化工生產(chǎn)中界面測量常用方案的詳細列舉

 

引言

在如今的化工生產(chǎn)中，有越來(lái)越多場(chǎng)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(shù)脂項目，在反應工序時(shí)，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(shí)需要用到分相器，通過(guò)測量其中環(huán)氧氯丙烷和水的界面，界面的測量與調節閥形成PID調節，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(huì )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(wèn)題。因此，這個(gè)控制回路至關(guān)重要，選擇適合的界面的測量?jì)x表，是對生產(chǎn)穩定以及產(chǎn)品質(zhì)量把控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。

 

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(huì )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(gè)項目中使用過(guò)的各種測量界面的方案。根據檢測依據的不同，一般常用的可以分為以下兩大類(lèi)：一是根據密度差來(lái)測量界面，包括差壓法測量、浮子式測量；二是根據介電常數差異來(lái)測量界面。以下將對這兩大類(lèi)中具有代表性的儀表進(jìn)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(jiàn)的一種測量方式，它其實(shí)歸根結底是利用密度差來(lái)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(cháng)，產(chǎn)生的差壓為△P，當前界面高度為L(cháng)1。通過(guò)檢測兩個(gè)取壓點(diǎn)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(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測量差壓即可推算出界面高度。一般定測量范圍時(shí)，當全部為輕介質(zhì)時(shí)，設定液位為0；當全部為重介質(zhì)時(shí)，設定為滿(mǎn)量程。

 

在實(shí)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(huì )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(wú)法測量；其次，密度是否穩定對差壓法測量的影響非常大，如果兩種介質(zhì)的密度不穩定，有波動(dòng)，則測量結果會(huì )有較大誤差；再次，如果兩介質(zhì)的密度差異不大，就會(huì )造成量程太小從而無(wú)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(lái)測量界面的一種方式。它是通過(guò)浮子在不同密度的液體中產(chǎn)生不同的浮力來(lái)進(jìn)行界面測量的。

 

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

 

有些檢測場(chǎng)合對精度要求不嚴格，也會(huì )使用磁翻板液位計來(lái)測量界面，但由于該儀表本身的精度比較低，所以整個(gè)界面測量系統的精度無(wú)法得到保證。因此，一般不采用這個(gè)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(jìn)行分析。

 

1.2.1浮筒液位計

浮筒液位計是由表頭、扭力管、外筒和內筒組成的。外筒相當于容器，內筒連接在扭力管上，扭力管又固定在表頭上。當界面變化時(shí)，內筒受到的浮力也會(huì )跟著(zhù)變化，導致扭力管產(chǎn)生不同程度的形變。表頭內有霍爾傳感器，它能檢測到微小的形變，并形成讀數。因此，浮筒液位計是通過(guò)浮力來(lái)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(guò)公式（2）可以看出，當輕組分的密度小到和空氣或系統內部氣相介質(zhì)的密度相同時(shí)，界面計實(shí)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(shí)候會(huì )帶一點(diǎn)配重。檢測時(shí)把充滿(mǎn)輕組分時(shí)顯示的高度設為零位，把充滿(mǎn)重組分時(shí)顯示的高度設為滿(mǎn)量程，測得的界位其實(shí)就是重組分的高度。

浮筒液位計根據安裝方式的不同可以分為內浮筒式和外浮筒式，在測量界面時(shí)，一般盡量不會(huì )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(wú)法及時(shí)反映容器內界面變化的。其中一種情況如圖1所示。測量界面一般需要較長(cháng)的沉淀和穩定時(shí)間，但當開(kāi)車(chē)或停車(chē)等情況時(shí)，可能存在輕介質(zhì)沒(méi)有穩定覆蓋上法蘭口的場(chǎng)合。從連通上看，與設備聯(lián)通的外測量筒內可能會(huì )出現與設備內實(shí)際界面不一致的現象。主要是當輕介質(zhì)沒(méi)有足夠的液體流過(guò)測量筒時(shí)，測量筒和罐內為了要保持連通平衡，受到重力的影響，重介質(zhì)會(huì )往測量筒多流一些。顯然，此時(shí)內外的界位不一致：測量筒內重介質(zhì)液位高于罐內的重介質(zhì)液位，同時(shí)輕介質(zhì)液位也略低于罐內實(shí)際液位，這時(shí)就無(wú)法展現出設備內部?jì)山橘|(zhì)的真實(shí)狀態(tài)。因此，測量界面需盡量避免開(kāi)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(shí)，浮筒液位計由于本身外形尺寸的限制，考慮到運輸等原因，一般無(wú)法做很長(cháng)，所以一般測量范圍不超過(guò)3m。

 

1.2.2伺服液位計

伺服液位計同樣是根據兩種被測介質(zhì)密度差異，導致所受浮力的不同來(lái)對界面進(jìn)行測量的。同時(shí)，因為伺服液位計的檢測原理是根據浮力平衡，所以它在測量界面時(shí)只受介質(zhì)密度變化影響，與其他因素無(wú)關(guān)。

 

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(shí)，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(dòng)機測量鼓轉動(dòng)，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(dòng)時(shí)，計數器記錄伺服電機的轉動(dòng)步數，并自動(dòng)地計算出測量浮子的位移量，即界面的變化量�；�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精que度高，穩定性強，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(shí)液面波動(dòng)也比較大時(shí)，可能會(huì )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(jià)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(jìn)行貿易計量的儲罐才會(huì )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?jì)x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(xiàn)（波導線(xiàn)）、可移動(dòng)的磁浮子和電子部件構成的。傳感器的脈沖發(fā)生器在波導線(xiàn)上勵磁出電流脈沖，該電流沿著(zhù)波導線(xiàn)傳播時(shí)會(huì )在波導線(xiàn)的周?chē)�產(chǎn)生脈沖電流磁場(chǎng)。在傳感器測桿外配有磁浮子，磁浮子沿測桿隨著(zhù)界面的變化而上下移動(dòng)，在磁浮子內部有一組永久磁環(huán)。當電流脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)與浮子內的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，矢量相加形成螺旋磁場(chǎng)，產(chǎn)生瞬間扭力，使波導線(xiàn)扭動(dòng)并產(chǎn)生終止脈沖，沿波導線(xiàn)傳回并由檢出機構檢出。通過(guò)測量起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，可以精que地確定磁浮子所在的位置，即界面的位置。磁致伸縮液位計構造如圖2所示。

磁致伸縮液位計的優(yōu)點(diǎn)有：非常好可動(dòng)部件為磁浮子，維護量極低；精度高，#高可達0.01%FS（滿(mǎn)量程），其非線(xiàn)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(chǎng)合它都能夠勝任。

 

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

 

1.3根據介電常數差異測量界面

如果實(shí)際工況所測界面的兩種介質(zhì)密度相差無(wú)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)的介電常數相差很大的話(huà)，就可以考慮用介電常數的差異來(lái)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TOF（timeofflight）時(shí)間距離原理，通過(guò)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(shí)，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)的介電常數差較大，通俗一點(diǎn)就是一個(gè)是絕緣體，一個(gè)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(wú)衰減，這個(gè)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(shí)也不受溫度、壓力和介質(zhì)物性的變化而改變測量結果，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(jiǎn)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)，上面的介電常數小，下面的介電常數大，并且介電常數差別越大越好。如果兩種介質(zhì)分層，但是介電常數區別不大，就無(wú)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(huì )產(chǎn)生泡沫、水汽的工況也可能會(huì )影響測量準確度 ；同時(shí)，雷達液位計在安裝時(shí)需注意儀表的安裝位置，需要避開(kāi)進(jìn)料口、攪拌等位置，若安裝位置不合適，會(huì )使雷達波的回波信號受到干擾。因此，在安裝的時(shí)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(shí)多數需使用導波管，導波管的安裝需考慮其強度，所以常在儲罐底部固定，同時(shí)導波管內壁應該光滑、無(wú)毛刺。因此，一般會(huì )采用不銹鋼材質(zhì)并且保證焊接的平整性。

 

2 結束語(yǔ)

對于界面測量可以選擇的儀表類(lèi)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(shí)，應該shou先確定哪種測量原理適用于目前的工況，然后結合設備開(kāi)口位置，考慮投入的成本，結合各儀表的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)一并考慮客戶(hù)的喜好來(lái)#終選擇#為合適的測量方案。