0；當全部為重介質(zhì)時，設定為滿量程。

 

在實際的工業(yè)生產(chǎn)應用中，差壓法測量有一定的局限性，在某些情況下會導致測量產(chǎn)生較大誤差。shou先，這種測量方法需要輕介質(zhì)液位一定要高于上法蘭口，否則將無法測量；其次，密度是否穩(wěn)定對差壓法測量的影響非常大，如果兩種介質(zhì)的密度不穩(wěn)定，有波動，則測量結(jié)果會有較大誤差；再次，如果兩介質(zhì)的密度差異不大，就會造成量程太小從而無法保證原有的精度，導致測量誤差變大。因此，差壓法測量方案對輕介質(zhì)的高度和對兩介質(zhì)的密度均有要求。

 

1.2浮子式測量界面

浮子式測量同樣也是利用密度差異來測量界面的一種方式。它是通過浮子在不同密度的液體中產(chǎn)生不同的浮力來進行界面測量的。

 

一般化工生產(chǎn)中使用較多的有傳統(tǒng)的浮筒液位計、伺服液位計，還有近些年逐漸發(fā)展起來，得到越來越多運用的磁致伸縮液位計。

 

有些檢測場合對精度要求不嚴格，也會使用磁翻板液位計來測量界面，但由于該儀表本身的精度比較低，所以整個界面測量系統(tǒng)的精度無法得到保證。因此，一般不采用這個方案。

 

以下針對上面提到的3種常用的測量方案分別逐一進行分析。

 

1.2.1浮筒液位計

浮筒液位計是由表頭、扭力管、外筒和內(nèi)筒組成的。外筒相當于容器，內(nèi)筒連接在扭力管上，扭力管又固定在表頭上。當界面變化時，內(nèi)筒受到的浮力也會跟著變化，導致扭力管產(chǎn)生不同程度的形變。表頭內(nèi)有霍爾傳感器，它能檢測到微小的形變，并形成讀數(shù)。因此，浮筒液位計是通過浮力來測量界面的變化。所受浮力公式為：

F浮=ρ1gSh+ρ2gS（H–h）（2）

 

其中，ρ1為重組分的密度，ρ2為輕組分的密度，h為重組分的高度，H為液位計量程。通過公式（2）可以看出，當輕組分的密度小到和空氣或系統(tǒng)內(nèi)部氣相介質(zhì)的密度相同時，界面計實際上測量的就是重組分的液位了。

 

浮筒液位計的浮子一般情況下是中空的，有時候會帶一點配重。檢測時把充滿輕組分時顯示的高度設為零位，把充滿重組分時顯示的高度設為滿量程，測得的界位其實就是重組分的高度。

浮筒液位計根據(jù)安裝方式的不同可以分為內(nèi)浮筒式和外浮筒式，在測量界面時，一般盡量不會選用外浮筒液位計，因為外浮筒液位計測量的界面變化是無法及時反映容器內(nèi)界面變化的。其中一種情況如圖1所示。測量界面一般需要較長的沉淀和穩(wěn)定時間，但當開車或停車等情況時，可能存在輕介質(zhì)沒有穩(wěn)定覆蓋上法蘭口的場合。從連通上看，與設備聯(lián)通的外測量筒內(nèi)可能會出現(xiàn)與設備內(nèi)實際界面不一致的現(xiàn)象。主要是當輕介質(zhì)沒有足夠的液體流過測量筒時，測量筒和罐內(nèi)為了要保持連通平衡，受到重力的影響，重介質(zhì)會往測量筒多流一些。顯然，此時內(nèi)外的界位不一致：測量筒內(nèi)重介質(zhì)液位高于罐內(nèi)的重介質(zhì)液位，同時輕介質(zhì)液位也略低于罐內(nèi)實際液位，這時就無法展現(xiàn)出設備內(nèi)部兩介質(zhì)的真實狀態(tài)。因此，測量界面需盡量避免開立旁管，這也就是為何界面測量不適合使用外浮筒液位計。

 

同時，浮筒液位計由于本身外形尺寸的限制，考慮到運輸?shù)仍�因，一般無法做很長，所以一般測量范圍不超過3m。

 

1.2.2伺服液位計

伺服液位計同樣是根據(jù)兩種被測介質(zhì)密度差異，導致所受浮力的不同來對界面進行測量的。同時，因為伺服液位計的檢測原理是根據(jù)浮力平衡，所以它在測量界面時只受介質(zhì)密度變化影響，與其他因素無關。

 

伺服液位計的測量浮子受到其本身的重力和液體的浮力，在測量鋼絲上則表現(xiàn)為測量浮子所受重力和浮力之合力，即測量鋼絲上的張力。當界面變化時，測量浮子所受的浮力也隨之變化，從而導致測量鋼絲上的張力變化，使伺服控制器發(fā)出指令，令伺服電動機測量鼓轉(zhuǎn)動，伺服電機均速放下或收緊測量鋼絲。當浮子不斷地跟蹤界面上下移動時，計數(shù)器記錄伺服電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)，并自動地計算出測量浮子的位移量，即界面的變化量。基于這樣的測量原理，伺服液位計對于界面檢測能夠做到系統(tǒng)精que度高，穩(wěn)定性強，因此測量范圍很寬泛。

 

伺服液位計同樣也有不足之處，當測量黏度較大的介質(zhì)，同時液面波動也比較大時，可能會發(fā)生牽引鋼絲被拉斷，導致浮球丟失情況。另外，由于伺服液位計價格相當昂貴，考慮使用經(jīng)濟性的情況下，一般只有在需要進行貿(mào)易計量的儲罐才會采用伺服液位計。

 

1.2.3磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計是采用磁致伸縮原理的高精度位移測量儀表，是目前界面測量運用的非常廣泛的一款儀表，它是采用不導磁的不銹鋼管（測桿）、磁致伸縮線（波導線）、可移動的磁浮子和電子部件構(gòu)成的。傳感器的脈沖發(fā)生器在波導線上勵磁出電流脈沖，該電流沿著波導線傳播時會在波導線的周圍產(chǎn)生脈沖電流磁場。在傳感器測桿外配有磁浮子，磁浮子沿測桿隨著界面的變化而上下移動，在磁浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。當電流脈沖產(chǎn)生的磁場與浮子內(nèi)的磁環(huán)磁場相遇時，矢量相加形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬間扭力，使波導線扭動并產(chǎn)生終止脈沖，沿波導線傳回并由檢出機構(gòu)檢出。通過測量起始脈沖和終止脈沖之間的時間差，可以精que地確定磁浮子所在的位置，即界面的位置。磁致伸縮液位計構(gòu)造如圖2所示。

磁致伸縮液位計的優(yōu)點有：非常好可動部件為磁浮子，維護量極低；精度高，#高可達0.01%FS（滿量程），其非線性精度能小于0.01%FS，重復精度能小于0.001%FS；測量范圍廣；耐高溫，耐高壓，穩(wěn)定性好；安裝方便，不需要標定，不需要維護等，所以很多工程控制場合它都能夠勝任。

 

結(jié)合以上3種常用的浮子式液位計來看，用這種方式來檢測界面還是適用場合比較寬泛的。不過在使用浮子式液位計時，也需要注意幾點，否則可能會帶來較大的測量誤差：介質(zhì)不能太粘稠，長期工作粘結(jié)污垢后，浮子容易被卡死；密度要穩(wěn)定，并且密度差要求比較大，如果差距小，同時界面的量程又比較小，例如只有1m或更低時，浮力的變化范圍就會非常小，這就需要非常高的分辨率或精度，很有可能就無法測量。

 

1.3根據(jù)介電常數(shù)差異測量界面

如果實際工況所測界面的兩種介質(zhì)密度相差無幾，那顯然用以上的差壓法測量或者浮子式測量的方式都是不合適的。這種情況下，如果兩介質(zhì)的介電常數(shù)相差很大的話，就可以考慮用介電常數(shù)的差異來測量界面了。這種測量方法在工業(yè)生產(chǎn)中采用的比較多的是導波雷達液位計。導波雷達液位計的測量原理是雷達波發(fā)射出去，遇到分界面，反射出回波。接收傳感器接收到回波之后，根據(jù)TOF（timeofflight）時間距離原理，通過其速度算出距離，也就是界面位置。用導波雷達液位計測量界面時，必須要保證輕介質(zhì)對雷達波反射效果差，也就是兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差較大，通俗一點就是一個是絕緣體，一個是良導體。

 

與其他界面測量方案相比，導波雷達液位計的主要優(yōu)勢如下 ：

1）雷達信號沿導波桿傳播，發(fā)射和反射能量比較集中，幾乎無衰減，這個特性能使導波雷達液位計的反射信號強，測量精度不受各種外界因素的影響，同時也不受溫度、壓力和介質(zhì)物性的變化而改變測量結(jié)果，這就保證了測量的準確性。 

2）抗油污粘附能力強，測量可靠。 

3）安裝簡單，低維護量。但導波雷達也有一定的局限性，需要注意的是 ：雷達液位計的原理要求分界面的兩種介質(zhì)，上面的介電常數(shù)小，下面的介電常數(shù)大，并且介電常數(shù)差別越大越好。如果兩種介質(zhì)分層，但是介電常數(shù)區(qū)別不大，就無法測準 ；另外，如果分界處有比較多的混懸、乳濁等復雜狀況，或者是會產(chǎn)生泡沫、水汽的工況也可能會影響測量準確度 ；同時，雷達液位計在安裝時需注意儀表的安裝位置，需要避開進料口、攪拌等位置，若安裝位置不合適，會使雷達波的回波信號受到干擾。因此，在安裝的時候，需要考慮儲罐的高度以及安裝位置與罐壁的距離，要給雷達液位計留出足夠的安裝空間。

 

導波雷達液位計在安裝時多數(shù)需使用導波管，導波管的安裝需考慮其強度，所以常在儲罐底部固定，同時導波管內(nèi)壁應該光滑、無毛刺。因此，一般會采用不銹鋼材質(zhì)并且保證焊接的平整性。

 

2 結(jié)束語

對于界面測量可以選擇的儀表類型很多，對同一測量對象的測量方法可以有多種選擇，本文僅僅列舉了比較常用的一部分。作為一名合格的設計人員，在確定測量方案時，應該shou先確定哪種測量原理適用于目前的工況，然后結(jié)合設備開口位置，考慮投入的成本，結(jié)合各儀表的優(yōu)缺點，同時一并考慮客戶的喜好來#終選擇#為合適的測量方案。