多個(gè)品種液位計(jì)的功能及應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量

液位測(cè)量通常是安全可靠的過(guò)程工廠運(yùn)行的關(guān)鍵，涵蓋了點(diǎn)和連續(xù)液位測(cè)量應(yīng)用。它廣泛用于各種應(yīng)用，包括儲(chǔ)罐，緩沖罐，泵井，鍋爐桶，閃蒸罐，蒸餾塔回流罐和再沸器。

液位測(cè)量有多種用途，包括

溢出保護(hù);

泵干運(yùn)行保護(hù);

鍋爐汽包臨界水位監(jiān)測(cè);

庫(kù)存控制和保管計(jì)量。

液位測(cè)量是檢測(cè)蒸汽/液體，液體/液體，蒸汽/固體甚至液/固界面之間的相分離。可靠的結(jié)果通常取決于相條件，并且某些方法在所有工藝條件下相對(duì)一致。不幸的是，水平控制的重要性并不總是受到重視。未能可靠地測(cè)量水平導(dǎo)致了一些較嚴(yán)重的工業(yè)事故，包括英國(guó)邦斯菲爾德，燃料儲(chǔ)存庫(kù)和英國(guó)石油公司（BP）德克薩斯城煉油廠。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，測(cè)量和傳輸過(guò)程水平的技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了重大變化。用于將儀器連接到過(guò)程的脈沖線在新裝置上出現(xiàn)頻率較低，并且在現(xiàn)有裝置上被替換; 如果使用，它們?cè)谠O(shè)計(jì)，安裝和維護(hù)期間需要專業(yè)知識(shí)才能進(jìn)行可靠的測(cè)量。

一，數(shù)據(jù)傳輸
傳感器和變送器的開(kāi)發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)新相結(jié)合，可降低安裝成本，簡(jiǎn)化維護(hù)并提高工廠性能。智能變送器提供雙向數(shù)字通信和診斷功能。通過(guò)高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART?）協(xié)議，4-20 mA和HART數(shù)字信號(hào)通過(guò)相同的專用線路傳輸，提供集中功能，可配置，校準(zhǔn)，表征和診斷設(shè)備以及報(bào)告功能。無(wú)需額外硬件即可從多參數(shù)設(shè)備捕獲數(shù)據(jù)，從而提供預(yù)測(cè)性維護(hù)功能。

現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信的發(fā)展允許使用單個(gè)電纜總線結(jié)構(gòu)連接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這種多回路功能可以減少布線，安裝時(shí)間和成本。現(xiàn)場(chǎng)總線是一種設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)。有幾種可用的協(xié)議，較常見(jiàn)的是Modbus?，PROFIBUS PA和Fieldbus FOUNDATION?。

II。功能安全
功能安全涉及系統(tǒng)或設(shè)備的整體安全性，這取決于系統(tǒng)或設(shè)備響應(yīng)其輸入而正確運(yùn)行，包括安全管理可能的操作員錯(cuò)誤，硬件和軟件故障以及環(huán)境變化。IEC 61508和IEC 61511是通用功能安全標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋電氣，電子或可編程電子（E / E / PE）系統(tǒng)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和整個(gè)生命周期。符合這些標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)人員選擇傳感器和系統(tǒng)，這些傳感器和系統(tǒng)在一起使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)需求失敗的概率，該概率落在測(cè)量/控制回路的計(jì)算安全完整性等級(jí)（SIL）的限制范圍內(nèi)。

在關(guān)鍵應(yīng)用程序中，通常的做法是安裝兩個(gè)或多個(gè)冗余級(jí)別系統(tǒng)。冗余意味著沒(méi)有任何單一設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致所有功能的丟失。常見(jiàn)原因故障可能意味著所有冗余系統(tǒng)可能同時(shí)發(fā)生故障。使用相同測(cè)量方法，傳感器或通用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)通常更容易受到常見(jiàn)原因故障的影響。

船舶液位監(jiān)測(cè)和控制的常見(jiàn)解決方案是安裝連續(xù)監(jiān)測(cè)液位變送器，以控制容器內(nèi)容物的流入或流出，同時(shí)配備控制器和控制閥或變速泵。在一些應(yīng)用中，例如緩沖罐，允許水平在上限和下限之間浮動(dòng)，并且通常將使用僅比例模式控制。如果要將電平控制在固定點(diǎn)，則需要使用比例和積分模式來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差。電平通常是噪聲測(cè)量，因此衍生模式通常不適合，因?yàn)樗�根�?jù)測(cè)量變化率進(jìn)行操作。

可以從模擬電平信號(hào)導(dǎo)出高電平和低電平警報(bào)。然后可以通過(guò)點(diǎn)位開(kāi)關(guān)提供額外的報(bào)警和跳閘，這些開(kāi)關(guān)通過(guò)硬接線來(lái)停止泵或適當(dāng)?shù)仃P(guān)閉閥門。

功能安全保護(hù)（實(shí)際上所有保護(hù)級(jí)開(kāi)關(guān)電路）的固有特性是故障安全設(shè)計(jì)的原則。高壓和低壓開(kāi)關(guān)都應(yīng)在發(fā)生報(bào)警或跳閘情況時(shí)開(kāi)路。但是，整個(gè)系統(tǒng)需要深入研究，以確定潛在的危險(xiǎn)情況，并確保校準(zhǔn)和跳閘測(cè)試設(shè)施和程序是可以接受的。

盡管由于將過(guò)程驅(qū)動(dòng)到所需條件（例如，容器中的高水平）的問(wèn)題而通常難以實(shí)現(xiàn)水平儀器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但是對(duì)于令人滿意的操作的測(cè)試頻率可能對(duì)系統(tǒng)可靠性具有重大影響。使用實(shí)時(shí)診斷來(lái)確保傳感器和電路的完整性可以大大提高整個(gè)環(huán)路的可靠性。

III。應(yīng)用注意事項(xiàng)
必須充分了解過(guò)程流體的物理性質(zhì)變化以及在正常和異常條件下過(guò)程中可能發(fā)生的相變。某些類型的傳感器性能可能受到表面條件的影響，例如由于工藝沸騰引起的起泡或湍流，填充方法，容器攪動(dòng)或來(lái)自其他容器內(nèi)部組件的干擾。應(yīng)考慮將傳感器安裝在靜止井或外部籠中。

應(yīng)考慮測(cè)量?jī)x器的選擇和規(guī)格

濕部件與工藝流體的相容性;

工作壓力和溫度限制;

校準(zhǔn)和功能測(cè)試要求;

SIL等級(jí)和認(rèn)證（如適用）;

危險(xiǎn)區(qū)域（ATEX）認(rèn)證（如適用）;

入口保護(hù)（IP）等級(jí)，以適應(yīng)環(huán)境條件。

IV。靜水壓方法
該方法可用于連續(xù)的間接液位測(cè)量，并測(cè)量由于液位和密度加上壓力容器的壓力，以及蒸汽空間壓力。對(duì)于非加壓容器，傳感器測(cè)量靜水壓頭與大氣壓之間的壓力差。儀器可以通過(guò)法蘭安裝，懸掛在靜止井中或桿插入型中，后者不建議用于沒(méi)有額外支撐或靜止井的湍流條件。溫度變化會(huì)影響測(cè)量精度。

簡(jiǎn)化水平方程

h = P \ ρ
其中h是液柱高度（m），P是等效液柱水（kg / m 2）施加的壓力，ρ是液體密度（kg / m 3）。

圖1 圖1顯示了使用隔膜密封件的加壓容器的典型安裝，但應(yīng)考慮在容器連接處提供初級(jí)隔離和校準(zhǔn)設(shè)施（閥歧管）以便于維護(hù)。

圖1.帶隔膜密封的靜液壓液位變送器

起泡器方法（圖2）測(cè)量由液位靜水壓頭產(chǎn)生的背壓。這是較早的連續(xù)液位測(cè)量方法之一，它仍然可以在通風(fēng)容器上經(jīng)常用于清潔流體，以及用于維護(hù)不可行的應(yīng)用的應(yīng)用，例如核廢料處理廠中的工藝單元。該方法不應(yīng)用于易于堵塞的工藝流體，例如結(jié)晶，聚合或沉積。該方法可用于加壓容器，但低壓連接需要在設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮，以避免過(guò)程流體的收集并確保穩(wěn)定的可再現(xiàn)壓力條件。其他方法可能更合適。
 

圖2.鼓泡器安裝

儀表空氣或諸如氮?dú)獾钠渌麣怏w鼓泡通過(guò)汲取管，該流動(dòng)通常由針閥和可變面積流量計(jì)組合控制。連接到汲取管的差壓變送器盡可能靠近噴嘴，檢測(cè)與靜水壓頭成比例的壓力。可以通過(guò)使用壓力開(kāi)關(guān)代替發(fā)射器來(lái)完成點(diǎn)水平檢測(cè)。

V.位移方法
置換器連續(xù)或點(diǎn)水平方法通過(guò)扭矩管或杠桿裝置測(cè)量水平的變化，該扭矩管或杠桿裝置檢測(cè)置換器上的推力的變化。連續(xù)測(cè)量范圍由置于罐內(nèi)或外籠中的置換器長(zhǎng)度決定（圖3），這在嘈雜的應(yīng)用中是優(yōu)選的。點(diǎn)法使用浮子，其范圍受浮臂長(zhǎng)度的限制。在流體密度保持恒定的情況下，可以使用這種機(jī)械方法; 不存在流體粘附到置換器的風(fēng)險(xiǎn)，并且操作頻率不會(huì)出現(xiàn)磨損問(wèn)題。
 

圖3.帶外部保持架的位移液位變送器

這種方法的變型包括一個(gè)裝有磁性浮子的管子，它可以激活整體的視覺(jué)指示和外部安裝的簧片開(kāi)關(guān)。點(diǎn)水平測(cè)量還可以采用浮子開(kāi)關(guān)，其通過(guò)安裝法蘭或外部籠子直接安裝到容器中。還存在液位開(kāi)關(guān)，用于通過(guò)容器上的頂部法蘭安裝，并采用浮球，懸掛桿和開(kāi)關(guān)桿的組合。

VI。核子液位計(jì)測(cè)量方法
核點(diǎn)或連續(xù)，非接觸，水平方法測(cè)量放射在血管中的放射性（γ）源的信號(hào)強(qiáng)度（圖4））。它通常與流體性質(zhì)如壓力和溫度無(wú)關(guān)，盡管密度的變化可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確。典型測(cè)量范圍為0.24-3.36米。通過(guò)在容器的對(duì)角相對(duì)側(cè)安裝核源和檢測(cè)器/開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)水平測(cè)量。
    
圖4.連續(xù)核子級(jí)測(cè)量

該方法已成功應(yīng)用于困難的應(yīng)用，如在所有溫度和壓力條件下測(cè)量閃蒸容器和蒸餾塔再沸器的水平，以及檢測(cè)三相分離器上的液體界面。用戶應(yīng)注意放射源所有者需要許可證。

七。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量方法
雷達(dá)點(diǎn)或連續(xù)水平方法測(cè)量從液體表面?zhèn)鬏敽头瓷涞拿}沖的傳播時(shí)間。可以抑制由罐內(nèi)部構(gòu)件和攪拌器產(chǎn)生的干擾回波，并且可以表征信號(hào)以產(chǎn)生液體體積。雷達(dá)天線（圖5）與液體沒(méi)有接觸但是暴露在頂部空間條件下，流體可能覆蓋天線，影響其操作。反射率要求的液體的介電常數(shù)（ε - [R ）為≥1.4（碳?xì)浠�合�?.9-4.0，有機(jī)溶劑4.0-10和導(dǎo)電液體> 10）。通過(guò)導(dǎo)向雷達(dá)調(diào)整天線和信號(hào)條件以適應(yīng)過(guò)程（圖6）被用于低ε - [R和湍流條件。該方法適用于要求保證精度±0.5mm的貿(mào)易交接。有多種天線可在不同的微波頻率下工作，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
 

圖5和圖6.非接觸式雷達(dá)液位測(cè)量

引導(dǎo)式接觸雷達(dá)液位測(cè)量

八。電容式液位計(jì)測(cè)量方法
電容點(diǎn)或連續(xù)電平法適用于可用作電介質(zhì)的液體。測(cè)量是當(dāng)介電常數(shù)δε差更靈敏?液體和蒸氣空間的或兩種液體之間較高。特殊設(shè)計(jì)，涉及涂層和雙探針，使用時(shí)δε - [R <1.0，電導(dǎo)率> 100μmho或克服探針?lè)e聚和容器涂層或材料是不導(dǎo)電的。精度取決于流體屬性，因此不建議將該技術(shù)用于改變條件。

IX。超聲波法
超聲波點(diǎn)或連續(xù)液位測(cè)量（圖7）基于飛行時(shí)間原理。傳感器發(fā)射并檢測(cè)20-200kHz范圍內(nèi)的超聲波脈沖，這些脈沖從液體表面反射。該方法不受ε - [R ，電導(dǎo)率，密度或濕度，雖然發(fā)泡會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
 

圖7.超聲波液位計(jì)安裝

該方法還受到氣相條件變化的影響，包括溫度變化（可以補(bǔ)償），冷凝和儀器表面上的材料涂層。安裝需要仔細(xì)考慮，以避免由容器邊緣，焊接接頭，內(nèi)部組件和攪拌器產(chǎn)生的干擾回波，盡管可以過(guò)濾這些干擾回波。在測(cè)量范圍內(nèi)，光束角不得撞擊在容器內(nèi)壁上，并且發(fā)射器的表面必須與被檢測(cè)流體的表面平行。液位計(jì)的傳輸時(shí)間特性決定了傳感器與變送器校準(zhǔn)的上層之間的較小允許距離。

X.稱重液位計(jì)測(cè)量方法
基于應(yīng)變儀或壓阻式傳感器的稱重傳感器測(cè)量過(guò)程容器的重量及其內(nèi)容。可實(shí)現(xiàn)0.03％滿量程的單個(gè)稱重傳感器精度，但總體性能取決于正確的安裝實(shí)踐，以防止由于風(fēng)，相關(guān)管道和設(shè)備引起的外力。對(duì)于帶有夾套，攪拌和復(fù)雜管道的容器，可能難以獲得可接受的精度。當(dāng)容器可以完全隔離時(shí)，如在較終的分配和填充應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)精確稱重。液位測(cè)量?jī)H在液體密度保持恒定時(shí)才可靠。

十一。振動(dòng)音叉液位計(jì)測(cè)量方法
振動(dòng)音叉原理用于檢測(cè)點(diǎn)液體和固體水平。該方法適用于大多數(shù)液體應(yīng)用，一些裝置可耐受材料堆積和氣泡。儀器可用于各種壓力和溫度應(yīng)用。音叉可以側(cè)面安裝在容器中或懸掛在頂部法蘭上（圖8）。叉子通過(guò)壓電方法以其共振頻率激勵(lì)。振蕩的頻率或振幅在被過(guò)程流體覆蓋時(shí)發(fā)生變化。檢測(cè)到變化并轉(zhuǎn)換為切換動(dòng)作。
 

圖8.頂部和側(cè)面安裝的音叉

十二。電導(dǎo)率液位計(jì)使用方法
電導(dǎo)點(diǎn)水平法（圖9）要求液體電導(dǎo)率>0.1μmho，并經(jīng)常用于公用事業(yè)和排出泵控制系統(tǒng)。其他應(yīng)用包括溢流保護(hù)，雙層油箱間隙泄漏檢測(cè)和鍋爐汽包水位檢測(cè)。非金屬容器需要額外的“參考”電極。電導(dǎo)率傳感器為清潔過(guò)程流體提供廉價(jià)，可靠，免維護(hù)的點(diǎn)位檢測(cè)。
 

圖9.電導(dǎo)率水平測(cè)量
 

液位測(cè)量選擇圖表