化工生產(chǎn)中界面測量常用方案

張 寅

（無錫藍(lán)海工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

在如今的化工生產(chǎn)中，有越來越多場合（例如分離、吸收、萃取等）需要精確測量反應(yīng)釜或儲罐中兩種介質(zhì)的界面。比如，本司多次參與設(shè)計(jì)的環(huán)氧樹脂項(xiàng)目，在反應(yīng)工序時(shí)，反應(yīng)后得到環(huán)氧氯丙烷與水的混合物，因環(huán)氧氯丙烷需要回用，所以需要將兩者區(qū)分，環(huán)氧氯丙烷回用至反應(yīng)釜，而水將送去ECH 精餾工序。此時(shí)需要用到分相器，通過測量其中環(huán)氧氯丙烷和水的界面，界面的測量與調(diào)節(jié)閥形成PID 調(diào)節(jié)，以此將環(huán)氧氯丙烷和水相互分離，該界面的控制是否準(zhǔn)確會直接影響產(chǎn)品的合格度、企業(yè)的能源消耗量、成本的核算等重要問題。因此，這個(gè)控制回路至關(guān)重要，選擇適合的界面的測量儀表，是對生產(chǎn)穩(wěn)定以及產(chǎn)品質(zhì)量把控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 測量方案分析

針對界面測量，不同物質(zhì)造成的界面分層的情況也不一樣，有的分層清晰分明，有的則不一定有鮮明的分界，會有一段混懸狀態(tài)。針對不同工況，所用的方法也不盡相同，下面主要探討在此前各個(gè)項(xiàng)目中使用過的各種測量界面的方案。根據(jù)檢測依據(jù)的不同，一般常用的可以分為以下兩大類：一是根據(jù)密度差來測量界面，包括差壓法測量、浮子式測量；二是根據(jù)介電常數(shù)差異來測量界面。以下將對這兩大類中具有代表性的儀表進(jìn)行列舉分析：

1.1 差壓法測量界面

利用差壓原理測量界面是工程項(xiàng)目中常見的一種測量方式，它其實(shí)歸根結(jié)底是利用密度差來測量界面。差壓法測量界面的原理是：利用介質(zhì)的密度差異，假設(shè)密度大的介質(zhì)密度為ρ，密度小的介質(zhì)密度為ρ1，上下法蘭間距為L，產(chǎn)生的差壓為△P，當(dāng)前界面高度為L1。通過檢測兩個(gè)取壓點(diǎn)之間的壓力差，可以計(jì)算出界面的高度，具體的測量計(jì)算公式如下：

從公式（1）可以看出，如果兩介質(zhì)密度保持不變，則L1 與△P 形成線性關(guān)系，通過測量差壓即可推算出界面高度。一般定測量范圍時(shí)，當(dāng)全部為輕介質(zhì)時(shí)，設(shè)定液位為0；當(dāng)全部為重介質(zhì)時(shí)，設(shè)定為滿量程。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，差壓法測量有一定的局限性，在某些情況下會導(dǎo)致測量產(chǎn)生較大誤差。首先，這種測量方法需要輕介質(zhì)液位一定要高于上法蘭口，否則將無法測量；其次，密度是否穩(wěn)定對差壓法測量的影響非常大，如果兩種介質(zhì)的密度不穩(wěn)定，有波動，則測量結(jié)果會有較大誤差；再次，如果兩介質(zhì)的密度差異不大，就會造成量程太小從而無法保證原有的精度，導(dǎo)致測量誤差變大。

因此，差壓法測量方案對輕介質(zhì)的高度和對兩介質(zhì)的密度均有要求。

1.2 浮子式測量界面

浮子式測量同樣也是利用密度差異來測量界面的一種方式。它是通過浮子在不同密度的液體中產(chǎn)生不同的浮力來進(jìn)行界面測量的。

一般化工生產(chǎn)中使用較多的有傳統(tǒng)的浮筒液位計(jì)、伺服液位計(jì)，還有近些年逐漸發(fā)展起來，得到越來越多運(yùn)用的磁致伸縮液位計(jì)。

有些檢測場合對精度要求不嚴(yán)格，也會使用磁翻板液位計(jì)來測量界面，但由于該儀表本身的精度比較低，所以整個(gè)界面測量系統(tǒng)的精度無法得到保證。因此，一般不采用這個(gè)方案。

以下針對上面提到的3 種常用的測量方案分別逐一進(jìn)行分析。

1.2.1 浮筒液位計(jì)

浮筒液位計(jì)是由表頭、扭力管、外筒和內(nèi)筒組成的。外筒相當(dāng)于容器，內(nèi)筒連接在扭力管上，扭力管又固定在表頭上。當(dāng)界面變化時(shí)，內(nèi)筒受到的浮力也會跟著變化，導(dǎo)致扭力管產(chǎn)生不同程度的形變。表頭內(nèi)有霍爾傳感器，它能檢測到微小的形變，并形成讀數(shù)。因此，浮筒液位計(jì)是通過浮力來測量界面的變化。

所受浮力公式為：

其中，ρ1 為重組分的密度，ρ2 為輕組分的密度，h 為重組分的高度，H 為液位計(jì)量程。通過公式（2）可以看出，當(dāng)輕組分的密度小到和空氣或系統(tǒng)內(nèi)部氣相介質(zhì)的密度相同時(shí)，界面計(jì)實(shí)際上測量的就是重組分的液位了。

浮筒液位計(jì)的浮子一般情況下是中空的，有時(shí)候會帶一點(diǎn)配重。檢測時(shí)把充滿輕組分時(shí)顯示的高度設(shè)為零位，把充滿重組分時(shí)顯示的高度設(shè)為滿量程，測得的界位其實(shí)就是重組分的高度。

浮筒液位計(jì)根據(jù)安裝方式的不同可以分為內(nèi)浮筒式和外浮筒式，在測量界面時(shí)，一般盡量不會選用外浮筒液位計(jì)，因?yàn)橥飧⊥惨何挥?jì)測量的界面變化是無法及時(shí)反映容器內(nèi)界面變化的。其中一種情況如圖1 所示。

圖1 外浮筒液位計(jì)測量界面Fig.1 Measurement interface of external displacer level gauge

測量界面一般需要較長的沉淀和穩(wěn)定時(shí)間，但當(dāng)開車或停車等情況時(shí)，可能存在輕介質(zhì)沒有穩(wěn)定覆蓋上法蘭口的場合。從連通上看，與設(shè)備聯(lián)通的外測量筒內(nèi)可能會出現(xiàn)與設(shè)備內(nèi)實(shí)際界面不一致的現(xiàn)象。主要是當(dāng)輕介質(zhì)沒有足夠的液體流過測量筒時(shí)，測量筒和罐內(nèi)為了要保持連通平衡，受到重力的影響，重介質(zhì)會往測量筒多流一些。顯然，此時(shí)內(nèi)外的界位不一致：測量筒內(nèi)重介質(zhì)液位高于罐內(nèi)的重介質(zhì)液位，同時(shí)輕介質(zhì)液位也略低于罐內(nèi)實(shí)際液位，這時(shí)就無法展現(xiàn)出設(shè)備內(nèi)部兩介質(zhì)的真實(shí)狀態(tài)。因此，測量界面需盡量避免開立旁管，這也就是為何界面測量不適合使用外浮筒液位計(jì)。

同時(shí)，浮筒液位計(jì)由于本身外形尺寸的限制，考慮到運(yùn)輸?shù)仍?，一般無法做很長，所以一般測量范圍不超過3 m。

1.2.2 伺服液位計(jì)

伺服液位計(jì)同樣是根據(jù)兩種被測介質(zhì)密度差異，導(dǎo)致所受浮力的不同來對界面進(jìn)行測量的。同時(shí)，因?yàn)樗欧何挥?jì)的檢測原理是根據(jù)浮力平衡，所以它在測量界面時(shí)只受介質(zhì)密度變化影響，與其他因素?zé)o關(guān)。

伺服液位計(jì)的測量浮子受到其本身的重力和液體的浮力，在測量鋼絲上則表現(xiàn)為測量浮子所受重力和浮力之合力，即測量鋼絲上的張力。當(dāng)界面變化時(shí)，測量浮子所受的浮力也隨之變化，從而導(dǎo)致測量鋼絲上的張力變化，使伺服控制器發(fā)出指令，令伺服電動機(jī)測量鼓轉(zhuǎn)動，伺服電機(jī)均速放下或收緊測量鋼絲。當(dāng)浮子不斷地跟蹤界面上下移動時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù)，并自動地計(jì)算出測量浮子的位移量，即界面的變化量?；谶@樣的測量原理，伺服液位計(jì)對于界面檢測能夠做到系統(tǒng)精確度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，因此測量范圍很寬泛。

伺服液位計(jì)同樣也有不足之處，當(dāng)測量黏度較大的介質(zhì)，同時(shí)液面波動也比較大時(shí)，可能會發(fā)生牽引鋼絲被拉斷，導(dǎo)致浮球丟失情況。另外，由于伺服液位計(jì)價(jià)格相當(dāng)昂貴，考慮使用經(jīng)濟(jì)性的情況下，一般只有在需要進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量的儲罐才會采用伺服液位計(jì)。

1.2.3 磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)是采用磁致伸縮原理的高精度位移測量儀表，是目前界面測量運(yùn)用的非常廣泛的一款儀表，它是采用不導(dǎo)磁的不銹鋼管（測桿）、磁致伸縮線（波導(dǎo)線）、可移動的磁浮子和電子部件構(gòu)成的。傳感器的脈沖發(fā)生器在波導(dǎo)線上勵(lì)磁出電流脈沖，該電流沿著波導(dǎo)線傳播時(shí)會在波導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生脈沖電流磁場。在傳感器測桿外配有磁浮子，磁浮子沿測桿隨著界面的變化而上下移動，在磁浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。當(dāng)電流脈沖產(chǎn)生的磁場與浮子內(nèi)的磁環(huán)磁場相遇時(shí)，矢量相加形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬間扭力，使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生終止脈沖，沿波導(dǎo)線傳回并由檢出機(jī)構(gòu)檢出。通過測量起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，可以精確地確定磁浮子所在的位置，即界面的位置。磁致伸縮液位計(jì)構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 磁致伸縮液位計(jì)構(gòu)造圖Fig.2 Structure diagram of magnetostrictive liquid level gauge

磁致伸縮液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有：唯一可動部件為磁浮子，維護(hù)量極低；精度高，最高可達(dá)0.01%FS（滿量程），其非線性精度能小于0.01%FS，重復(fù)精度能小于0.001%FS；測量范圍廣；耐高溫，耐高壓，穩(wěn)定性好；安裝方便，不需要標(biāo)定，不需要維護(hù)等，所以很多工程控制場合它都能夠勝任。

結(jié)合以上3 種常用的浮子式液位計(jì)來看，用這種方式來檢測界面還是適用場合比較寬泛的。不過在使用浮子式液位計(jì)時(shí)，也需要注意幾點(diǎn)，否則可能會帶來較大的測量誤差：介質(zhì)不能太粘稠，長期工作粘結(jié)污垢后，浮子容易被卡死；密度要穩(wěn)定，并且密度差要求比較大，如果差距小，同時(shí)界面的量程又比較小，例如只有1m 或更低時(shí)，浮力的變化范圍就會非常小，這就需要非常高的分辨率或精度，很有可能就無法測量。

1.3 根據(jù)介電常數(shù)差異測量界面

如果實(shí)際工況所測界面的兩種介質(zhì)密度相差無幾，那顯然用以上的差壓法測量或者浮子式測量的方式都是不合適的。這種情況下，如果兩介質(zhì)的介電常數(shù)相差很大的話，就可以考慮用介電常數(shù)的差異來測量界面了。這種測量方法在工業(yè)生產(chǎn)中采用的比較多的是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量原理是雷達(dá)波發(fā)射出去，遇到分界面，反射出回波。接收傳感器接收到回波之后，根據(jù)TOF（time of flight）時(shí)間距離原理，通過其速度算出距離，也就是界面位置。

用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量界面時(shí)，必須要保證輕介質(zhì)對雷達(dá)波反射效果差，也就是兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差較大，通俗一點(diǎn)就是一個(gè)是絕緣體，一個(gè)是良導(dǎo)體。

與其他界面測量方案相比，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的主要優(yōu)勢如下：

1）雷達(dá)信號沿導(dǎo)波桿傳播，發(fā)射和反射能量比較集中，幾乎無衰減，這個(gè)特性能使導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的反射信號強(qiáng)，測量精度不受各種外界因素的影響，同時(shí)也不受溫度、壓力和介質(zhì)物性的變化而改變測量結(jié)果，這就保證了測量的準(zhǔn)確性。

2）抗油污粘附能力強(qiáng)，測量可靠。

3）安裝簡單，低維護(hù)量。

但導(dǎo)波雷達(dá)也有一定的局限性，需要注意的是：雷達(dá)液位計(jì)的原理要求分界面的兩種介質(zhì)，上面的介電常數(shù)小，下面的介電常數(shù)大，并且介電常數(shù)差別越大越好。如果兩種介質(zhì)分層，但是介電常數(shù)區(qū)別不大，就無法測準(zhǔn)；另外，如果分界處有比較多的混懸、乳濁等復(fù)雜狀況，或者是會產(chǎn)生泡沫、水汽的工況也可能會影響測量準(zhǔn)確度；同時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)在安裝時(shí)需注意儀表的安裝位置，需要避開進(jìn)料口、攪拌等位置，若安裝位置不合適，會使雷達(dá)波的回波信號受到干擾。因此，在安裝的時(shí)候，需要考慮儲罐的高度以及安裝位置與罐壁的距離，要給雷達(dá)液位計(jì)留出足夠的安裝空間。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在安裝時(shí)多數(shù)需使用導(dǎo)波管，導(dǎo)波管的安裝需考慮其強(qiáng)度，所以常在儲罐底部固定，同時(shí)導(dǎo)波管內(nèi)壁應(yīng)該光滑、無毛刺。因此，一般會采用不銹鋼材質(zhì)并且保證焊接的平整性。

2 結(jié)束語

對于界面測量可以選擇的儀表類型很多，對同一測量對象的測量方法可以有多種選擇，本文僅僅列舉了比較常用的一部分。作為一名合格的設(shè)計(jì)人員，在確定測量方案時(shí)，應(yīng)該首先確定哪種測量原理適用于目前的工況，然后結(jié)合設(shè)備開口位置，考慮投入的成本，結(jié)合各儀表的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)一并考慮客戶的喜好來最終選擇最為合適的測量方案。