在化工煉油儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)用于油品的儲(chǔ)存都采用大罐儲(chǔ)存，對(duì)于大罐中油品的測(cè)量主要是對(duì)罐內(nèi)液位、體積和重量等參數(shù)進(jìn)行直接或間接的測(cè)量。而油品液位的測(cè)量則是通過大罐液位儀來實(shí)現(xiàn)的。目前, 用于大罐液位測(cè)量的儀表產(chǎn)品很多,有浮標(biāo)浮筒液位計(jì)，電伴熱型磁翻板液位計(jì)，HTG 液位儀、伺服液位儀等等，此類測(cè)量?jī)x表基本上都有數(shù)十年的使用經(jīng)驗(yàn)，屬于傳統(tǒng)型的基于機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量的液位儀表。磁致伸縮液位儀、超聲波液位儀、微波雷達(dá)液位儀等面世的時(shí)間較短，但是隨著生產(chǎn)與管理的現(xiàn)代化要求的提高，對(duì)于自動(dòng)化控制的需求已經(jīng)成為趨勢(shì)，對(duì)于此類新型儀表的使用與應(yīng)用也在逐年提高，其市場(chǎng)占有份額在未來必定會(huì)不斷增高。因此, 有必要對(duì)這些液位儀的原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析, 繼而對(duì)大罐液位儀的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。
大罐液位儀按液位感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸與否, 可分為接觸型和非接觸型兩大類。以下先對(duì)這兩類液位儀的現(xiàn)狀進(jìn)行討論。本文分析了大罐液位儀的現(xiàn)狀, 指出了電伴熱型磁翻板液位計(jì)，浮標(biāo)液位計(jì)，磁致伸縮液位儀、超聲波液位儀、射線液位儀、雷達(dá)液位儀等的特點(diǎn), 并探討了大罐液位儀的發(fā)展趨勢(shì)。
1、接觸型大罐液位儀測(cè)量裝置的現(xiàn)狀
接觸型大罐液位測(cè)量裝置主要包括人工檢尺法、浮子或磁浮筒測(cè)量裝置、伺服液位儀、HTG 測(cè)量裝置等。它們的共同特點(diǎn)是測(cè)量敏感元件與被測(cè)液體接觸。
1 .1人工檢尺法
人工檢尺法利用量油心進(jìn)行測(cè)量, 有實(shí)高測(cè)量和空高測(cè)量?jī)煞N方法。實(shí)高測(cè)量主要用于測(cè)量粘度不大的油品, 它是把末端有試水膏的量油尺, 從測(cè)量零點(diǎn)(如罐頂)徐徐投入油品中, 當(dāng)尺鉈與罐底接觸時(shí), 將量油尺垂直向上提起, 然后根據(jù)量油尺上所留下的油品痕跡, 讀出油面高度。同時(shí)根據(jù)試水膏顏色的變化判斷水墊層的高度, 從而確定油高和水高?？崭邷y(cè)量用于測(cè)量粘度很大的油品, 它只需測(cè)得零點(diǎn)至油面高度h , 然后根據(jù)預(yù)先測(cè)得的零點(diǎn)至罐底的高度H , 由H -h 得到油品的高度。
人工檢尺法的測(cè)量結(jié)果應(yīng)精確到毫米, 并至少測(cè)量?jī)纱? 兩次結(jié)果相差不得超過±1mm。人工檢尺法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn),但需測(cè)試人員爬上幾米至幾十米的大罐進(jìn)行操作,并暴露在油蒸汽中, 另外, 需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間, 難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量。
1 .2電伴熱型磁翻板液位計(jì)、浮子式和浮筒型測(cè)量裝置
電伴熱型磁翻板液位計(jì)測(cè)量液體時(shí)采用頂裝或旁通管側(cè)裝方式。磁翻柱主體外加裝翻柱液位指示器、液位開關(guān)及液位變送器。磁單元置于浮球內(nèi)部或通過頂桿與浮球相連，當(dāng)浮球連帶磁單元隨液位變化時(shí)，使磁性色塊（磁翻板）翻轉(zhuǎn)；磁性液位開關(guān)在對(duì)應(yīng)液位點(diǎn)動(dòng)作；同時(shí)液位傳感器在浮球磁力的作用下，輸出標(biāo)準(zhǔn)的變化電阻信號(hào)，再經(jīng)過變送器把電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號(hào)輸出。
電伴熱型磁翻板液位計(jì)特點(diǎn):適用范圍廣、安裝形式多樣，適合任何介質(zhì)的液位、界面的測(cè)量
被測(cè)介質(zhì)與指示結(jié)構(gòu)完全隔離，密封性能好，防泄露、適應(yīng)高壓、高溫、腐蝕條件下的液位測(cè)量，可靠性高。
浮子式液位計(jì)主要包括有浮筒液位計(jì)和浮標(biāo)液位計(jì)、浮筒液位計(jì)等產(chǎn)品，浮子式測(cè)量系統(tǒng)大約在1930 年*次面世, 它采用大而重的浮子作為液位測(cè)量元件, 并驅(qū)動(dòng)大罐外壁的編碼盤或編碼帶等顯示裝置, 或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)量信號(hào)。浮筒型測(cè)量裝置的磁浮筒內(nèi)裝有一系列的干簧或小錳銅電阻作為測(cè)量元件, 磁浮筒中間帶孔, 以便不銹鋼套管穿過, 不銹鋼套管固定在罐頂和罐底之間, 其內(nèi)裝有一系列的干簧或小錳銅電阻作為測(cè)量元件。其工作原理是液位變化帶動(dòng)空心磁浮筒(內(nèi)藏永久磁鐵)沿鋼帶上下移動(dòng), 使位于液面處的干簧接點(diǎn)接通, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的檢測(cè)。
浮子式和浮筒型測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn), 正是如此, 我國(guó)仍有一部分油罐采用這種測(cè)量系統(tǒng)。但浮子會(huì)隨著液面的波動(dòng)而波動(dòng), 從而造成讀數(shù)誤差, 并引起系統(tǒng)的機(jī)械磨損, 增加系統(tǒng)的維修量。浮筒型測(cè)量系統(tǒng)因干簧或小錳銅電阻的數(shù)量有限, 故其測(cè)量精度較低。
1 .3伺服液位儀
在50 年代, 為了克服浮子式液位測(cè)量裝置的缺點(diǎn), 提高測(cè)量精度和可靠性, 伺服油罐液位儀應(yīng)運(yùn)而生。它采用了波動(dòng)積分電路, 消除了抖動(dòng), 延長(zhǎng)了壽命。該液位儀還采用了伺服電機(jī)和靈敏的測(cè)重裝置, 其測(cè)量精度和可靠性等指標(biāo)都有較大的提高?，F(xiàn)代伺服油罐液位儀的測(cè)量精度, 已達(dá)到40 米范圍內(nèi)小于1 毫米, 且一般都具有測(cè)量密度分布和平均密度的功能。
但是, 伺服液位儀屬機(jī)械式測(cè)量裝置, 機(jī)械磨損會(huì)直接影響其測(cè)量精度, 需定期維修和重新標(biāo)定, 工作壽命仍不是很長(zhǎng), 測(cè)量的重復(fù)精度較低, 且安裝困難。
1 .4電容式液位儀
電容式液位儀的核心是電容液位傳感器。該傳感器一般由標(biāo)準(zhǔn)電容、測(cè)量電容和比較電容等組成。其中, 比較電容用來測(cè)量液體的介電常數(shù), 測(cè)量電容用來檢測(cè)液位的變化。由液體的介電常數(shù)和測(cè)量電容的容量計(jì)算出液位。電容式液位儀價(jià)格較低, 安裝容易, 且可以應(yīng)用于高溫、高壓的測(cè)量場(chǎng)合,如Kotron 系列液位儀能忍受5 , 000psi 和1 , 000 ℉的惡劣條件。但電容液位儀測(cè)量重復(fù)精度較低, 需定期維修和重新標(biāo)定, 工作壽命也不是很長(zhǎng)。
1 .5磁致伸縮液位儀
磁致伸縮液位儀采用磁致伸縮技術(shù)來測(cè)量大罐的油水界面和油氣界面。通常情況下, 磁致伸縮液位儀安裝有兩個(gè)浮子, 其中一個(gè)浮子的密度小于油品的密度, 另一個(gè)浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度, 分別用來檢測(cè)油氣界面和油水界面。各浮子內(nèi)都藏有一組磁鐵, 從而產(chǎn)生一固定磁場(chǎng)。測(cè)量時(shí), 液位計(jì)頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖, 該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿波導(dǎo)管內(nèi)感應(yīng)線向下傳導(dǎo)。當(dāng)電流磁場(chǎng)與浮子磁場(chǎng)相遇時(shí), 產(chǎn)生“返回”脈沖(也稱“ 波導(dǎo)扭曲”脈沖)。詢問脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差即對(duì)應(yīng)油水界面和油氣界面的高度。
磁效應(yīng)液位計(jì)安裝容易, 無須定期維修和重新標(biāo)定, 工作壽命較長(zhǎng), 其測(cè)量精度較高, 測(cè)量的重復(fù)精度較高, 是比較理想的接觸型液位計(jì)。但磁效應(yīng)液位計(jì)與被測(cè)液體接觸, 容易受到腐蝕, 且液體密度變化會(huì)帶來測(cè)量誤差, 浮子沿著波導(dǎo)管外的護(hù)導(dǎo)管上下移動(dòng), 容易被卡死。
1 .6HTG(Hydrostatic Tank Gauge)測(cè)量裝置
HTG 測(cè)量裝置一般采用三個(gè)高精度的壓力傳感器P1 、P2 、P3 和一個(gè)RTD 溫度檢測(cè)元件來測(cè)量油品的重量、密度、液位和體積。對(duì)于常壓油罐, 氣相壓力傳感器P3 可以省去。設(shè)壓力傳感器P1 、P2 、P3測(cè)得的壓力分別為p1 、p2 、p3 , 則罐內(nèi)油料重量=p1 ×油罐平均截面積密度=(p1 -p2)G/H標(biāo)準(zhǔn)體積=重量/基礎(chǔ)溫度下的密度液面=p1/密度
其中,G 是重度系數(shù),H 為壓力傳感器P1 、P2 之間的距離, 標(biāo)準(zhǔn)體積是對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)溫度為60 ℉的體積。
由此可見, 重量是由p1 直接計(jì)算得到的, 精度較高;而體積和液位都是在假設(shè)油料密度均勻和溫度一致的條件下推算得到的, 誤差較大。如果油料存在分層現(xiàn)象, 則體積和液位測(cè)量值都是偏小的。HTG 測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格較低, 但仍須定期維修和重新標(biāo)定, 測(cè)量重復(fù)精度較低, 安裝須在罐壁開孔, 且液位信號(hào)的誤差較大。吹氣式和壓力稱重式液位計(jì)等都屬接觸型測(cè)量系統(tǒng), 不再贅述。
2、非接觸型大罐液位測(cè)量裝置的現(xiàn)狀
非接觸型測(cè)量系統(tǒng)主要包括超聲波液位儀、射線液位儀、振動(dòng)液位儀、微波雷達(dá)液位儀、激光雷達(dá)液位儀等, 這類測(cè)量系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是敏感元件與被測(cè)液體不接觸。
2 .1超聲波液位儀
超聲波液位儀是由換能器將功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波, 射向液面, 經(jīng)液面反射后進(jìn)入超聲波檢測(cè)裝置, 再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。二次儀表根據(jù)發(fā)射脈沖與接受脈沖之間的時(shí)間差和介質(zhì)中超聲波的傳播速度, 計(jì)算出油罐的空高, 繼而求得液位高度。超聲波液位儀的價(jià)格較低, 但其傳播速度受傳播介質(zhì)的影響較大, 測(cè)量精度較低, 測(cè)量重復(fù)精度低, 仍須定期維修和重復(fù)標(biāo)定。正是如此, 目前超聲波液位儀已不代表大罐液位儀的發(fā)展方向。
2 .2射線液位儀
核輻射放出的射線(如γ射線等)具有較強(qiáng)的穿透能力, 且穿過不同厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性,核輻射式液位儀正是利用這一原理來測(cè)量液位的[ 3] 、[ 5] 。核輻射式液位儀的核輻射源用點(diǎn)式或狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu), 安裝在油罐的外面, 狹長(zhǎng)型核輻射檢測(cè)元件也安裝在油罐外面, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)。除利用核輻射射線來測(cè)量外, 還可采用中子射線來測(cè)量液位。中子射線的穿透能力*強(qiáng), 比γ射線強(qiáng)10 倍以上, 可穿透壁厚達(dá)9 英寸的鋼質(zhì)容器[ 5] 。射線液位儀安裝非常方便, 測(cè)量精度能滿足大罐測(cè)量的需要, 有一定的應(yīng)用場(chǎng)合。
2 .3振動(dòng)液位儀[ 8]
振動(dòng)液位儀是測(cè)量大罐液位的新式儀器之一。其原理是, 罐壁受激振動(dòng)的功率譜與激振點(diǎn)及液面間的相對(duì)位置有關(guān), 因而根據(jù)譜圖就能計(jì)算出液位。振動(dòng)液位儀由導(dǎo)軌、測(cè)試架、激錘、振動(dòng)傳感器、伺服機(jī)構(gòu)等組成。伺服機(jī)構(gòu)控制振錘上下爬動(dòng)并激振,振動(dòng)傳感器檢測(cè)激振后的自由振動(dòng), 再對(duì)信號(hào)進(jìn)行FET 變換, 并求得*大功率處的頻率, *后由空罐時(shí)固有頻率/液位關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)得液位。這種新式液位儀需要激錘、伺服機(jī)構(gòu)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件, 其工作壽命不是很長(zhǎng), 須定期維修和重新標(biāo)定, 安裝也較復(fù)雜。
2 .4微波雷達(dá)液位儀　
雷達(dá)液位儀發(fā)明于60 年代, 當(dāng)時(shí)是為滿足油槽船等測(cè)量需要而產(chǎn)生的, 價(jià)格相當(dāng)昂貴。這種液位儀采用9 ～ 10GHz 連續(xù)波形式的微波調(diào)頻技術(shù)[ 9](FMCW)[ 10] , 利用液面對(duì)微波信號(hào)的反射來測(cè)量大罐液面。雷達(dá)的入射信號(hào)和反射信號(hào)存在頻率差,由該頻差即可確定油罐的空高, 再用油罐全高減去空高得到液位。
以上是普通的液位雷達(dá)。目前, 波導(dǎo)液位雷達(dá)的研究發(fā)展較快, 是微波液位雷達(dá)的發(fā)展方向之一。波導(dǎo)雷達(dá)液位儀的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR。測(cè)量液位時(shí), 波導(dǎo)液位雷達(dá)每秒鐘產(chǎn)生20 萬個(gè)能量脈沖并送入波導(dǎo)體中。當(dāng)這些脈沖遇到油水界面時(shí), 由于波導(dǎo)體在氣體中和在液體中的導(dǎo)電性能大不相同, 波導(dǎo)的阻抗發(fā)生變化, 從而產(chǎn)生一個(gè)液位反射原始脈沖, 與預(yù)先設(shè)定的和阻抗對(duì)應(yīng)的基本脈沖(又稱基線反射脈沖)相比較, 從而確定液位。波導(dǎo)雷達(dá)液位儀突出的優(yōu)點(diǎn)是能耗低。GWR 輸出到波導(dǎo)中的信號(hào)能量非常小, 約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量的10 %。這是因?yàn)椴▽?dǎo)給信號(hào)傳輸提供了高效的通道, 信號(hào)的衰減保持在*小程度。雷達(dá)液位儀特別適合于高粘度或高污染度的產(chǎn)品, 如瀝青等。雷達(dá)液位儀測(cè)量的重復(fù)精度較高, 無須定期維修和重新標(biāo)定, 測(cè)量精度也較高, 但安裝比較復(fù)雜, 價(jià)格較高, 測(cè)量油水界面較困難。
2 .5激光雷達(dá)液位儀
激光雷達(dá)液位儀通過液面對(duì)激光信號(hào)的反射來測(cè)量液位。這種液位儀大都采用發(fā)射和接受異軸的光學(xué)系統(tǒng), 也有采用同軸的。激光雷達(dá)液位儀的主要缺點(diǎn)是對(duì)液面的波動(dòng)很敏感, 大罐內(nèi)的油蒸汽、水蒸汽等微粒對(duì)測(cè)量不利, 且光學(xué)鏡頭須定期保持。
3、大罐液位測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)
3 .1液位儀的多樣化趨勢(shì)將繼續(xù)存在
綜上所述, 多種液位儀并存的局面還將繼續(xù)存在。液位儀的選擇, 應(yīng)考慮成本、測(cè)量精度、介質(zhì)的介電常數(shù)和波動(dòng)狀況、罐內(nèi)的霧化和蒸汽狀況等因素。
3 .2磁致伸縮液位儀是當(dāng)前*理想的接觸型大罐液位測(cè)量裝置之一
磁致伸縮液位儀的*大特點(diǎn)是測(cè)量精度高, 可達(dá)0 .025 %, 且價(jià)格和安裝成本低, 日常維護(hù)量小。另外, 由于采用波導(dǎo)管來傳播電磁脈沖, 故介質(zhì)的霧化和蒸汽、介質(zhì)表面的泡沫、大罐內(nèi)的梯子等都不會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成較大的影響。
3 .3微波雷達(dá)液位儀是非接觸型大罐液位測(cè)量裝置的重要發(fā)展趨勢(shì)
超聲波液位儀受到聲速隨溫度和儲(chǔ)存物質(zhì)的化學(xué)成份以及罐中蒸汽運(yùn)動(dòng)的影響, 其測(cè)量精度低, 需定期維修和重復(fù)標(biāo)定。激光雷達(dá)液位儀等光學(xué)測(cè)量裝置, 對(duì)液面的波動(dòng)非常敏感[ 10] , 且罐內(nèi)的塵埃和油污沾污檢測(cè)鏡頭, 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而雷達(dá)液位儀的測(cè)量精度較高, 無需定期維修和重新標(biāo)定。價(jià)格高曾經(jīng)是微波雷達(dá)液位儀的主要缺點(diǎn), 但隨著導(dǎo)波雷達(dá)的出現(xiàn), 其價(jià)格已同其它常用的液位測(cè)量?jī)x表相當(dāng)[ 13] 。因此, 目前微波雷達(dá)液位儀是非接觸型大罐液位測(cè)量裝置的重要發(fā)展趨勢(shì)。