浮子式液位计是实际是一类液位计种类，其典型的应用就是常见的浮标液位计，其应用范围非常广泛。传统型的浮子液位计适合在各类具有黏稠介质的测量中有很好的表现，不过对于易于挥发结晶的介质和特别黏稠状介质, 传统浮子液位计的使用会还是会打折扣。本文基于地下槽体液位测量环境的实际状况, 并结合传统浮子液位计的测量原理和结构特点, 提出了一种具有高度、制作方便、环境适应程度高、抗干扰性强、耐腐蚀能力强、维护使用方便等诸多优势的改进型浮子液位计。通过实际投产使用，该改进型浮子液位计的测量效果基本达到了初的设计要求，在继承了传统浮子液位计优点的基础上, 并通过结构改造, 成功克服了传统浮子液位计在液位测量过程中的局限性。此方案不但解决了地下槽体液位测量过程中常见的问题, 同时也石化等行业生产过程中地下槽体液位计的使用提供有益的思路。
0 、引言：
化工工业生产过程中, 槽体一般作为载体被用于液态反应介质的运输和存储, 是生产工艺中重要的容器。槽体内部液面应始终处于理想的工作高度, 故槽体介质液面高度成为工艺生产过程中需要控制的一个重要参数。实现地下槽体液位的快速、准确测量, 对于工艺控制过程至关重要[1]。地下槽体内环境十分复杂, 各种因素均会对液位测量造成影响。为安全起见, 液位测量值通常作为工业生产中触发安全仪表系统启动的联锁条件[2]。工业生产中, 充分分析现场测量条件和影响因素, 选择适合现场工艺测量条件的测量仪表, 已成为工业仪表测量业内的共同努力方向。
1 、研究背景：
工业生产中, 针对地下槽体、罐体的液位测量方式众多, 测量设备多种多样。因此, 选择一种符合具体工况条件的液位计尤为重要。目前, 常用的液位测量装置, 按测量原理可分为接触式和非接触式两种。接触式液位测量装置有人工检尺、浮子液位计等, 非接触式液位测量装置有雷达液位计、核辐射液位计、超声波液位计等。与接触式液位测量装置相比, 非接触式测量在技术含量和测量精度上具有一定的优势。但由于受使用成本高和苛刻的使用环境等因素限制, 非接触式测量装置在国内外市场上还无法普及使用。根据市场统计, 国内市场上目前普遍使用的是人工检尺和浮子液位计。人工检尺对人的操作技能要求较高, 受客观因素影响大, 测量精度有限;在恶劣工况下, 测量具有高风险。浮子液位计在使用过程中经常会出现机械卡滞、密度调节困难、维修复杂等现象。因此, 研制出一套具备维护方便、制作简单、精度高等多种优势的实用型浮子液位计, 对于实际工业生产测量有着深远的意义[3]。为此, 本文介绍了一种改进型浮子液位计, 可用于测量地下槽体、罐体等设备的液位。
工业生产中, 人们通常运用多种方法来进行容器内液体的物位测量。传统浮子液位计就是常用的一种。由于环境和工况等因素的影响, 传统浮子液位计在液位测量过程中存在很大的局限性。特别是在焦化行业中的地下槽体、罐体等杂质较多、工况复杂的环境中, 由于传统浮子液位计为接触式测量装置, 其浮球会被粘上焦油等杂质, 导致浮球密度增大, 不能正常地浮在被测介质表面, 从而影响液位计的测量。与之相比, 非接触式测量的雷达液位计则优势明显。其不接触被测量介质, 避免了上述情况的出现。雷达波的传输方向一定, 回波受被测量槽体的内部结构限制。对于结构复杂的槽体, 雷达波在传播过程中呈无序状态, 进而影响液位测量的精度, 不能有效实现其功能。
2 、传统浮子液位计:
2.1 、组成结构:
传统浮子液位计由浮球、传动部件、显示系统组成, 其结构如图1所示。
图1 传统浮子液位计结构图
利用浮球密度小、漂浮在被测介质界面之上的特征, 传动部件将浮球的位置传递到显示系统;显示系统将传动部件传递的浮球位置信息通过机械、电子、电磁、光学等不同形式显示。按其结构形式, 浮子可分为杠杆式、平衡式、导杆式、连杆式、连通管式。
2.2 、工作方式：
传统浮子液位计是利用恒浮力原理工作的液位测量仪器。密度比被测液体小的浮球, 受到浮力的作用漂浮在被测介质表面, 通过测量浮球的位置变化反映被测介质在罐体中的液位情况。目前, 浮子液位计分为磁性浮子液位计和浮球浮子液位计两类[5]。磁性浮子液位计也称为磁翻转液位计, 是安装于现场的显示仪表。其原理为:装有磁铁的浮子依靠浮力漂浮在被测介质表面时, 随着介质液面的变化, 拥有磁性的浮子也与液面发生一致变化, 并通过磁极间相互作用使双色磁翻柱发生翻转, 进而显示液位。磁性浮子液位计则是一种具有远传功能的测量仪表。其原理为:在传感器中等距离安装一定数量的电阻, 当浮球到达某一位置时就会将电阻两侧接通;通过测量输出端的电阻信号值的大小, 即可换算出该处液位, 然后再由变送器转换成标准4~20 m A电流信号, 并被远传至中央控制室计算机或二次仪表显示。
传统浮子液位计具有四个特点: (1) 安全可靠, 适用于易燃、易爆液体液位测量; (2) 不受多种外界因素的限制, 适用于黏度大的介质、有毒或无毒卫生型介质、有腐蚀性介质的物位测量[6]; (3) 具有就地显示直读性, 读数直观, 清晰明了; (4) 无需多组液位计组合, 单机运行即可实现测量功能, 具有较强的单体全量程测量功能[7]。
3 、传统浮子液位计测量的干扰因素：
传统浮子液位计是一种采用恒浮力原理工作的液位测量仪表, 目前被广泛应用于地下槽体的液位测量。当被测量介质液面平静时, 浮球工作环境比较好, 在导管中可以平稳地上下运动, 且能准确测量出介质液面高度, 测量精度高。实际使用过程中会出现各种各样的干扰因素, 使浮球不能正常工作, 影响测量精度[1]。
(1) 介质温度。
介质存放的环境温度对被测介质形态的影响很大。如果温度太低, 会造成地下槽体内易结晶的介质出现结晶现象。结晶物附着在传统浮子液位计的浮球表面, 改变了浮球的重量, 使浮球不能正常地漂浮在介质表面, 从而影响液位测量。测量过程中, 介质的不同温差对传统浮子液位计的测量偏差有着一定的影响[8]。
(2) 机械故障。
从结构上看, 传统浮子液位计大多使用机械滑轮和钢丝作为信号传递的载体。机械结构会因腐蚀、外力、浮球表面结晶卡滞等原因引起机械故障。若机械故障不能及时排除, 必然会造成传统浮子液位计不能正常工作。
(3) 液体的扰动。
地下槽体内液体介质的搅拌、流入、流出均会造成槽内被测介质液面的扰动。槽体液面的扰动会引起传统浮子液位计的浮球位置不稳定, 造成无法读取液位计的准确数值, 严重影响浮球液位计的正确测量。
4、改进措施：
对于以上提出的、影响传统浮子液位计测量准确度的因素, 通过分析其本质, 提出具有针对性的改进措施。在传统浮子液位计结构的基础上, 对测量机构、显示机构和测量硬件等方面进行改进, 以规避原有的影响因素, 达到测量稳定、度高的效果。
4.1、测量结构：
针对以上传统浮子液位计测量的干扰因素, 对传统浮子液位计的部分测量结构采取了针对性的改进措施, 解决干扰因素问题。改进型浮子液位计结构如图2所示。
图2 改进型浮子液位计结构图
改进型浮子液位计在原来的测量基础上增加了密封块和上、下开孔, 并改变了测量杆和浮球的接触形式。测量导管必须垂直于液面安装。浮球处于测量导管内部, 其直径与测量导管直径相同, 材料视容器内被测介质密度而定。材料密度应小于介质密度, 使浮球漂浮在介质表面, 且可以随着液位的升高, 在浮力的作用下于测量导管内部上下移动。测量导管上下均开设一开孔。考虑到被测介质内杂质堵塞导波管下部开孔位置, 可根据实际, 在不影响测量导管结构安全的情况下, 增加下开孔处环测量导管同一平面上的开孔数量。在测量导管上开孔, 可使浮球上部与容器内上部气压一致, 从而保证测量管内外液面相同。测量指针固定在测量杆上, 随测量杆上下移动, 与刻度尺配合准确指示槽体内液位高度。
与传统浮子液位计相比, 改进型浮子液位计大的不同就是测量杆和浮球分离安装。测量杆下方是一个喇叭口, 浮球上浮顶住喇叭口, 从而作用于测量杆。测量杆为一个中空贯穿整个杆体。若浮球因介质结晶或者黏度大等原因附着在浮球上, 可在顶部采用蒸气或清水等合适的介质对浮球进行清洗。浮球材料用耐腐蚀性较强的材料制成, 还要保证其密度较小, 使其在测量导管内可以漂浮、上下移动。
改进型浮子液位计零部件简单, 安装便捷、可靠, 适用于封闭、半封闭以及全开放式地下槽体的液位测量。测量导管的安装可以有效防止介质湍流引起的内部液面波动, 避免了被测介质液面波动引起的测量误差。加装测量导管, 减小了浮球下方接触介质的面积, 可有效避免结晶介质的挥发[9]。
4.2、 安装注意事项：
改进型浮球液位计在安装时, 要与槽体入口和泵出口保持安全距离, 并有效避开槽体内的搅拌装置, 从而防止介质湍流对改进型浮子液位计的干扰[10]。改进型雷达液位计的测量杆为中空结构, 测量封闭或半封闭槽体液位时, 应将测量杆顶部开口进行封堵, 防止槽体内介质蒸发从测量杆中空部分溢出, 影响槽体气密性。
浮球在测量导管内运动时, 管道内部不平整或测量导管安装不垂直于被测界面, 均会造成浮球运动过程中其与罐壁之间的摩擦。为减小罐壁摩擦带来的阻力, 测量导管在安装时一定要垂直于被测介质液面。
4.3、应用结果：
改进型浮子液位计被用于地下槽体液位的测量、测量误差可以缩小至±0.5mm以内, 测量过程安全稳定, 测量数据度高、数值可靠。改进型浮子液位计有效弥补了传统浮子液位计在测量过程中的不足, 维护方便、成本低廉、测量稳定, 为生产的安全运行提供了有力的保障。
5、结束语：
传统浮子液位计在实际使用过程中, 由于被测介质黏度大、介质结晶、设备腐蚀造成的机械卡滞等问题, 测量结果误差很大。通过对传统浮子液位计测量机构、显示机构、测量硬件等方面的改进, 成功规避了以上影响因素, 达到测量稳定、度高的效果。改进型浮子液位计设计简单、易于操作、维护方便, 适用于石油、焦化、化工等行业的地下槽体液位测量, 具有很高的推广和实用价值。
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