液位开关在工业上的应用

亓潇(中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

液位开关，也称之为水位开关或液位传感器，是指一类可以用于控制和测量或自动控制水的开关的装置。液位开关大部分应用于测量管道内是否有介质，储罐液位的高低报警或联锁保护功能的仪表设备。液位开关广泛应用于工业建设、工农业生产、科学研究对外贸易以及人民生活等各个领域。如果没有液位开关，那么工业，尤其是石油和化学工业将无法正常的运转。在化学工业的生产运行中，液位开关大部分用于关键设备、储罐等的联锁保护或者控制，所以液位开关的准确及可靠性决定了化学工艺的稳定运行，对化学和化工工艺安全运行具有至关重要的作用。

1 液位开关的种类

液位开关分为浮球液位开关、射频导纳法液位开关、阻旋型液位开关、电磁型液位开关、电子型液位开关、音叉液位开关、光电型液位开关、超声波测量技术液位开关等。文章着重针对浮球液位开关、音叉液位开关、超声波液位开关进行阐述，分析其特点、选型以及应用的经验。

2 液位开关的基本原理

2.1 浮球液位开关

浮球液位开关，主要是利用了浮力和静电磁场的原理进行设计制造，并在工艺上实现了应用。具有铁磁体的浮球(简称浮球)在被测介质中的位置受工艺介质浮力作用的影响：随着介质液位的不断变化导致磁性浮子的位置随之产生变化。浮球中的磁性体和传感器(磁簧开关)作用，最终产生开关接点信号的变化。

有些抛入型浮球液位开关，采用了微动控制开关作为接点出口。当水平面的浮力变化使浮球高度达到某个夹角时，浮球液位开关内的钢珠就会延着内部轨迹滑动，压到细微动作控制器或分离细微动作控制器上，使液位高度控制器完成断开和闭合的接点信号输出。当然，有些浮球液位开关浮球之间是直接相连的机械连杆，当液位高度变化时，将机械连杆推向细微动作控制器或分离细微动作控制器，最终也一样能够完成液位高度控制器断开和闭合的接点信号输出变化。

浮球液位开关具有以下优点：(1)用微动开关作为触点出口时，当触点容积只要满足要求时，就能够进行驱动电器和仪表等装置的动作；(2)采用专用的防水且耐高温仪表信号电缆，在苛刻的工况仍然可以正常工作；(3)结构简单、适用场合较多；(4)仪表信号电缆线长度根据客户要求进行订制，灵活性强；(5)与一般的机械进行比较，它的开关动作速度更快、因无过多的机械连杆，也就是没有过多的维护点，所以它的使用寿命会更长；(6)单个产品可以实现多点输出参与控制或联锁功能。

浮球液位开关的缺点主要有：(1)浮球开关是结构简单的仪表设备，无法实现类似智能仪表的自检或者自诊断功能，所以无法知道浮球液位开关是否处于正常工作的状态，接点信号是否可以及时的触发，以保证控制和联锁的功能。(2)浮球液位开关因为与介质直接接触，且在介质液位发生变化时，液位开关也是浮动的。所以它是一种活动部件的仪表元器件，因此用在介质黏度较高或者杂质较多的地方会结垢或者卡涩，会使得其准确度降低，严重者会导致浮球液位开关无法正常工作。(3)根据介质密度的变化，浮球实际检测的位置也会发生一定变化，所以浮球液位开关的测量精度相对其他形式较差。(4)对容器内的介质的温度、密度、介电常数及压力均有严格要求，参数的偏离均可能会导致液位开关无法正常使用。

2.2 音叉液位开关

音叉液位开关的工作原理，是利用放置在基础上的一个压电晶体，使音叉在一定共振频率下产生震动。当音叉液位开关的音叉与被测试介质相碰时，音叉的频谱与振幅都将出现变动，而音叉液位开关的这种变动将会经由智能电路来加以监测，处理并使其转化为下一个的开关位置信息，最后以达到对液位报警或监控的目的。音叉液位开关的优点主要有：(1)音叉液位开关由于是采用振动这一特点，从而不受流速、气泡、湍流、气泡、固体浓度、沾敷、产品变形等工况的影响；(2)安装便利，免维护；(3)与浮球液位开关不同，是没有活动零件，也没有机械连杆的仪器元件，结构更简单，维修环节也更少；(4)具有自检或自诊断功能，所以可以随时知道音叉液位开关是否处于工作正常的状态，是否接点信号可以及时的触发保证控制和联锁的功能。音叉液位开关的缺点主要是该类型开关不适合应用于非常黏的介质，例如粉料类的介质。这会导致音叉液位开关的叉体被黏稠的介质覆盖且堆积，将干扰物位检测，可能会触发误动作。

2.3 超声波液位开关

超声波液位开关与内部压电结晶的探头之间被空气分隔，把某个产生特定振荡频率的结晶，利用声音信息传送空气缝隙中，当探头浸入液体时，结晶与声音产生偶合状态，超声液位控制器状态也产生了变化。

超声波液位开关的主要优点是：(1)由于超声液位开关采取了非接触式检测方法，而且并没有直接和介质进行接触，故超声液位开关对检测有强腐蚀性(酸、碱)的介质、对有环境污染的工作场所，以及对容易形成黏附物的物质均不能引起危害；(2)无需法兰、螺纹、打孔等其他复杂的过程连接，只需将探头贴近与容器的外侧壁固定即可完成安装。

超声波液位开关的主要缺点是：(1)与被测介质黏度有一定关系，并不是因为介质会污染探头，而是因为被测介质黏度较大时吸附于罐壁，这会导致超声波液位开关无法有效地发出波穿过附着在吸附在罐壁上的黏稠介质，误认为这是实际液位，会检测到错误信号，从而影响测量导致液位开关误动作。(2)受介质温度影响较大，温度过高时会无法及时触发超声波液位开关动作。

3 液位开关的选用

浮球液位一般情况下适用于不十分重要的场合，比如小型储罐的液位报警、水池液位高低控制外排泵的启停等。音叉液位开关一般用于重要设备或大型机组的联锁保护，重要储罐出口的泵的高低液位保护等场合。超声波液位开关一般主要考虑到安装的便利性，常见的都是安装在储存有害介质的储罐及压力容器，在化工罐区尤为常见。

3.1 过程连接

浮球液位开关与音叉液位控制器之间的过程链接，一般都采用螺纹连接和法兰连接，为了满足工艺功能的需要，我们会选择顶装式、测装式以及抛入形式。超声波液位开关选用的为贴壁形式。

3.2 材质

浮球液位开关的浮球材质，常使用不锈耐酸钢316L、哈氏合金C4(2.4610)、不锈耐酸钢涂哈氏合金、不锈钢喷涂瓷漆、不锈钢喷涂PFA等。音叉液位开关叉体的材质，常使用不锈耐酸钢316L、哈氏合金C4(2.4610)、哈氏合金C4(2.4610)喷涂瓷漆、不锈耐酸钢喷涂PFA等。超声波液位开关因为传感器部分无需和介质直接接触，所以一般只需考虑罐壁或管道材质及使用温度即可。

3.3 防护等级的要求

浮球液位开关、音叉液位开关、超声波液位开关均根据国标GB 4208—2017与国际电工委员会 IEC标准IEC 529-76关于外壳防护等级为[1]：IPXX,第一位代表的是防尘等级，考虑到工业生产中恶劣的环境与不定因素，我们在工业使用中基本选择的都是IP6X,6代表完全防止外物及灰尘。所以基本在防护级别上选用了IP65IP66IP67IP68,而在工业中我们基本选用了IP67和IP68的情况比较多，7代表在深度达1 m的水中防30 min的浸渍危害，8代表在深度大于1 m的水中防止持续浸渍危害。

3.4 不接触介质材质

浮球液位开关、超声波液位开关及音叉液位开关的外壳可以选用塑料PBT(聚酯)、不锈钢等。

3.5 电源选择

浮球液位开关根据使用场地和环境不同，选择使用220VAC或24VDC电源。

3.6 防爆等级

浮球液位开关一般为AEPS或ATEX等。

4 液位开关的质量检查

当液位开关到货后，务必第一时间对其进行组织验收，其中有几点需格外注意。

(1)铭牌检查。务必确定其技术参数是否完整，并与设计规格书或计量书的尺寸相符，其技术参数一般包含但不限于：生产制造厂名、生产规格型号、生产出厂序号、公称通径、设计流量范围、精度级别、防爆等级、保护级别、制造年月等。

(2)外观检查。外观上不能发生毛刺形成、刻伤、裂痕、腐蚀、霉斑、涂层，不允许有起皮、脱落的迹象。

法兰密封面和螺纹处无任何损伤。

(3)开盖检查。如果条件允许，建议开盖检查并做一次动作测试，这是因为实际工作中曾遇到过开盖后发现内部端子明显有进水迹象，通过测试后发现液位开关失效，无法正常动作。

(4)合格证书检查。检查合格证及检定或标定证书是否齐全且合格；供电电压是否与设计规格书或计算书保持一致；变送器及传感器盖是否盖紧，孔洞是否封堵合格，且无任何损伤。

5 液位开关选用及应用的经验

5.1 材质与介质影响

浮球液位开关浮球的材质选用并不是绝对的，当选型时除了考虑设计的介质外，也要充分考虑是否存在其他介质的可能，是否存在介质发生改变或者浓度发生改变的情况，评估后再做选择，避免设备损坏的风险。

在选用时经常会忽略可能存在的介质，这导致后期投用介质后很快就无法正常使用，二次选型来解决投入的成本也会更高，而且更重要的还面临着工艺是否具备隔离的条件，有些情况还需要切除联锁保护或者控制功能，此问题会给现场的应用及维修带来巨大困难。尤其是浮球如果被腐蚀发生泄漏，那么浮球就无法正常工作，也就是浮球液位开关出现故障，我们曾尝试过维修泄漏的浮球，意义不大，一方面补焊的难度较大，另外浮球的质量也会发生改变，即使临时使用也只能很短时间，基本只能通过订购原备件解决，这是因为没有从根本上解决问题。

解决办法是，在项目详细设计阶段时，首先工艺介质要由设计院工艺专业和有生产运行经验的业主共同确认后在反馈给仪表专业进行选型确认，尤其时明确浓度范围，这是材质选择的关键部分，另外在工艺提出条件时务必要求提供相对准确的密度，不然即使材质选用没有问题但仍无法解决测量液位相对准确的问题。音叉液位开关叉体的材质选用同浮球液位开关的策略基本一致，务必提前落实好是否存在设计工艺介质以外的混入情况，因为测量原理不同，音叉液位开关是不会受到介质密度变化影响的。

5.2 酸雾环境对液位开关的影响

浮球液位开关、音叉液位开关和超声波液位开关不接触介质的部分在我们选型中基本会忽略，一般都是按厂家标准进行选择，但是对于有些例如酸雾环境，厂家标准配置可能就不适用了，长时间运行会导致外壳腐蚀，严重时还会造成腐蚀穿孔，从而导致内部端子及元器件的损坏，液位开关无法正常使用。

建议在设计阶段分析出可能存在酸雾的区域，如果条件允许在酸碱罐区的设计时不考虑酸雾的情况，建议也对外壳材质按酸雾腐蚀考虑，因为在此区域有很多静密封点，如果泄漏或者维修就可能在环境中存在酸雾的可能。防爆级别和要求根据设计院提供的防爆区域等级要求选型即可。

5.3 超声波液位开关与耦合剂

超声波液位开关因为采用了贴壁式安装，为了保证传感器和储罐容器等充分结合，会在超声波液位开关传感器和储罐容器的外壁涂抹耦合剂。随着使用时间变长，会陆续出现故障现象，这一般都是耦合剂失效所导致。解决办法是，增加预防性维护工作，2～3年对其更换耦合剂，可以采用有经验的蜘蛛人协助安装，这样也会大大地节省搭设脚手架的费用以及现场施工的风险。当然也建议选择厂家推荐或者使用效果较好的耦合剂产品。

5.4 音叉液位开关的可靠性措施

音叉液位开关需要注意的一点是在存在有黏稠的介质，例如粉料，选用叉体的形式就很容易在一定周期因为挂料导致音叉开关失效，更有甚者有触发联锁误动作的可能。可以在不改变过程连接、接线、测量原理的情况下，考虑采用棒式的音叉开关，这种结构因为类似一种光滑的金属棒，黏稠介质相对很难在棒体上挂料，另外随着容器或设备的轻微振动，有些介质会脱落，从而保证可靠性。

6 结语

合理选择并使用液位开关十分重要。本文对几种主要类型液位开关的工作原理及应用进行分析，对在工业上如何合理的选择并合理使用液位开关有一定的借鉴作用。