磁致伸縮式液位計(jì)的原理和應(yīng)用

謝芳

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101）

液位儀表的選型要求較高。通常液位測量由于對(duì)象復(fù)雜，液位的測量范圍變化大等原因，在液位計(jì)的選擇過程中需要考慮的因素主要有測量工況分析、介質(zhì)特性分析、測量要求分析、精度要求分析、用戶的使用習(xí)慣考慮、性價(jià)比選擇等。石化裝置具有高溫高壓、易燃易爆的特點(diǎn)，對(duì)用于易燃易爆、有毒、腐蝕性介質(zhì)測量的儀表，重點(diǎn)應(yīng)考慮儀表的可測范圍、穩(wěn)定性，介質(zhì)腐蝕性，儀表的維護(hù)量等內(nèi)容。液位測量的儀表種類繁多，磁致伸縮式液位計(jì)具有測量精度高、范圍寬、使用方便、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于石化、制藥、水利等領(lǐng)域，比傳統(tǒng)壓力式、機(jī)械式、電容、超聲波或雷達(dá)等測量系統(tǒng)具有更高的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1］。

1 磁致伸縮式液位計(jì)簡介

磁致伸縮（Magnetostrition）指鐵磁質(zhì)中磁化方向的改變會(huì)引起介質(zhì)晶格間距的改變，從而使得鐵磁質(zhì)的長度和體積發(fā)生改變的現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象具有各向異性，當(dāng)長度為L的磁性材料在磁化方向上的長度變化為ΔL時(shí)，磁致伸縮率可表示為：λ＝ΔL／L。磁致伸縮率的范圍一般為1×10－3～1×10－5。

磁致伸縮式液位計(jì)（Magnetostrictive Liquid LeveL Meter）內(nèi)部檢測元件由一定的磁致伸縮物質(zhì)構(gòu)成，是基于磁致伸縮原理設(shè)計(jì)制造的液位（界位）計(jì)，它由磁性浮子驅(qū)動(dòng)，高精度、高分辨率變送器傳送4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（帶 HART）［2］，24V直流二線制供電，變送器可做成耐腐蝕型的。

1.1 工作原理

磁致伸縮式液位計(jì)的基本原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)分為三部分：浮球、變送器和裝有磁致線的不銹鋼測量管。

當(dāng)變送器接通電源后，脈沖發(fā)送器和接收器開始工作，發(fā)送器定時(shí)向下端發(fā)送低電流詢問脈沖信號(hào)，脈沖及其磁場順著磁致伸縮線向下運(yùn)行，當(dāng)脈沖信號(hào)的磁場與浮球內(nèi)的磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生扭應(yīng)力脈沖，這個(gè)扭應(yīng)力脈沖向磁致線兩端傳送。向下傳送的扭應(yīng)力脈沖被阻尼吸收，向上傳送的扭應(yīng)力脈沖被接收器接收并檢測出來。根據(jù)從發(fā)出詢問脈沖到接收返回扭應(yīng)力脈沖的時(shí)間差，就可計(jì)算出液位的高度并轉(zhuǎn)換成4～20mA的輸出信號(hào)。

圖1 磁致伸縮式液位計(jì)基本原理

圖2 磁致伸縮式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意

1.2 性 能

磁致伸縮式液位計(jì)應(yīng)用于石化領(lǐng)域，作為非接觸式液位計(jì)，具有較大優(yōu)勢。

a）可靠性強(qiáng)。無機(jī)械可動(dòng)部分，故無摩擦、無磨損，核心元件與測量介質(zhì)非接觸，使用壽命長。

b）精度高。分辨率高于0.01%，相當(dāng)于1mm，計(jì)量精度最高可達(dá)0.5mm。

c）安全性好。磁致伸縮式液位計(jì)的防爆性能高，本安防爆，使用安全，特別適合對(duì)液體化工原料和易燃液體的測量。

d）磁致伸縮式液位計(jì)易于安裝、維護(hù)簡單、維護(hù)量少，有利于大幅降低維護(hù)成本。

e）可以遠(yuǎn)程傳遞信號(hào)，輸出模擬量或數(shù)字量，帶HART協(xié)議和RS－485接口。

磁致伸縮式液位計(jì)由磁性浮子驅(qū)動(dòng)，可以連續(xù)測量介質(zhì)液位和界位，變送器精度高，分辨率高，測量重復(fù)性好，可用做計(jì)量級(jí)的儀表，適宜于在一定的黏度、介電常數(shù)范圍內(nèi)對(duì)潔凈介質(zhì)的測量［2］，而對(duì)下列參數(shù)的變化不會(huì)產(chǎn)生漂移和誤差：介電常數(shù)變化、氣相組分變化、壓力變化。理論上，溫度變化產(chǎn)生的誤差很小，平均每變化10℃，輸出值變化小于2mm。有隔爆型和本安型；防護(hù)性能可以做到IP67。

1.3 基本參數(shù)

a）測量范圍：測量管是剛性桿時(shí)，測量范圍不大于6m；測量管是柔性桿時(shí)，測量值在3.5～20m［2］。

b）下盲區(qū)：液位測量不大于60mm；界位測量不大于15mm。

c）上盲區(qū)：液位測量不大于100mm。

d）工作電壓：直流24V。

e）工作環(huán)境溫度：－50～125℃。

f）介質(zhì)溫度：－200～400℃。

g）工作壓力：真空～16MPa。

2 安 裝

實(shí)踐證明，設(shè)備頂部安裝法蘭，有利于安裝和維護(hù)。設(shè)備上裝法蘭，帶法蘭蓋，在法蘭蓋上開螺紋。安裝時(shí)，先卸下浮球和擋環(huán)，將液位計(jì)擰緊在法蘭蓋上，然后裝上浮球和擋環(huán)，再將液位計(jì)和法蘭蓋依次裝入容器［2］。有時(shí)，也可以在罐側(cè)壁選擇法蘭安裝方式。

隔爆型儀表接線為典型的二線制，無需另接電源，本安型儀表接線在控制系統(tǒng)側(cè)加裝安全柵。

3 設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 影響儀表工作的干擾因素

干擾來自于靜電放電、射頻電磁場輻射、浪涌沖擊、工頻磁場等。介質(zhì)溫度變化過大或在振動(dòng)環(huán)境下使用，也會(huì)給磁致伸縮式液位計(jì)的測量帶來干擾。

3.2 設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

a）由于測量原理等因素，當(dāng)磁致伸縮式液位計(jì)處于強(qiáng)磁場干擾環(huán)境下，會(huì)使浮子受的磁場力疊加導(dǎo)致消磁。因此，安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁環(huán)境，如高壓電機(jī)、風(fēng)機(jī)、離心機(jī)、攪拌器、變頻器、干燥床等，需要急停、啟動(dòng)的地方，這些設(shè)備應(yīng)做好接地屏蔽工作。同時(shí)，磁致伸縮式液位計(jì)的信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電源線，并使信號(hào)線屏蔽層處于良好接地狀態(tài)。

b）靜電放電會(huì)干擾磁致伸縮式液位計(jì)的測量，使用時(shí)應(yīng)使安裝有液位計(jì)的設(shè)備良好接地。

c）為了避免射頻電磁場輻射，需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮無線儀表發(fā)射源的位置，至少保證2m以上的距離。

d）對(duì)于浪涌沖擊非可控的干擾，一般會(huì)在現(xiàn)場側(cè)加浪涌保護(hù)器、防雷擊、保護(hù)電路板。浪涌保護(hù)器中的抑制元件（壓敏電阻MOV）是采用損耗自身的方式對(duì)沖擊電流進(jìn)行消解（發(fā)熱、融化），對(duì)抗大電流的沖擊。這樣就可以很好地保護(hù)磁致伸縮式液位計(jì)的本體安全。

e）工頻磁場多數(shù)由工頻機(jī)泵產(chǎn)生，安裝磁致伸縮式液位計(jì)時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離工頻機(jī)泵。

f）如果介質(zhì)溫度變化過大，磁致伸縮式液位計(jì)不宜作為計(jì)量級(jí)的儀表使用。但是，只要滿足平均每變化10℃，輸出值變化小于2mm的條件，介質(zhì)溫度累計(jì)變化所產(chǎn)生的誤差一般在測量要求誤差范圍之內(nèi)。

g）在振動(dòng)環(huán)境使用時(shí)，也會(huì)影響精度，液位計(jì)最好安裝在非振動(dòng)的工況條件下。

4 磁致伸縮式液位計(jì)的應(yīng)用

磁致伸縮式液位計(jì)在石化行業(yè)主要應(yīng)用于油罐液位和烷基鋁儲(chǔ)罐液位的測量，現(xiàn)已越來越多地應(yīng)用于原油儲(chǔ)罐、成品油儲(chǔ)罐液位的測量［3］。

a）油品液位測量如果涉及貿(mào)易結(jié)算，就必須使用計(jì)量級(jí)的測量儀表。如果選擇在罐頂部開口安裝，磁致伸縮和伺服馬達(dá)液位計(jì)都可以達(dá)到測量要求，但伺服馬達(dá)液位計(jì)測量原理復(fù)雜、安裝繁瑣、價(jià)格昂貴、維護(hù)工作量大；而磁致伸縮式液位計(jì)不僅能夠做到本安防爆、安裝方便、精度高、維護(hù)量少，性價(jià)比相對(duì)較高，很適合替代伺服馬達(dá)液位計(jì)用在油罐液位測量上。

b）在非計(jì)量級(jí)要求油罐液位測量上，磁致伸縮式液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)均可達(dá)到測量要求。但是雷達(dá)液位計(jì)會(huì)受介電常數(shù)的影響，烴類混合物介電常數(shù)通常較低，需要加裝導(dǎo)波管，因而應(yīng)用范圍受限。而磁致伸縮式液位計(jì)的惟一可動(dòng)部件是浮子，維護(hù)量極少，節(jié)省人工，性價(jià)比高，很受用戶的歡迎。

c）以某聚丙烯裝置原料罐為例，如圖3所示。儲(chǔ)罐高18m，介質(zhì)為液化石油氣，易揮發(fā)，密度527.5kg／m3，介電常數(shù)為1.6，設(shè)計(jì)溫度為50℃，設(shè)計(jì)表壓為1.7MPa，最高介質(zhì)溫度為35℃，工作表壓為900kPa，要求頂部法蘭安裝，測量精度±1mm，測量范圍在0～18m，4～20mA的輸出信號(hào)，防爆等級(jí)Ex dⅡBT4，防護(hù)等級(jí)IP65。在該工況下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇雷達(dá)液位計(jì)（帶導(dǎo)波管）和伺服馬達(dá)液位計(jì)。由于液化石油氣具有揮發(fā)性，儲(chǔ)罐內(nèi)存在揮發(fā)氣體，揮發(fā)氣體影響雷達(dá)回波的反射，用雷達(dá)液位計(jì)測量時(shí)，測量效果不理想；選用伺服馬達(dá)液位計(jì)測量精度高，測量效果好，但是因?yàn)闄C(jī)械部件很多，易出現(xiàn)磨損，維護(hù)工作量大；磁致伸縮式液位計(jì)選型時(shí)，測量高度如果大于6m，測量管需要選柔性桿，柔性桿可測量的最大高度為20m，滿足測量范圍0～18m要求，液位計(jì)精度高，測量效果好。這三類液位計(jì)的對(duì)比見表1所列，使用磁致伸縮式液位計(jì)測量液化石油氣儲(chǔ)罐液位綜合成本低，效果好。

表1 三種液位計(jì)對(duì)比

圖3 聚丙烯原料球罐

d）以某烯烴裝置烷基鋁進(jìn)料罐的液位測量為例，如圖4所示，罐高800mm，直徑250mm。介質(zhì)烷基鋁是一種在聚烯烴反應(yīng)中重要的催化劑［3］，密度829kg／m3，設(shè)計(jì)溫度為324℃，設(shè)計(jì)表壓為1.2MPa，操作溫度為30℃，操作表壓為241kPa。

圖4 烷基鋁進(jìn)料儲(chǔ)罐

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，烷基鋁的存儲(chǔ)和輸送過程應(yīng)遠(yuǎn)離熱源，并處于干燥惰性氣體（如氮?dú)?、氬氣）的保護(hù)下［2］；當(dāng)暴露于氧氣、水或含有活潑氫的混合物（如醇或酸）中，會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)；與空氣接觸后燃燒，遇含氧化合物（如水）也會(huì)劇烈燃燒或爆炸，并生成一種帶有刺激性氣味的氧化物氣體，此氣體對(duì)人體氣管和肺均能造成傷害；烷基鋁還可導(dǎo)致皮膚和眼睛的嚴(yán)重?zé)齻?。在?duì)其進(jìn)行液位測量時(shí)，要求選擇本安型EExiaⅡCT6，防護(hù)等級(jí)IP65，4～20mA輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳的液位計(jì)，測量精度0.5%，測量范圍在0～747mm，頂部安裝法蘭。雷達(dá)式和伺服馬達(dá)液位計(jì)供電方式均為四線制供電，不能做到本安防爆，不符合選型要求；傳統(tǒng)方案中選用浮筒式液位計(jì)，但測量精度低，有機(jī)械部件，需要定期維護(hù)標(biāo)定；在同等條件下，選用磁致伸縮式液位計(jì)，安裝較浮筒式液位計(jì)簡單，測量精度也遠(yuǎn)高于浮筒式液位計(jì)，磁致伸縮式與浮筒式液位計(jì)技術(shù)性能對(duì)比，見表2所列。

表2 磁致伸縮式與浮筒式液位計(jì)對(duì)比

5 結(jié)束語

雖然磁致伸縮式液位計(jì)價(jià)格較貴，但是安裝調(diào)試好以后，沒有什么維護(hù)工作量，工作人員不需要經(jīng)常接觸儲(chǔ)罐，從而大幅降低了工作人員和危險(xiǎn)化工原料接觸的機(jī)會(huì)，其綜合費(fèi)用低，性價(jià)比高。應(yīng)用實(shí)踐證明，使用效果很好，得到了用戶的認(rèn)可。

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