Enraf伺服液位計(jì)的測(cè)量原理及應(yīng)用

黃紅星

（洛陽三隆安裝檢修有限公司 ，河南 洛陽 471012）

1 前言

液位是油品儲(chǔ)罐最重要的儀表參數(shù)之一，通過對(duì)液位的測(cè)量和監(jiān)控，可以掌握物料進(jìn)出情況，科學(xué)、合理的進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)調(diào)度和管理，并避免作業(yè)中將罐抽空或冒罐等事故的發(fā)生，保證安全生產(chǎn)。隨著油品罐區(qū)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的實(shí)施，大型油品儲(chǔ)罐必須使用具有較高精度和遠(yuǎn)程通訊功能的液位測(cè)量儀表，實(shí)現(xiàn)液位的不間斷的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控。

Enraf（恩拉福）公司是世界上歷史最悠久的專門制造液位計(jì)的著名公司，其伺服液位計(jì)的精度能達(dá)到±0.7mm，取得了國際和中國的防爆認(rèn)證及計(jì)量認(rèn)證，被譽(yù)為“油罐計(jì)量領(lǐng)域的專家”，在世界各地有許多成功的應(yīng)用，洛陽石化選用的854ATG/XTG型伺服液位計(jì)是其成熟產(chǎn)品，目前為止，已經(jīng)在36座儲(chǔ)罐上得到了應(yīng)用，占儲(chǔ)罐液位計(jì)總數(shù)的四分之一，本文旨在介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和液位測(cè)量的工作原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出在設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)等方面的注意事項(xiàng)，以便充分發(fā)揮Enraf伺服液位計(jì)安全可靠、測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，確保安全生產(chǎn)。

2 Enraf伺服液位計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Enraf伺服液位計(jì)是由微處理器控制的智能化儀表，屬于接觸型浮子液位計(jì)。在結(jié)構(gòu)上由線鼓室、電子部分室和接線端子室三個(gè)相互獨(dú)立的腔體組成，并利用線鼓罩將線鼓室和電子部分室完全隔開，從結(jié)構(gòu)上保證了隔爆安全。線鼓室包含由浮子、測(cè)量鋼絲、測(cè)量磁鼓組成的測(cè)量機(jī)構(gòu)，浮子通過纏繞在精密加工過的線鼓上的測(cè)量鋼絲被懸掛在儀表外殼內(nèi)，線鼓室密切接觸介質(zhì)。電子部分室包含液位計(jì)的電源板、力傳感器和伺服機(jī)構(gòu)及控制單元，必須完全隔離易燃、易爆的被測(cè)介質(zhì)。線鼓與伺服電機(jī)的傳動(dòng)突破了傳統(tǒng)的軸連接或齒輪連接等直接連接方式，創(chuàng)新地利用磁耦合來實(shí)現(xiàn)間接連接，將一對(duì)環(huán)型強(qiáng)磁鐵分別安裝在兩室內(nèi)，外磁子嵌在線鼓內(nèi)組成測(cè)量磁鼓，內(nèi)磁子固定在伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。這樣的結(jié)構(gòu)不僅保證了伺服電機(jī)對(duì)浮子的精確控制，而且使電氣部件和易燃、易爆的被測(cè)介質(zhì)完好隔離，達(dá)到了使用中的隔爆安全。

2.2 工作原理

2.2.1 基本原理

Enraf伺服液位計(jì)的液位測(cè)量基于阿基米德浮力原理、力平衡原理和力矩平衡原理，是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)浮子自動(dòng)跟蹤液面變化進(jìn)行的。測(cè)量浮子漂浮在液體介質(zhì)的表面，其底部通常沉入液面1～2mm，此時(shí)浮子受到測(cè)量鋼絲的拉力（F）、重力（G）和液體介質(zhì)的浮力（f）三個(gè)力的作用。測(cè)量鋼絲始終是繃緊的，當(dāng)拉力、重力和浮力構(gòu)成力平衡，即F＝G－f時(shí)，浮子穩(wěn)定的漂浮在液面上，能夠藉此確定液面的位置。同時(shí)，鋼絲的張力、測(cè)量磁鼓和內(nèi)磁子及伺服機(jī)構(gòu)構(gòu)成力矩平衡，伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。已知浮子的質(zhì)量為223g，浮子漂浮在液面上所受浮力約為15g，則浮子平衡在液面上受到的拉力，等于測(cè)量鋼絲上的張力F為208g，將平衡張力F＝208g作為伺服控制單元的設(shè)定值S1。伺服液位計(jì)的核心是一個(gè)精密的力傳感器，這個(gè)裝置會(huì)不停頓地連續(xù)測(cè)量鋼絲的張力，當(dāng)液位上升或下降時(shí)，浮子受到的浮力發(fā)生變化，使測(cè)量鋼絲上的張力隨之變化，控制單元將力傳感器檢測(cè)到的張力數(shù)值與設(shè)定值（S1＝208g）進(jìn)行比較，比較的結(jié)果驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)磁子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過磁耦合作用，外磁子帶動(dòng)線鼓同步轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量鋼絲拉上或放下浮子，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)對(duì)浮子的精確控制。

2.2.2 液位測(cè)量過程

在平衡狀態(tài)下，由力傳感器所檢測(cè)到的測(cè)量鋼絲張力和控制單元的設(shè)定值是相等的。當(dāng)液面下降時(shí)，測(cè)量浮子的浸沒體積減小，其所受的浮力減小，則測(cè)量鋼絲上張力F＞208g，張力的改變立即被力傳感器檢測(cè)到，控制單元對(duì)測(cè)量值和設(shè)定值進(jìn)行比較后發(fā)出命令，啟動(dòng)伺服電機(jī)，通過磁耦合作用帶動(dòng)線鼓逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以0.05mm的步幅放下浮子，增加浮子浸沒深度，浮子所受浮力增大，直到液面恢復(fù)平靜，浮子漂浮在液面上獲得新的力平衡，力傳感器所檢測(cè)到的鋼絲張力等于控制單元的設(shè)定值，停止伺服電機(jī)。這是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋無差控制過程，保證了液位測(cè)量的高精度和高分辨率。浮子在不斷地跟蹤液面變化的同時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，微處理器計(jì)算出測(cè)量浮子的位移量，即液面的變化量，并遠(yuǎn)傳到中央控制室，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐液位的集中實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)液面上升時(shí)，這個(gè)過程正好相反。

3 Enraf伺服液位計(jì)的故障分析及處理

自1999年首次安裝使用12臺(tái)以來，到2010年洛陽石化已有36臺(tái)Enraf伺服液位計(jì)在用。該液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠，得到了操作人員的很高評(píng)價(jià)。但是在 G1503、G1505、G1507、G501－G508以 及G1412等儲(chǔ)罐上出現(xiàn)了多次故障?？偨Y(jié)起來主要有以下幾種。

3.1 “浮子卡”故障

3.1.1 故障現(xiàn)象及原因分析

在進(jìn)出物料作業(yè)中，液位顯示值長時(shí)間為某個(gè)固定的數(shù)值，原因是浮子在導(dǎo)向管內(nèi)上下移動(dòng)過程中，在某位置受到了附加力（除重力、浮力、拉力外）的作用，并且達(dá)到了力平衡，使伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液位計(jì)輸出值保持。實(shí)際上浮子沒有漂浮在液面上，而是停留在某處了，形成“浮子卡”故障。

這種故障均發(fā)生在有導(dǎo)向管的浮頂罐應(yīng)用上，由于導(dǎo)向管不是液位計(jì)廠家配套供貨，多由用戶根據(jù)廠家建議設(shè)計(jì)、預(yù)制和安裝，因此發(fā)生了G1503、G1505、G1507等罐的浮子與導(dǎo)向管內(nèi)壁的間距過小，導(dǎo)向管內(nèi)有焊渣、有變徑或開孔時(shí)留有毛刺等情況，容易造成“浮子卡”故障。

3.1.2 故障處理

對(duì)于多次發(fā)生“浮子卡”故障的Enraf伺服液位計(jì)，在用便攜操作器PET進(jìn)行故障處理時(shí)，不能僅僅命令伺服電機(jī)提升或下降浮子，使其脫離被卡處，而要執(zhí)行提升和下降兩種過程，并保證浮子不被卡在另一處。具體操作如下：第一步，發(fā)出LT命令提升浮子，用1A觀察液位值增加約20cm后，發(fā)出FR命令停住浮子，再用UN命令浮子尋找液面，出現(xiàn)INN標(biāo)記后記錄示值L1。第二步，發(fā)出I2命令使浮子下沉，用1A觀察示值減少約20cm后，用I1命令浮子尋找液面。出現(xiàn)INN標(biāo)記后記錄示值L2。只有當(dāng)L1＝L2時(shí)，才能確定浮子在液面上。在實(shí)際維護(hù)工作中，還可以嘗試下列四種解決辦法：①把表頭轉(zhuǎn)向90度重新安裝。②把磁鼓上的鋼絲剪掉一截，使浮子落到罐中心高度的時(shí)候，鋼絲也恰好纏繞在磁鼓中間的槽上。③校驗(yàn)力傳感器，測(cè)量浮子重量，重新設(shè)置合適的S1值。④把浮子更換為45mm直徑的浮子。Enraf伺服液位計(jì)浮子的直徑有45mm、90mm、110mm三種尺寸，為了增大導(dǎo)向管與浮子的間隙，只能使用最小的浮子。實(shí)踐證明，前三種方法可以降低故障頻度，只有第四種方法才能從根本上杜絕“浮子卡”故障。

3.2 進(jìn)料時(shí)液位示值下降，出料時(shí)液位示值上升

在G501－G508柴油和石腦油儲(chǔ)罐上，曾發(fā)生進(jìn)料時(shí)液位示值下降，出料時(shí)液位示值上升的反?，F(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)浮子上堆滿銹渣，使浮子重量大大增加，被浸沒在油品中，浮子（含銹渣）的重力、鋼絲拉力、油品對(duì)浮子的壓力及浮力構(gòu)成力平衡。液面升高壓力增大，浮子下降；液面降低壓力減小，浮子降低。主要原因是油品腐蝕性強(qiáng)，使導(dǎo)向管內(nèi)壁銹蝕較嚴(yán)重。將浮子上銹渣清理后，儀表測(cè)量正常。

3.3 浮子丟失故障

應(yīng)用在G1412醋酸罐的Enraf伺服液位計(jì)曾發(fā)生測(cè)量失靈故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)浮子丟失。原因是測(cè)量鋼絲被腐蝕性介質(zhì)腐蝕，失去了剛性而被浮子拉斷。這是選型不當(dāng)造成的，重新選型、訂貨，更換為抗腐蝕的浮子和測(cè)量鋼絲后，投用正常。

3.4 測(cè)量鋼絲被粘在線鼓上

測(cè)量值不跟隨液位的變化而變化，有時(shí)液位沒變化指示值卻突變。原因是被測(cè)介質(zhì)發(fā)生結(jié)晶，將測(cè)量鋼絲粘滯在了線鼓上。增加表頭的伴熱和保溫，并保證殼體的良好密封，能夠解決。另外，線鼓上也可能粘上了鐵銹屑等，必須進(jìn)行清洗。

4 正確的設(shè)計(jì)選型和安裝使用

總結(jié)在使用中發(fā)生過的各種故障，認(rèn)真分析后可以得出結(jié)論，雖然Enraf伺服液位計(jì)屬于機(jī)械式儀表，但是測(cè)量精度非常高、運(yùn)行很穩(wěn)定、可靠性極高，曾經(jīng)發(fā)生的故障都是設(shè)計(jì)選型、安裝等方面的原因，尤其是導(dǎo)向管造成的。因此必須重視設(shè)計(jì)選型和安裝使用。

4.1 設(shè)計(jì)選型注意事項(xiàng)

Enraf伺服液位計(jì)屬于浮子接觸式測(cè)量儀表，測(cè)量非黏稠的被測(cè)介質(zhì)才能選用。當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，必須選擇抗腐蝕的浮子和鋼絲。對(duì)于浮頂罐可以安裝在導(dǎo)向管上，將浮子置于導(dǎo)向管中進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于拱頂罐要使浮子避開罐內(nèi)加熱盤管等干擾物，如果液面波動(dòng)較大，則要使用穩(wěn)液管安裝。設(shè)計(jì)中對(duì)導(dǎo)向管（穩(wěn)液管）必須有明確的要求。第一：導(dǎo)向管材質(zhì)要耐腐蝕。第二：導(dǎo)向管必須準(zhǔn)直，如果是用多節(jié)鋼管焊接構(gòu)成，則不得存在變徑和彎曲。第三：導(dǎo)向管內(nèi)部必須光滑沒有毛刺，焊縫必須清除干凈；應(yīng)兩面對(duì)稱開孔，孔距300mm，孔徑25mm，開孔后必須將毛刺清除干凈。第四：導(dǎo)向管的底部要安裝擋板，防止浮子沉到底再提升時(shí)被卡在管口，損壞液位計(jì)。在確定浮子的直徑時(shí)，要根據(jù)導(dǎo)向管的直徑選擇。建議DN150的導(dǎo)向管選用45mm的浮子，DN200的導(dǎo)向管選用90mm或110mm的浮子。

4.2 正確的安裝

儀表測(cè)量準(zhǔn)確、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定良好、故障率很低，基于正確的機(jī)械安裝。Enraf伺服液位計(jì)在安裝時(shí)必須做到以下幾點(diǎn)：第一，安裝液位計(jì)的法蘭必須盡可能水平，水平度不大于2度，否則可能造成測(cè)量誤差。第二，導(dǎo)向管必須豎直，從頂部吊掛重錘到管底，錘心距離中心偏差不超過5mm，否則液位計(jì)可能無法正常工作。

4.3 維護(hù)要求

Enraf伺服液位計(jì)只要安裝符合要求，投用、運(yùn)行正常，日常維護(hù)量很低，僅需每年檢查一下輪鼓、測(cè)量鋼絲和浮子，清理掉可能有的污物。需要特別注意的是，在儲(chǔ)罐清罐、防腐時(shí)，必須提前將浮子提升到標(biāo)定腔中，再切斷液位計(jì)的供電。施工中嚴(yán)禁敲擊及劇烈震動(dòng)液位計(jì)表頭，避免損壞力傳感器、磁鐵、測(cè)量鋼絲和浮子等。