制藥企業(yè)液位檢測(cè)技術(shù)的選擇

劉金萍 王谷洪 朱明輝 陳茂文

（江西江中制藥（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西南昌330096）

0 引言

隨著智能制造時(shí)代的到來，以質(zhì)量為生命線的制藥企業(yè)如何搭載“智能制造”這趟快車，是眾多制藥企業(yè)面臨的重大課題。在智能化生產(chǎn)過程中，液位檢測(cè)和監(jiān)控在醫(yī)藥、飲料等行業(yè)的生產(chǎn)中扮演著重要的角色，液位監(jiān)控直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至關(guān)系到生產(chǎn)過程能否順利進(jìn)行。同時(shí)，液位檢測(cè)設(shè)備作為一種重要的計(jì)量器具，是生產(chǎn)過程安全、受控的重要保證要素之一。合格的液位檢測(cè)設(shè)備、過硬的液位檢測(cè)技術(shù)，不僅為制藥企業(yè)的原輔料、半成品和成品質(zhì)量保駕護(hù)航，還在GMP的實(shí)施過程中有著舉足輕重的地位。因此，為了保障產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，只有科學(xué)地選擇液位檢測(cè)技術(shù)，才能保障檢測(cè)結(jié)果的可靠性、穩(wěn)定性。

1 液位檢測(cè)技術(shù)

液位檢測(cè)總體上可以分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方法。

直接檢測(cè)法是一種最簡(jiǎn)單、直觀的液位檢測(cè)方法，它是利用連通器的工作原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。

間接檢測(cè)法是將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為其他相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的方法。

2 直接檢測(cè)技術(shù)

玻璃管液位計(jì)是一種直讀式液位測(cè)量儀表，屬直接檢測(cè)技術(shù)，其使用原理如圖1所示，可用于制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中一般儲(chǔ)液罐和靜置罐中液位的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或者普通實(shí)驗(yàn)室的液位測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量直觀，是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量工具。

缺點(diǎn)：其材質(zhì)容易破損，且不易于清潔，長時(shí)間使用會(huì)影響指示清晰度?，F(xiàn)在該液位計(jì)已經(jīng)不常用了。

圖1 玻璃管液位計(jì)使用原理

3 間接檢測(cè)技術(shù)

制藥生產(chǎn)通常是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的過程，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的環(huán)境和條件也較復(fù)雜、特殊，因此多采用間接檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行液位檢測(cè)，如壓力法、浮力法、電學(xué)法等。

3.1 壓力法檢測(cè)技術(shù)

壓力法檢測(cè)技術(shù)是依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液體高度成正比，因此通過測(cè)量容器中液體的壓力即可測(cè)算出液位高度。

（1）用于測(cè)量開口容器液位高度的壓力式液位計(jì)有三種，即壓力表式液位計(jì)、法蘭式液位變送器、吹氣式液位計(jì)。

（2）用于密閉容器中的液位測(cè)量時(shí)，需要使用差壓式液位計(jì)，它可在測(cè)量過程中消除液面上部氣壓以及氣壓波動(dòng)對(duì)顯示值的影響。

差壓式液位計(jì)工作原理如圖2所示。

靜壓式液位計(jì)的工作原理是通過安裝于底部的壓力傳感器檢測(cè)底部液體壓力，再轉(zhuǎn)換計(jì)算出液位高度，底部液體壓力的參考值為與頂部連通的大氣壓或者已知?dú)鈮?。靜壓式液位計(jì)的檢測(cè)方式是接觸式檢測(cè)，要求采用高精度、齊平式壓力傳感器，同時(shí)換算過程需要不斷校準(zhǔn)。

優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)不受液位高度限制，測(cè)量液位時(shí)，完全不受氣包或容器內(nèi)裝部件的影響。

缺點(diǎn)：液位高度越高，對(duì)傳感器的精度要求也越高，長時(shí)間使用或者更換液體時(shí)需要重復(fù)校準(zhǔn)，不適用于介質(zhì)密度和溫度變化明顯的環(huán)境。

圖2 差壓式液位計(jì)工作原理

3.2 浮力法檢測(cè)技術(shù)

浮力法檢測(cè)技術(shù)是依據(jù)力平衡原理，通常借助做成空心體的浮子類懸浮物，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。浮子會(huì)隨液位高度的變化而在液面上下移動(dòng)，所以測(cè)出浮子的位移即可知液位的變化量。浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒式兩種，具體的液位計(jì)有鋼帶浮子式液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、磁浮子液位計(jì)（如磁翻板液位計(jì)）。

在制藥行業(yè)中常常將磁翻板液位計(jì)用于儲(chǔ)液罐、發(fā)酵罐等儲(chǔ)液設(shè)備上。磁翻板液位計(jì)是根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用工作的，如圖3所示，它可用于各種塔、罐、槽、球型容器和鍋爐等設(shè)備的介質(zhì)液位檢測(cè)。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到現(xiàn)場(chǎng)指示器，驅(qū)動(dòng)紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)180°。當(dāng)液位上升時(shí)，翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色；當(dāng)液位下降時(shí)，翻柱由紅色轉(zhuǎn)為白色。指示器的紅、白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位的指示。

優(yōu)點(diǎn)：磁翻板液位計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高度密封，防泄漏，適用于高溫、高壓、耐腐蝕的場(chǎng)合。它彌補(bǔ)了玻璃板（管）液位計(jì)指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全過程測(cè)量無盲區(qū)，顯示清晰，測(cè)量范圍廣。

缺點(diǎn)：價(jià)格較高，工作壓力不能太高，并隨液體的密度不同，其浮子在液體中的高度也不同，需要以實(shí)際介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 磁翻板液位計(jì)工作原理

3.3 電學(xué)法檢測(cè)技術(shù)

電學(xué)法檢測(cè)技術(shù)按工作原理不同可分為電阻式、電感式和電容式液位計(jì)。電學(xué)法檢測(cè)技術(shù)沒有摩擦件和可動(dòng)部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)程傳輸，穩(wěn)定可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)，與電動(dòng)單元組合儀表配合使用，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。

制藥行業(yè)常用的是電容式液位計(jì)。電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量，液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化。電容式液位計(jì)的適用范圍非常廣泛，既能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)（圖4）和非導(dǎo)電介質(zhì)（圖5）的液位，又可測(cè)量強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、高溫介質(zhì)、密封容器的液位，與介質(zhì)的黏度、密度、工作壓力無關(guān)。

此外，電容式液位計(jì)還能測(cè)量傾斜晃動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位，可作為一種連續(xù)測(cè)量的液位控制器。

雖然電容式液位計(jì)價(jià)格較低，安裝容易，但是電容傳感器容易受到不同容器材質(zhì)和溶液屬性的影響，測(cè)量重復(fù)精度較低，需定期維修和重新標(biāo)定，使用壽命也不長。

3.4 超聲波法檢測(cè)技術(shù)

超聲波法檢測(cè)技術(shù)是將較短的超聲波脈沖發(fā)送到被測(cè)物質(zhì)，這些脈沖被介質(zhì)表面反射并被傳感器重新接收，測(cè)量儀表利用聲波所需的運(yùn)行時(shí)間和輸入的容器高度可以計(jì)算出液位。

超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中傳播的特性，具備安裝容易、靈活性高等特點(diǎn)，通?？砂惭b于高處進(jìn)行非接觸式測(cè)量。但是，其容易受到超聲波傳播的能量損耗影響。

具體點(diǎn)說，超聲波在傳播中遇到相界面時(shí)，有一部分反射回來，另一部分則折射入相鄰介質(zhì)中。當(dāng)它由氣體傳播到液體或固體中，或者由固體、液體傳播到空氣中時(shí)，由于介質(zhì)密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射，且當(dāng)超聲波液位計(jì)使用于含蒸汽、粉塵等環(huán)境中時(shí)，檢測(cè)距離將會(huì)明顯縮短，所以不建議在吸波（如泡沫等）環(huán)境中使用超聲波液位計(jì)。

在制藥行業(yè)中，超聲波液位計(jì)主要應(yīng)用于儲(chǔ)罐和開口水池。由于超聲波可以在不同介質(zhì)中傳播，所以超聲波液位計(jì)可分為氣介式（圖6）、液介式（圖7）、固介式（圖8）三種，最常用的是氣介式和液介式超聲波液位計(jì)。按超聲探頭的不同工作方式，超聲波液位計(jì)又可分為自發(fā)自收的單探頭和收發(fā)分開的雙探頭兩種，一般多采用單探頭超聲波液位計(jì)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，維修工作量也較小，而且它可直接測(cè)出距離，不必校準(zhǔn)。

圖4 測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計(jì)

圖5 測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計(jì)

圖6 氣介式超聲波液位計(jì)

圖7 液介式超聲波液位計(jì)

3.5 雷達(dá)法檢測(cè)技術(shù)

雷達(dá)液位計(jì)工作原理如圖9所示。在制藥行業(yè)通常將雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于提取罐、水液儲(chǔ)罐、酸堿儲(chǔ)罐、漿料儲(chǔ)罐、小型儲(chǔ)油罐等設(shè)備上。雷達(dá)液位計(jì)通過天線系統(tǒng)朝介質(zhì)的方向發(fā)射短促的雷達(dá)脈沖，介質(zhì)表面反射信號(hào)波，隨后被天線系統(tǒng)重新接收，測(cè)量儀表利用雷達(dá)脈沖所需的運(yùn)行時(shí)間和輸入的容器高度可以計(jì)算出液位高度。雷達(dá)液位計(jì)可測(cè)量腐蝕性介質(zhì)，對(duì)衛(wèi)生要求很高的場(chǎng)合同樣適用，還適用于各種含泡沫的液位檢測(cè)，不受液體顏色影響，甚至可應(yīng)用于高黏性液體，不受粘附物或冷凝物的影響，不受噪音、蒸汽、粉塵、真空等工況影響，受外部環(huán)境干擾相對(duì)較小。其安裝方式有多種選擇：頂部安裝、側(cè)面安裝、旁通管安裝、導(dǎo)波管安裝。

優(yōu)點(diǎn)：可用于液體的非接觸式檢測(cè)，測(cè)量精度很高，調(diào)整過程非常簡(jiǎn)單，無需充填和排空容器，節(jié)約時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化液位監(jiān)測(cè)。

缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。

3.6 音叉振動(dòng)法檢測(cè)技術(shù)

音叉式液位測(cè)量僅為開關(guān)量輸出，不能用于連續(xù)性監(jiān)控液體高度。音叉液位限位開關(guān)的工作原理為：當(dāng)液體填充兩個(gè)振動(dòng)叉時(shí)，共振頻率改變，依靠檢測(cè)頻率改變而發(fā)出開關(guān)信號(hào)。具體來說，振動(dòng)元件（音叉）在壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下，以一定的機(jī)械諧振頻率振動(dòng)，壓電陶瓷被機(jī)械固定，因此不受溫度驟變的限制。一旦振動(dòng)元件接觸到被測(cè)介質(zhì)，振動(dòng)頻率即會(huì)改變，一體式的電子部件檢測(cè)到這個(gè)振動(dòng)頻率的變化，并轉(zhuǎn)換開關(guān)命令，從而達(dá)到液位報(bào)警或控制的目的。

音叉液位限位開關(guān)的特點(diǎn)：價(jià)格較低，靈敏度高，體積小，重量輕，安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，被測(cè)液體不同的電參數(shù)、密度對(duì)測(cè)量均不產(chǎn)生影響，中等黏度、高溫、高壓等惡劣條件對(duì)檢測(cè)也不會(huì)產(chǎn)生影響。開關(guān)的檢測(cè)由電子電路完成，無活動(dòng)部件，所以音叉液位限位開關(guān)一經(jīng)安裝投運(yùn)便不需特殊維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)有過多被測(cè)介質(zhì)污染和粘附音叉時(shí)，清理掉即可，但在有泡沫存在的場(chǎng)合則需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校。

圖8 固介式超聲波液位計(jì)

圖9 雷達(dá)液位計(jì)工作原理

4 結(jié)語

一種良好的液位檢測(cè)技術(shù)應(yīng)該在滿足工藝要求的前提下，不但需確保測(cè)量穩(wěn)定、安全可靠，而且要安裝便捷、維護(hù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

制藥企業(yè)在選擇液位檢測(cè)技術(shù)和液位計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括：

（1）測(cè)量對(duì)象，被測(cè)液體的物理、化學(xué)性質(zhì)，如酸堿性、導(dǎo)電性、是否產(chǎn)生泡沫以及應(yīng)用環(huán)境的壓力和溫度范圍等。

（2）測(cè)量和控制要求，是液位式測(cè)量還是連續(xù)式測(cè)量，是接觸式還是非接觸式測(cè)量，以及測(cè)量范圍和精度、安全可靠性和施工便捷性。

（3）成本低。

隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展，選擇測(cè)量液位的方法及相應(yīng)的儀表也在不斷改進(jìn)和更新，目前還沒有哪一種液位測(cè)量技術(shù)能夠適應(yīng)所有的介質(zhì)或環(huán)境。而制藥過程需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、調(diào)度管理，以達(dá)到降本增效、確保安全的目的，這就要求制藥企業(yè)根據(jù)測(cè)量要求和使用環(huán)境，針對(duì)每種測(cè)量方式的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)真調(diào)研求證，科學(xué)地選擇液位檢測(cè)技術(shù)及相應(yīng)的檢測(cè)儀表，以保障檢測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性。