液位變送器測(cè)量原理和雙液位計(jì)新的選型方法。
1 雙液位計(jì)簡(jiǎn)介
石油化工自控設(shè)計(jì)人員對(duì)一些較重要的塔、槽、釜、罐的液位測(cè)量和控制采用雙液位計(jì)的設(shè)置,如圖1和圖2所示。這樣設(shè)計(jì)一是為了將被測(cè)量液位轉(zhuǎn)換成顯示和控制所需的信號(hào),二是為了方便操作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡回檢查時(shí)能方便地看到被測(cè)量液位指示值,三是為了方便維護(hù)。其中之一液位計(jì)發(fā)生故障可以無(wú)顧慮地進(jìn)行檢液位計(jì)修,不會(huì)影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。

2 存在的問題
以上的雙液位計(jì)的設(shè)置應(yīng)該說(shuō)考慮得十分周全,可是多數(shù)測(cè)量液位變送器都和密度Q有關(guān),這就造成在實(shí)際使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)這兩臺(tái)液位計(jì)指示值不能吻合,有時(shí)誤差較大,尤其在一個(gè)生產(chǎn)裝置開停工過(guò)程中或操作系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下,兩者之間誤差甚至?xí)_(dá)到30%左右。這時(shí)生產(chǎn)操作人員就會(huì)為液位測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性向儀表維修人員提出疑問,例如圖1,某苯塔塔底液位測(cè)量,它采用差壓測(cè)量液位變送器和玻璃板液位計(jì)相結(jié)合的雙液位計(jì),它的設(shè)計(jì)使用工況條件是塔底壓力80kPa,溫度150e,介質(zhì)密度Q:0.69g/cm3,差壓變送器測(cè)量液位的工作原理是$P=QH,H=Q/$P,當(dāng)生產(chǎn)穩(wěn)定時(shí),Q=0.69g/cm3,也就是說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)常數(shù),液位高度H只和$P有關(guān),差壓變送器所測(cè)的液位應(yīng)該是正確的,也能和玻璃板液位計(jì)顯示的液位高度一致。但在裝置送苯過(guò)程中,塔底注入的純苯,其密度為0.878g/cm3,塔底壓力和溫度均為常溫常壓,遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)玻璃板液位計(jì)所顯示的液位高度和差壓變送器傳送到中控室的液位指示值相差甚大。在注苯過(guò)程中差壓變送器所測(cè)的差壓$P注=Q注H注=0.878H注與設(shè)計(jì)值$P設(shè)=Q設(shè)H設(shè)=0.69H設(shè)相差甚遠(yuǎn),因?yàn)椴顗鹤兯推鳠o(wú)法識(shí)別所測(cè)的介質(zhì)密度。這時(shí)它的差壓輸出為$P注=$P設(shè),這樣就出現(xiàn)0.69H設(shè)= 0.878H注、H設(shè)=0.878/0.69H注=1.27H注,這就是在注苯過(guò)程中差壓變送器顯示的液位高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃板液位計(jì)液位顯示高度的原因。
如圖2,某一鍋爐液位測(cè)量,它采用外浮筒液位變送單元和玻璃板液位計(jì)相結(jié)合的雙液位計(jì),它的設(shè)計(jì)使用工況條件是壓力3MPa、溫度230e、介質(zhì)密度0.823g/cm3。外浮筒液位變送器測(cè)量液位的原理是基于阿基米德定律,浮筒浸在液體里所受到的浮力大小等于浮筒所排開液體的重量:
F=Q.AH
F-浮筒所受的浮力;
Q-液體密度;
A-浮筒截面積;
H-浮筒排開液體的液柱高度(被測(cè)液位的高度)。
對(duì)于一臺(tái)外浮筒液位變送器,它的浮筒截面積A是恒定不變的,可視為一個(gè)常數(shù),那么浮力只和被測(cè)液體的密度Q和高度H有關(guān),在正常生產(chǎn)的情況下,被測(cè)液體的密度Q基本上是一個(gè)常量,即被測(cè)液位的高度H和浮力F成為一個(gè)線性關(guān)系: F設(shè)=Q設(shè).AH設(shè)。外浮筒液位變送器所測(cè)的液位高度(即中控室顯示的液位高度)就能和現(xiàn)場(chǎng)玻璃液位計(jì)顯示的液位高度一致。可是鍋爐開工初期進(jìn)水、升壓升溫過(guò)程中,所有的工況值都大大偏離設(shè)計(jì)值。這時(shí)水的密度Q開=0.98g/cm3,就會(huì)出現(xiàn)F開=Q開.AH開,按設(shè)計(jì)要求F設(shè)=F開,也就是Q設(shè).AH設(shè)=Q開.AH開,H設(shè)=Q開/Q設(shè)H開,代入開工和設(shè)計(jì)的不同密度值,就會(huì)得到H設(shè)=0.98/0.823H開=1.19H開,這就是鍋爐開工初期出現(xiàn)的外浮筒液位變送器所測(cè)的液位高度(即中控室顯示的液位高度)大大高于現(xiàn)場(chǎng)玻璃液位計(jì)顯示的液位高度的原因。這是兩個(gè)較為典型的雙液位計(jì)之間誤差偏大的問題,誤差也只是暫時(shí)的,等到開工正常后,各項(xiàng)參數(shù)尤其是液體密度Q達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),兩臺(tái)液位計(jì)的指示就會(huì)一致,一般情況下不必進(jìn)行處理。但是出現(xiàn)儀表維修人員不能清楚地向生產(chǎn)操作人員解釋這一現(xiàn)象、或生產(chǎn)操作人員一定要求兩臺(tái)液位計(jì)指示一致的情況下,只能將液位變送器或差壓變送器的零位一直下調(diào)到兩表一致,待開工正常之后,再將液位變送器或差壓變送器的零位調(diào)回去,使兩臺(tái)液位計(jì)在正常生產(chǎn)情況下指示值一致。有時(shí)候在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)由于生產(chǎn)控制過(guò)程發(fā)生變化,尤其是溫度發(fā)生較大變化的情況,這時(shí)就會(huì)造成被測(cè)液體的密度Q發(fā)生較大的變化,從而使液位變送器指示值出現(xiàn)偏差,造成兩臺(tái)液位計(jì)之間誤差較大。在雙液位計(jì)之間發(fā)生指示偏差較大。在處理這類故障時(shí),一定要首先了解生產(chǎn)工況是否有較大變化,一定要慎重處理,以免帶來(lái)很多不必要的工作。
3 磁翻板雙液位計(jì)的原理及優(yōu)點(diǎn)

20世紀(jì)末,磁翻板現(xiàn)場(chǎng)指示液位計(jì)和磁翻板液位變送器的出現(xiàn)給自控設(shè)計(jì)者在液位計(jì)的選型使用上增添了余地。磁翻板液位計(jì)的工作原理如圖3所示。
磁性浮子隨著被測(cè)液體上下移動(dòng),翻板標(biāo)尺中的翻板,受到磁性浮子的吸引而翻轉(zhuǎn),翻板上正反兩面涂有紅、綠兩色。紅色顯示液位指示值,綠色為空值,這樣可以清晰地顯示出液位的高度的現(xiàn)象。磁翻板液位計(jì)清除了被測(cè)液體對(duì)玻璃板液位計(jì)的污染造成看不清被測(cè)液位高度,及玻璃板液位計(jì)取樣角閥易堵塞和選位不當(dāng)所造成的假液位現(xiàn)象,而被廣泛地替代玻璃板液位計(jì)。磁翻板液位變送器采用磁耦合工作原理,傳感器內(nèi)裝有一組干簧管和精密電阻,當(dāng)磁性浮子隨液位變化上下移動(dòng)時(shí),位于液位處的干簧管依次接通,使傳感器的輸出電阻發(fā)生變化(如圖4所示),再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路模塊將電阻值轉(zhuǎn)換4~20mA電流輸出。磁翻板玻璃液位計(jì)和磁翻板液位變送器都以磁性浮子為基礎(chǔ),因?yàn)榇判愿∽优c被測(cè)液體的密度Q有關(guān),這就給雙液位計(jì)的選型增加了新方法。我們分別對(duì)塔、槽、廢熱鍋爐如圖1、圖2的雙液位計(jì)均采用磁翻板現(xiàn)場(chǎng)指示液位計(jì)和磁翻板液痊變送器的方式進(jìn)行改造,取得了良好的效果,兩液位計(jì)之間測(cè)量誤差可控制在20-30mm。兩液位計(jì)指示基本一致,方便了生產(chǎn)操作,同時(shí)省去開停工及正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)儀表零位的反復(fù)調(diào)整。在改造試驗(yàn)過(guò)程中體會(huì)到,采用磁翻板現(xiàn)場(chǎng)指示液位計(jì)和磁翻板液位變送器作為雙液位計(jì)設(shè)計(jì)方案時(shí),兩臺(tái)液位計(jì)最好由同一制造廠同時(shí)生產(chǎn),這就可以保證磁性浮子的重量一致性,也就是介質(zhì)密度Q的一致性,減少磁性浮子重量差異帶來(lái)的測(cè)量誤差及零位的偏差。磁性浮子外表要光滑無(wú)毛刺,要有足夠的磁性,因?yàn)榇欧逡何蛔兯推鞯膬煞N變換原理,干簧管驅(qū)動(dòng)有阻式和磁致伸縮式,都與磁性浮子的磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān),磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠、磁性分布均勻、外表沒有毛刺都可清除測(cè)量液位瞬間回零現(xiàn)象,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于磁翻板液位計(jì)相對(duì)價(jià)格便宜、維修簡(jiǎn)便、性能可靠,成為雙液位計(jì)設(shè)計(jì)方案的首選。