在化工煉油儲運行業(yè)用于油品的儲存都采用大罐儲存，對于大罐中油品的測量主要是對罐內(nèi)液位、體積和重量等參數(shù)進(jìn)行直接或間接的測量。而油品液位的測量則是通過大罐液位儀來實現(xiàn)的。目前, 用于大罐液位測量的儀表產(chǎn)品很多,有浮標(biāo)浮筒液位計，電伴熱型磁翻板液位計，HTG 液位儀、伺服液位儀等等，此類測量儀表基本上都有數(shù)十年的使用經(jīng)驗，屬于傳統(tǒng)型的基于機械構(gòu)造進(jìn)行測量的液位儀表。磁致伸縮液位儀、超聲波液位儀、微波雷達(dá)液位儀等面世的時間較短，但是隨著生產(chǎn)與管理的現(xiàn)代化要求的提高，對于自動化控制的需求已經(jīng)成為趨勢，對于此類新型儀表的使用與應(yīng)用也在逐年提高，其市場占有份額在未來必定會不斷增高。因此, 有必要對這些液位儀的原理和特點進(jìn)行分析, 繼而對大罐液位儀的發(fā)展趨勢進(jìn)行討論。
大罐液位儀按液位感應(yīng)元件與被測液體接觸與否, 可分為接觸型和非接觸型兩大類。以下先對這兩類液位儀的現(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，浮標(biāo)液位計，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, 并探討了大罐液位儀的發(fā)展趨勢。
1、接觸型大罐液位儀測量裝置的現(xiàn)狀
接觸型大罐液位測量裝置主要包括人工檢尺法、浮子或磁浮筒測量裝置、伺服液位儀、HTG 測量裝置等。它們的共同特點是測量敏感元件與被測液體接觸。
1 .1人工檢尺法
人工檢尺法利用量油心進(jìn)行測量, 有實高測量和空高測量兩種方法。實高測量主要用于測量粘度不大的油品, 它是把末端有試水膏的量油尺, 從測量零點(如罐頂)徐徐投入油品中, 當(dāng)尺鉈與罐底接觸時, 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量用于測量粘度很大的油品, 它只需測得零點至油面高度h , 然后根據(jù)預(yù)先測得的零點至罐底的高度H , 由H -h 得到油品的高度。
人工檢尺法的測量結(jié)果應(yīng)精確到毫米, 并至少測量兩次, 兩次結(jié)果相差不得超過±1mm。人工檢尺法具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點,但需測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, 需要較長的測量時間, 難以實現(xiàn)在線實時測量。
1 .2電伴熱型磁翻板液位計、浮子式和浮筒型測量裝置
電伴熱型磁翻板液位計測量液體時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，使磁性色塊（磁翻板）翻轉(zhuǎn)；磁性液位開關(guān)在對應(yīng)液位點動作；同時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，再經(jīng)過變送器把電阻信號轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號輸出。
電伴熱型磁翻板液位計特點:適用范圍廣、安裝形式多樣，適合任何介質(zhì)的液位、界面的測量
被測介質(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量，可靠性高。
浮子式液位計主要包括有浮筒液位計和浮標(biāo)液位計、浮筒液位計等產(chǎn)品，浮子式測量系統(tǒng)大約在1930 年*次面世, 它采用大而重的浮子作為液位測量元件, 并驅(qū)動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)距離傳輸測量信號。浮筒型測量裝置的磁浮筒內(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量元件。其工作原理是液位變化帶動空心磁浮筒(內(nèi)藏永久磁鐵)沿鋼帶上下移動, 使位于液面處的干簧接點接通, 從而實現(xiàn)對液位的檢測。
浮子式和浮筒型測量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、價格相對低廉等優(yōu)點, 正是如此, 我國仍有一部分油罐采用這種測量系統(tǒng)。但浮子會隨著液面的波動而波動, 從而造成讀數(shù)誤差, 并引起系統(tǒng)的機械磨損, 增加系統(tǒng)的維修量。浮筒型測量系統(tǒng)因干簧或小錳銅電阻的數(shù)量有限, 故其測量精度較低。
1 .3伺服液位儀
在50 年代, 為了克服浮子式液位測量裝置的缺點, 提高測量精度和可靠性, 伺服油罐液位儀應(yīng)運而生。它采用了波動積分電路, 消除了抖動, 延長了壽命。該液位儀還采用了伺服電機和靈敏的測重裝置, 其測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, 且一般都具有測量密度分布和平均密度的功能。
但是, 伺服液位儀屬機械式測量裝置, 機械磨損會直接影響其測量精度, 需定期維修和重新標(biāo)定, 工作壽命仍不是很長, 測量的重復(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、測量電容和比較電容等組成。其中, 比較電容用來測量液體的介電常數(shù), 測量電容用來檢測液位的變化。由液體的介電常數(shù)和測量電容的容量計算出液位。電容式液位儀價格較低, 安裝容易, 且可以應(yīng)用于高溫、高壓的測量場合,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。
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浮子, 其中一個浮子的密度小于油品的密度, 另一個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。測量時, 液位計頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖, 該電流產(chǎn)生的磁場沿波導(dǎo)管內(nèi)感應(yīng)線向下傳導(dǎo)。當(dāng)電流磁場與浮子磁場相遇時, 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間差即對應(yīng)油水界面和油氣界面的高度。
磁效應(yīng)液位計安裝容易, 無須定期維修和重新標(biāo)定, 工作壽命較長, 其測量精度較高, 測量的重復(fù)精度較高, 是比較理想的接觸型液位計。但磁效應(yīng)液位計與被測液體接觸, 容易受到腐蝕, 且液體密度變化會帶來測量誤差, 浮子沿著波導(dǎo)管外的護(hù)導(dǎo)管上下移動, 容易被卡死。
1 .6HTG(Hydrostatic Tank Gauge)測量裝置
HTG 測量裝置一般采用三個高精度的壓力傳感器P1 、P2 、P3 和一個RTD 溫度檢測元件來測量油品的重量、密度、液位和體積。對于常壓油罐, 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)體積是對應(yīng)基礎(chǔ)溫度為60 ℉的體積。
由此可見, 重量是由p1 直接計算得到的, 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, 則體積和液位測量值都是偏小的。HTG 測量系統(tǒng)價格較低, 但仍須定期維修和重新標(biāo)定, 測量重復(fù)精度較低, 安裝須在罐壁開孔, 且液位信號的誤差較大。吹氣式和壓力稱重式液位計等都屬接觸型測量系統(tǒng), 不再贅述。
2、非接觸型大罐液位測量裝置的現(xiàn)狀
非接觸型測量系統(tǒng)主要包括超聲波液位儀、射線液位儀、振動液位儀、微波雷達(dá)液位儀、激光雷達(dá)液位儀等, 這類測量系統(tǒng)的共同特點是敏感元件與被測液體不接觸。
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)入超聲波檢測裝置, 再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號。二次儀表根據(jù)發(fā)射脈沖與接受脈沖之間的時間差和介質(zhì)中超聲波的傳播速度, 計算出油罐的空高, 繼而求得液位高度。超聲波液位儀的價格較低, 但其傳播速度受傳播介質(zhì)的影響較大, 測量精度較低, 測量重復(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量液位的[ 3] 、[ 5] 。核輻射式液位儀的核輻射源用點式或狹長型結(jié)構(gòu), 安裝在油罐的外面, 狹長型核輻射檢測元件也安裝在油罐外面, 可實現(xiàn)對液位動態(tài)變化的檢測。除利用核輻射射線來測量外, 還可采用中子射線來測量液位。中子射線的穿透能力*強, 比γ射線強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, 測量精度能滿足大罐測量的需要, 有一定的應(yīng)用場合。
2 .3振動液位儀[ 8]
振動液位儀是測量大罐液位的新式儀器之一。其原理是, 罐壁受激振動的功率譜與激振點及液面間的相對位置有關(guān), 因而根據(jù)譜圖就能計算出液位。振動液位儀由導(dǎo)軌、測試架、激錘、振動傳感器、伺服機構(gòu)等組成。伺服機構(gòu)控制振錘上下爬動并激振,振動傳感器檢測激振后的自由振動, 再對信號進(jìn)行FET 變換, 并求得*大功率處的頻率, *后由空罐時固有頻率/液位關(guān)系數(shù)據(jù)庫得液位。這種新式液位儀需要激錘、伺服機構(gòu)等機械運動部件, 其工作壽命不是很長, 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)時是為滿足油槽船等測量需要而產(chǎn)生的, 價格相當(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] , 利用液面對微波信號的反射來測量大罐液面。雷達(dá)的入射信號和反射信號存在頻率差,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)是電磁波的時域反射性TDR。測量液位時, 波導(dǎo)液位雷達(dá)每秒鐘產(chǎn)生20 萬個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, 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)生一個液位反射原始脈沖, 與預(yù)先設(shè)定的和阻抗對應(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)點是能耗低。GWR 輸出到波導(dǎo)中的信號能量非常小, 約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量的10 %。這是因為波導(dǎo)給信號傳輸提供了高效的通道, 信號的衰減保持在*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)液位儀測量的重復(fù)精度較高, 無須定期維修和重新標(biāo)定, 測量精度也較高, 但安裝比較復(fù)雜, 價格較高, 測量油水界面較困難。
2 .5激光雷達(dá)液位儀
激光雷達(dá)液位儀通過液面對激光信號的反射來測量液位。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)液位儀的主要缺點是對液面的波動很敏感, 大罐內(nèi)的油蒸汽、水蒸汽等微粒對測量不利, 且光學(xué)鏡頭須定期保持。
3、大罐液位測量的發(fā)展趨勢
3 .1液位儀的多樣化趨勢將繼續(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、測量精度、介質(zhì)的介電常數(shù)和波動狀況、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量裝置之一
磁致伸縮液位儀的*大特點是測量精度高, 可達(dá)0 .025 %, 且價格和安裝成本低, 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)的梯子等都不會對測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量裝置的重要發(fā)展趨勢
超聲波液位儀受到聲速隨溫度和儲存物質(zhì)的化學(xué)成份以及罐中蒸汽運動的影響, 其測量精度低, 需定期維修和重復(fù)標(biāo)定。激光雷達(dá)液位儀等光學(xué)測量裝置, 對液面的波動非常敏感[ 10] , 且罐內(nèi)的塵埃和油污沾污檢測鏡頭, 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而雷達(dá)液位儀的測量精度較高, 無需定期維修和重新標(biāo)定。價格高曾經(jīng)是微波雷達(dá)液位儀的主要缺點, 但隨著導(dǎo)波雷達(dá)的出現(xiàn), 其價格已同其它常用的液位測量儀表相當(dāng)[ 13] 。因此, 目前微波雷達(dá)液位儀是非接觸型大罐液位測量裝置的重要發(fā)展趨勢。