改进型浮子液位计在槽体液位测量中的应用

贾保峰

(拜城县众泰煤焦化有限公司,新疆 拜城 842300)

0 引言

化工工业生产过程中，槽体一般作为载体被用于液态反应介质的运输和存储，是生产工艺中重要的容器。槽体内部液面应始终处于理想的工作高度，故槽体介质液面高度成为工艺生产过程中需要控制的一个重要参数。实现地下槽体液位的快速、准确测量，对于工艺控制过程至关重要[1]。地下槽体内环境十分复杂，各种因素均会对液位测量造成影响。为安全起见，液位测量值通常作为工业生产中触发安全仪表系统(safety instrumented system,SIS)启动的联锁条件[2]。工业生产中，充分分析现场测量条件和影响因素，选择适合现场工艺测量条件的测量仪表，已成为工业仪表测量业内的共同努力方向。

1 研究背景

工业生产中，针对地下槽体、罐体的液位测量方式众多，测量设备多种多样。因此，选择一种符合具体工况条件的液位计尤为重要。目前，常用的液位测量装置，按测量原理可分为接触式和非接触式两种。接触式液位测量装置有人工检尺、浮子液位计等,非接触式液位测量装置有雷达液位计、核辐射液位计、超声波液位计等。与接触式液位测量装置相比,非接触式测量在技术含量和测量精度上具有一定的优势。但由于受使用成本高和苛刻的使用环境等因素限制,非接触式测量装置在国内外市场上还无法普及使用。根据市场统计,国内市场上目前普遍使用的是人工检尺和浮子液位计。人工检尺对人的操作技能要求较高,受客观因素影响大，测量精度有限；在恶劣工况下,测量具有高风险。浮子液位计在使用过程中经常会出现机械卡滞、密度调节困难、维修复杂等现象。因此,研制出一套具备维护方便、制作简单、精度高等多种优势的实用型浮子液位计，对于实际工业生产测量有着深远的意义[3]。为此,本文介绍了一种改进型浮子液位计,可用于测量地下槽体、罐体等设备的液位。

工业生产中，人们通常运用多种方法来进行容器内液体的物位测量。传统浮子液位计就是常用的一种。由于环境和工况等因素的影响，传统浮子液位计在液位测量过程中存在很大的局限性。特别是在焦化行业中的地下槽体、罐体等杂质较多、工况复杂的环境中，由于传统浮子液位计为接触式测量装置，其浮球会被粘上焦油等杂质，导致浮球密度增大，不能正常地浮在被测介质表面，从而影响液位计的测量。与之相比，非接触式测量的雷达液位计则优势明显。其不接触被测量介质，避免了上述情况的出现。雷达波的传输方向一定，回波受被测量槽体的内部结构限制。对于结构复杂的槽体，雷达波在传播过程中呈无序状态，进而影响液位测量的精度，不能有效实现其功能[4]。

2 传统浮子液位计

2.1 组成结构

传统浮子液位计由浮球、传动部件、显示系统组成，其结构如图1所示。

图1 传统浮子液位计结构图

利用浮球密度小、漂浮在被测介质界面之上的特征，传动部件将浮球的位置传递到显示系统；显示系统将传动部件传递的浮球位置信息通过机械、电子、电磁、光学等不同形式显示。按其结构形式，浮子可分为杠杆式、平衡式、导杆式、连杆式、连通管式。

2.2 工作方式

传统浮子液位计是利用恒浮力原理工作的液位测量仪器。密度比被测液体小的浮球，受到浮力的作用漂浮在被测介质表面，通过测量浮球的位置变化反映被测介质在罐体中的液位情况。目前，浮子液位计分为磁性浮子液位计和浮球浮子液位计两类[5]。磁性浮子液位计也称为磁翻转液位计，是安装于现场的显示仪表。其原理为：装有永久磁铁的浮子依靠浮力漂浮在被测介质表面时，随着介质液面的变化，拥有磁性的浮子也与液面发生一致变化，并通过磁极间相互作用使双色磁翻柱发生翻转，进而显示液位。浮球浮子液位计则是一种具有远传功能的测量仪表。其原理为：在传感器中等距离安装一定数量的电阻，当浮球到达某一位置时就会将电阻两侧接通；通过测量输出端的电阻信号值的大小，即可换算出该处液位，然后再由变送器转换成标准4～20 mA电流信号，并被远传至中央控制室计算机或二次仪表显示。

传统浮子液位计具有四个特点：①安全可靠，适用于易燃、易爆液体液位测量；②不受多种外界因素的限制，适用于黏度大的介质、有毒或无毒卫生型介质、有腐蚀性介质的物位测量[6]；③具有就地显示直读性，读数直观，清晰明了；④无需多组液位计组合，单机运行即可实现测量功能，具有较强的单体全量程测量功能[7]。

3 传统浮子液位计测量的干扰因素

传统浮子液位计是一种采用恒浮力原理工作的液位测量仪表，目前被广泛应用于地下槽体的液位测量。当被测量介质液面平静时，浮球工作环境比较好，在导管中可以平稳地上下运动，且能准确测量出介质液面高度，测量精度高。实际使用过程中会出现各种各样的干扰因素，使浮球不能正常工作，影响测量精度[1]。

①介质温度。

介质存放的环境温度对被测介质形态的影响很大。如果温度太低，会造成地下槽体内易结晶的介质出现结晶现象。结晶物附着在传统浮子液位计的浮球表面，改变了浮球的重量，使浮球不能正常地漂浮在介质表面，从而影响液位测量。测量过程中，介质的不同温差对传统浮子液位计的测量偏差有着一定的影响[8]。

②机械故障。

从结构上看，传统浮子液位计大多使用机械滑轮和钢丝作为信号传递的载体。机械结构会因腐蚀、外力、浮球表面结晶卡滞等原因引起机械故障。若机械故障不能及时排除，必然会造成传统浮子液位计不能正常工作。

③液体的扰动。

地下槽体内液体介质的搅拌、流入、流出均会造成槽内被测介质液面的扰动。槽体液面的扰动会引起传统浮子液位计的浮球位置不稳定，造成无法读取液位计的准确数值，严重影响浮球液位计的正确测量。

4 改进措施

对于以上提出的、影响传统浮子液位计测量准确度的因素，通过分析其本质，提出具有针对性的改进措施。在传统浮子液位计结构的基础上，对测量机构、显示机构和测量硬件等方面进行改进，以规避原有的影响因素，达到测量稳定、精确度高的效果。

4.1 测量结构

针对以上传统浮子液位计测量的干扰因素，对传统浮子液位计的部分测量结构采取了针对性的改进措施，解决干扰因素问题。改进型浮子液位计结构如图2所示。

图2 改进型浮子液位计结构图

改进型浮子液位计在原来的测量基础上增加了密封块和上、下开孔，并改变了测量杆和浮球的接触形式。测量导管必须垂直于液面安装。浮球处于测量导管内部，其直径与测量导管直径相同，材料视容器内被测介质密度而定。材料密度应小于介质密度，使浮球漂浮在介质表面，且可以随着液位的升高，在浮力的作用下于测量导管内部上下移动。测量导管上下均开设一开孔。考虑到被测介质内杂质堵塞导波管下部开孔位置，可根据实际，在不影响测量导管结构安全的情况下，增加下开孔处环测量导管同一平面上的开孔数量。在测量导管上开孔，可使浮球上部与容器内上部气压一致，从而保证测量管内外液面相同。测量指针固定在测量杆上，随测量杆上下移动，与刻度尺配合准确指示槽体内液位高度。

与传统浮子液位计相比，改进型浮子液位计最大的不同就是测量杆和浮球分离安装。测量杆下方是一个喇叭口，浮球上浮顶住喇叭口，从而作用于测量杆。测量杆为一个中空贯穿整个杆体。若浮球因介质结晶或者黏度大等原因附着在浮球上，可在顶部采用蒸气或清水等合适的介质对浮球进行清洗。浮球材料用耐腐蚀性较强的材料制成，还要保证其密度较小，使其在测量导管内可以漂浮、上下移动。

改进型浮子液位计零部件简单，安装便捷、可靠，适用于封闭、半封闭以及全开放式地下槽体的液位测量。测量导管的安装可以有效防止介质湍流引起的内部液面波动，避免了被测介质液面波动引起的测量误差。加装测量导管，减小了浮球下方接触介质的面积，可有效避免结晶介质的挥发[9]。

4.2 安装注意事项

改进型浮球液位计在安装时，要与槽体入口和泵出口保持安全距离，并有效避开槽体内的搅拌装置，从而防止介质湍流对改进型浮子液位计的干扰[10]。改进型雷达液位计的测量杆为中空结构，测量封闭或半封闭槽体液位时，应将测量杆顶部开口进行封堵，防止槽体内介质蒸发从测量杆中空部分溢出，影响槽体气密性。

浮球在测量导管内运动时，管道内部不平整或测量导管安装不垂直于被测界面，均会造成浮球运动过程中其与罐壁之间的摩擦。为减小罐壁摩擦带来的阻力，测量导管在安装时一定要垂直于被测介质液面。

4.3 应用结果

改进型浮子液位计被用于地下槽体液位的精确测量、测量误差可以缩小至±0.5mm以内,测量过程安全稳定，测量数据精确度高、数值可靠。改进型浮子液位计有效弥补了传统浮子液位计在测量过程中的不足，维护方便、成本低廉、测量稳定，为生产的安全运行提供了有力的保障。

5 结束语

传统浮子液位计在实际使用过程中，由于被测介质黏度大、介质结晶、设备腐蚀造成的机械卡滞等问题，测量结果误差很大。通过对传统浮子液位计测量机构、显示机构、测量硬件等方面的改进，成功规避了以上影响因素，达到测量稳定、精确度高的效果。改进型浮子液位计设计简单、易于操作、维护方便，适用于石油、焦化、化工等行业的地下槽体液位测量，具有很高的推广和实用价值。