摘要:石油化工諸多生產(chǎn)裝置中,各類(lèi)設(shè)備會(huì)存在多種介質(zhì)混存,分層的現(xiàn)象。出于工藝生產(chǎn)的需求,常常需要檢測(cè)不同介質(zhì)的分層面俗稱(chēng)界面的位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況不同,用于界面測(cè)量的方案比較主流的分為兩大類(lèi),根據(jù)密度差異或者根據(jù)介電常數(shù)差異來(lái)檢測(cè)。列舉了兩類(lèi)測(cè)量方案中幾種常用儀表,包括差壓液位計(jì)、浮筒液位計(jì)、伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì),以及導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中,設(shè)計(jì)人員或工廠技術(shù)人員需從儀表的工作原理,被測(cè)介質(zhì)的特性和不同測(cè)量方式的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì),設(shè)備的開(kāi)孔位置及尺寸等方面做出分析、比較,綜合考慮,選出#適合的界面測(cè)量方案。Kyl壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引言
在如今的化工生產(chǎn)中,有越來(lái)越多場(chǎng)合(例如分離、吸收、萃取等)需要精que測(cè)量反應(yīng)釜或儲(chǔ)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(shù)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(guò)測(cè)量其中環(huán)氧氯丙烷和水的界面,界面的測(cè)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(huì)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(wèn)題。因此,這個(gè)控制回路至關(guān)重要,選擇適合的界面的測(cè)量?jī)x表,是對(duì)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(cè)量方案分析
針對(duì)界面測(cè)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(huì)有一段混懸狀態(tài)。針對(duì)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(guò)的各種測(cè)量界面的方案。根據(jù)檢測(cè)依據(jù)的不同,一般常用的可以分為以下兩大類(lèi):一是根據(jù)密度差來(lái)測(cè)量界面,包括差壓法測(cè)量、浮子式測(cè)量;二是根據(jù)介電常數(shù)差異來(lái)測(cè)量界面。以下將對(duì)這兩大類(lèi)中具有代表性的儀表進(jìn)行列舉分析:
1.1差壓法測(cè)量界面
利用差壓原理測(cè)量界面是工程項(xiàng)目中常見(jiàn)的一種測(cè)量方式,它其實(shí)歸根結(jié)底是利用密度差來(lái)測(cè)量界面。差壓法測(cè)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(zhǎng),產(chǎn)生的差壓為△P,當(dāng)前界面高度為L(zhǎng)1。通過(guò)檢測(cè)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(cè)量計(jì)算公式如下:
△P=ρ1g(L-L1)+ρgL1,得出L1=(△P-ρ1gL)/(ρg-ρ1g)(1)
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(xiàn)性關(guān)系,通過(guò)測(cè)量差壓即可推算出界面高度。一般定測(cè)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(mǎn)量程。
在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,差壓法測(cè)量有一定的局限性,在某些情況下會(huì)導(dǎo)致測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。shou先,這種測(cè)量方法需要輕介質(zhì)液位一定要高于上法蘭口,否則將無(wú)法測(cè)量;其次,密度是否穩(wěn)定對(duì)差壓法測(cè)量的影響非常大,如果兩種介質(zhì)的密度不穩(wěn)定,有波動(dòng),則測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大誤差;再次,如果兩介質(zhì)的密度差異不大,就會(huì)造成量程太小從而無(wú)法保證原有的精度,導(dǎo)致測(cè)量誤差變大。因此,差壓法測(cè)量方案對(duì)輕介質(zhì)的高度和對(duì)兩介質(zhì)的密度均有要求。
1.2浮子式測(cè)量界面
浮子式測(cè)量同樣也是利用密度差異來(lái)測(cè)量界面的一種方式。它是通過(guò)浮子在不同密度的液體中產(chǎn)生不同的浮力來(lái)進(jìn)行界面測(cè)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(lái),得到越來(lái)越多運(yùn)用的
磁致伸縮液位計(jì)。
有些檢測(cè)場(chǎng)合對(duì)精度要求不嚴(yán)格,也會(huì)使用
磁翻板液位計(jì)來(lái)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的精度無(wú)法得到保證。因此,一般不采用這個(gè)方案。
以下針對(duì)上面提到的3種常用的測(cè)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(huì)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(cè)到微小的形變,并形成讀數(shù)。因此,浮筒液位計(jì)是通過(guò)浮力來(lái)測(cè)量界面的變化。所受浮力公式為:
F浮=ρ1gSh+ρ2gS(H–h)(2)
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(guò)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(cè)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(huì)帶一點(diǎn)配重。檢測(cè)時(shí)把充滿(mǎn)輕組分時(shí)顯示的高度設(shè)為零位,把充滿(mǎn)重組分時(shí)顯示的高度設(shè)為滿(mǎn)量程,測(cè)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(cè)量界面時(shí),一般盡量不會(huì)選用外浮筒液位計(jì),因?yàn)橥飧⊥惨何挥?jì)測(cè)量的界面變化是無(wú)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。測(cè)量界面一般需要較長(zhǎng)的沉淀和穩(wěn)定時(shí)間,但當(dāng)開(kāi)車(chē)或停車(chē)等情況時(shí),可能存在輕介質(zhì)沒(méi)有穩(wěn)定覆蓋上法蘭口的場(chǎng)合。從連通上看,與設(shè)備聯(lián)通的外測(cè)量筒內(nèi)可能會(huì)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(méi)有足夠的液體流過(guò)測(cè)量筒時(shí),測(cè)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(huì)往測(cè)量筒多流一些。顯然,此時(shí)內(nèi)外的界位不一致:測(cè)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(wú)法展現(xiàn)出設(shè)備內(nèi)部?jī)山橘|(zhì)的真實(shí)狀態(tài)。因此,測(cè)量界面需盡量避免開(kāi)立旁管,這也就是為何界面測(cè)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)仍颍话銦o(wú)法做很長(zhǎng),所以一般測(cè)量范圍不超過(guò)3m。
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(cè)介質(zhì)密度差異,導(dǎo)致所受浮力的不同來(lái)對(duì)界面進(jìn)行測(cè)量的。同時(shí),因?yàn)樗欧何挥?jì)的檢測(cè)原理是根據(jù)浮力平衡,所以它在測(cè)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(cè)量浮子受到其本身的重力和液體的浮力,在測(cè)量鋼絲上則表現(xiàn)為測(cè)量浮子所受重力和浮力之合力,即測(cè)量鋼絲上的張力。當(dāng)界面變化時(shí),測(cè)量浮子所受的浮力也隨之變化,從而導(dǎo)致測(cè)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(dòng)機(jī)測(cè)量鼓轉(zhuǎn)動(dòng),伺服電機(jī)均速放下或收緊測(cè)量鋼絲。當(dāng)浮子不斷地跟蹤界面上下移動(dòng)時(shí),計(jì)數(shù)器記錄伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù),并自動(dòng)地計(jì)算出測(cè)量浮子的位移量,即界面的變化量。基于這樣的測(cè)量原理,伺服液位計(jì)對(duì)于界面檢測(cè)能夠做到系統(tǒng)精que度高,穩(wěn)定性強(qiáng),因此測(cè)量范圍很寬泛。
伺服液位計(jì)同樣也有不足之處,當(dāng)測(cè)量黏度較大的介質(zhì),同時(shí)液面波動(dòng)也比較大時(shí),可能會(huì)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(chǔ)罐才會(huì)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(cè)量?jī)x表,是目前界面測(cè)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(cè)桿)、磁致伸縮線(xiàn)(波導(dǎo)線(xiàn))、可移動(dòng)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(xiàn)上勵(lì)磁出電流脈沖,該電流沿著波導(dǎo)線(xiàn)傳播時(shí)會(huì)在波導(dǎo)線(xiàn)的周?chē)a(chǎn)生脈沖電流磁場(chǎng)。在傳感器測(cè)桿外配有磁浮子,磁浮子沿測(cè)桿隨著界面的變化而上下移動(dòng),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(chǎng)與浮子內(nèi)的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí),矢量相加形成螺旋磁場(chǎng),產(chǎn)生瞬間扭力,使波導(dǎo)線(xiàn)扭動(dòng)并產(chǎn)生終止脈沖,沿波導(dǎo)線(xiàn)傳回并由檢出機(jī)構(gòu)檢出。通過(guò)測(cè)量起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差,可以精que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。
磁致伸縮液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有:非常好可動(dòng)部件為磁浮子,維護(hù)量極低;精度高,#高可達(dá)0.01%FS(滿(mǎn)量程),其非線(xiàn)性精度能小于0.01%FS,重復(fù)精度能小于0.001%FS;測(cè)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(chǎng)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(lái)看,用這種方式來(lái)檢測(cè)界面還是適用場(chǎng)合比較寬泛的。不過(guò)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(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差:介質(zhì)不能太粘稠,長(zhǎng)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(huì)非常小,這就需要非常高的分辨率或精度,很有可能就無(wú)法測(cè)量。
1.3根據(jù)介電常數(shù)差異測(cè)量界面
如果實(shí)際工況所測(cè)界面的兩種介質(zhì)密度相差無(wú)幾,那顯然用以上的差壓法測(cè)量或者浮子式測(cè)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(huà),就可以考慮用介電常數(shù)的差異來(lái)測(cè)量界面了。這種測(cè)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(cè)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(timeofflight)時(shí)間距離原理,通過(guò)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(cè)量界面時(shí),必須要保證輕介質(zhì)對(duì)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(cè)量方案相比,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)如下 :
1)雷達(dá)信號(hào)沿導(dǎo)波桿傳播,發(fā)射和反射能量比較集中,幾乎無(wú)衰減,這個(gè)特性能使導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的反射信號(hào)強(qiáng),測(cè)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(cè)量結(jié)果,這就保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
2)抗油污粘附能力強(qiáng),測(cè)量可靠。
3)安裝簡(jiǎn)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(wú)法測(cè)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(huì)產(chǎn)生泡沫、水汽的工況也可能會(huì)影響測(cè)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(kāi)進(jìn)料口、攪拌等位置,若安裝位置不合適,會(huì)使雷達(dá)波的回波信號(hào)受到干擾。因此,在安裝的時(shí)候,需要考慮儲(chǔ)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(chǔ)罐底部固定,同時(shí)導(dǎo)波管內(nèi)壁應(yīng)該光滑、無(wú)毛刺。因此,一般會(huì)采用不銹鋼材質(zhì)并且保證焊接的平整性。
2 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于界面測(cè)量可以選擇的儀表類(lèi)型很多,對(duì)同一測(cè)量對(duì)象的測(cè)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(cè)量方案時(shí),應(yīng)該shou先確定哪種測(cè)量原理適用于目前的工況,然后結(jié)合設(shè)備開(kāi)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(hù)的喜好來(lái)#終選擇#為合適的測(cè)量方案。