本文概述
在化工炼油储运行业用于油品的储存都采用大罐储存，对于大罐中油品的测量主要是对罐内液位、体积和重量等参数进行直接或间接的测量。而油品液位的测量则是通过大罐液位仪来实现的。目前, 用于大罐液位测量的仪表产品很多,有浮标浮筒液位计，磁翻板液位计，HTG 液位仪、伺服液位仪等等，此类测量仪表基本上都有数十年的使用经验，属于传统型的基于机械构造进行测量的液位仪表。磁致伸缩液位仪、超声波液位仪、微波雷达液位仪等面世的时间较短，但是随着生产与管理的现代化要求的提高，对于自动化控制的需求已经成为趋势，对于此类仪表的使用与应用也在逐年提高，其市场占有份额在未来必定会不断增高。因此, 有必要对这些液位仪的原理和特点进行分析, 继而对大罐液位仪的发展趋势进行讨论。
大罐液位仪按液位感应元件与被测液体接触与否, 可分为接触型和非接触型两大类。以下先对这两类液位仪的现状进行讨论。本文分析了大罐液位仪的现状, 指出了磁翻板液位计，浮标液位计，磁致伸缩液位仪、超声波液位仪、射线液位仪、雷达液位仪等的特点, 并探讨了大罐液位仪的发展趋势。
1 接触型大罐液位仪测量装置的现状
接触型大罐液位测量装置主要包括人工检尺法、浮子或磁浮筒测量装置、伺服液位仪、HTG 测量装置等。它们的共同特点是测量敏感元件与被测液体接触。
1 .1 人工检尺法
人工检尺法利用量油心进行测量, 有实高测量和空高测量两种方法。实高测量主要用于测量粘度不大的油品, 它是把末端有试水膏的量油尺, 从测量零点(如罐顶)徐徐投入油品中, 当尺铊与罐底接触时, 将量油尺垂直向上提起, 然后根据量油尺上所留下的油品痕迹, 读出油面高度。同时根据试水膏颜色的变化判断水垫层的高度, 从而确定油高和水高。空高测量用于测量粘度很大的油品, 它只需测得零点至油面高度h , 然后根据预先测得的零点至罐底的高度H , 由H -h 得到油品的高度。
人工检尺法的测量结果应到毫米, 并至少测量两次, 两次结果相差不得过±1mm。人工检尺法具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点,但需测试人员爬上几米至几十米的大罐进行操作,并暴露在油蒸汽中, 另外, 需要较长的测量时间, 难以实现在线实时测量。
1 .2 磁翻板液位计、浮子式和浮筒型测量装置
磁翻板液位计测量液体时采用顶装或旁通管侧装方式。磁翻柱主体外加装翻柱液位指示器、液位开关及液位变送器。磁单元置于浮球内部或通过顶杆与浮球相连，当浮球连带磁单元随液位变化时，使磁性色块（磁翻板）翻转；磁性液位开关在对应液位点动作；同时液位传感器在浮球磁力的作用下，输出标准的变化电阻信号，再经过变送器把电阻信号转换成4~20mA电流信号输出。
磁翻板液位计特点:适用范围广、安装形式多样，适合任何介质的液位、界面的测量
被测介质与指示结构完全隔离，密封性能好，防泄露、适应高压、高温、腐蚀条件下的液位测量，可靠性高。
浮子式液位计主要包括有浮筒液位计和浮标液位计、浮筒液位计等产品，浮子式测量系统大约在1930 年首次面世, 它采用大而重的浮子作为液位测量元件, 并驱动大罐外壁的编码盘或编码带等显示装置, 或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。浮筒型测量装置的磁浮筒内装有一系列的干簧或小锰铜电阻作为测量元件, 磁浮筒中间带孔, 以便不锈钢套管穿过, 不锈钢套管固定在罐顶和罐底之间, 其内装有一系列的干簧或小锰铜电阻作为测量元件。其工作原理是液位变化带动空心磁浮筒(内藏磁铁)沿钢带上下移动, 使位于液面处的干簧接点接通, 从而实现对液位的检测。
浮子式和浮筒型测量装置具有结构简单、价格相对低廉等优点, 正是如此, 我国仍有一部分油罐采用这种测量系统。但浮子会随着液面的波动而波动, 从而造成读数误差, 并引起系统的机械磨损, 增加系统的维修量。浮筒型测量系统因干簧或小锰铜电阻的数量有限, 故其测量精度较低。
1 .3 伺服液位仪
在50 年代, 为了克服浮子式液位测量装置的缺点, 提高测量精度和可靠性, 伺服油罐液位仪应运而生。它采用了波动积分电路, 消除了抖动, 延长了寿命。该液位仪还采用了伺服电机和灵敏的测重装置, 其测量精度和可靠性等指标都有较大的提高。现代伺服油罐液位仪的测量精度, 已达到40 米范围内小于1 毫米, 且一般都具有测量密度分布和平均密度的功能。
但是, 伺服液位仪属机械式测量装置, 机械磨损会直接影响其测量精度, 需定期维修和重新, 工作寿命仍不是很长, 测量的重复精度较低, 且安装困难。
1 .4 电容式液位仪
电容式液位仪的核心是电容液位传感器。该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成[ 4] 。其中, 比较电容用来测量液体的介电常数, 测量电容用来检测液位的变化。由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。电容式液位仪价格较低, 安装容易, 且可以应用于高温、高压的测量场合,如Kotron 系列液位仪能忍受5 , 000psi 和1 , 000 ℉的恶劣条件[ 5] 。但电容液位仪测量重复精度较低, 需定期维修和重新, 工作寿命也不是很长。
1 .5 磁致伸缩液位仪
磁致伸缩液位仪采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。通常情况下, 磁致伸缩液位仪安装有两个浮子, 其中一个浮子的密度小于油品的密度, 另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度, 分别用来检测油气界面和油水界面。各浮子内都藏有一组磁铁, 从而产生一固定磁场。测量时, 液位计头部发出低电流“询问”脉冲, 该电流产生的磁场沿波导管内感应线向下传导。当电流磁场与浮子磁场相遇时, 产生“返回”脉冲(也称“ 波导扭曲”脉冲)。询问脉冲与返回脉冲之间的时间差即对应油水界面和油气界面的高度。
磁效应液位计安装容易, 无须定期维修和重新, 工作寿命较长, 其测量精度较高, 测量的重复精度较高, 是比较理想的接触型液位计。但磁效应液位计与被测液体接触, 容易受到腐蚀, 且液体密度变化会带来测量误差, 浮子沿着波导管外的护导管上下移动, 容易被卡死。
1 .6 HTG(Hydrostatic Tank Gauge)测量装置[ 6]
HTG 测量装置一般采用三个高精度的压力传感器P1 、P2 、P3 和一个RTD 温度检测元件来测量油品的重量、密度、液位和体积。对于常压油罐, 气相压力传感器P3 可以省去。设压力传感器P1 、P2 、P3测得的压力分别为p1 、p2 、p3 , 则罐内油料重量=p1 ×油罐平均截面积密度=(p1 -p2)G/H标准体积=重量/基础温度下的密度液面=p1/密度
其中,G 是重度系数,H 为压力传感器P1 、P2 之间的距离, 标准体积是对应基础温度为60 ℉的体积。
由此可见, 重量是由p1 直接计算得到的, 精度较高;而体积和液位都是在假设油料密度均匀和温度一致的条件下推算得到的, 误差较大。如果油料存在分层现象, 则体积和液位测量值都是偏小的[ 6] 。HTG 测量系统价格较低, 但仍须定期维修和重新, 测量重复精度较低, 安装须在罐壁开孔, 且液位信号的误差较大。吹气式和压力称重式液位计等都属接触型测量系统, 不再赘述。
2 非接触型大罐液位测量装置的现状
非接触型测量系统主要包括超声波液位仪、射线液位仪、振动液位仪、微波雷达液位仪、激光雷达液位仪等, 这类测量系统的共同特点是敏感元件与被测液体不接触。
2 .1 超声波液位仪
超声波液位仪是由换能器将功率脉冲转换为超声波, 射向液面, 经液面反射后进入超声波检测装置, 再由换能器将该超声波转换为电信号。二次仪表根据发射脉冲与接受脉冲之间的时间差和介质中超声波的传播速度, 计算出油罐的空高, 继而求得液位高度[ 7] 。超声波液位仪的价格较低, 但其传播速度受传播介质的影响较大, 测量精度较低, 测量重复精度低, 仍须定期维修和重复。正是如此, 目前超声波液位仪已不代表大罐液位仪的发展方向。
2 .2 射线液位仪
核辐射放出的射线(如γ射线等)具有较强的穿透能力, 且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性,核辐射式液位仪正是利用这一原理来测量液位的[ 3] 、[ 5] 。核辐射式液位仪的核辐射源用点式或狭长型结构, 安装在油罐的外面, 狭长型核辐射检测元件也安装在油罐外面, 可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量外, 还可采用中子射线来测量液位。中子射线的穿透能力极强, 比γ射线强10 倍以上, 可穿透壁厚达9 英寸的钢质容器[ 5] 。射线液位仪安装非常方便, 测量精度能满足大罐测量的需要, 有一定的应用场合。
2 .3 振动液位仪[ 8]
振动液位仪是测量大罐液位的新式仪器。其原理是, 罐壁受激振动的功率谱与激振点及液面间的相对位置有关, 因而根据谱图就能计算出液位。振动液位仪由导轨、测试架、激锤、振动传感器、伺服机构等组成。伺服机构控制振锤上下爬动并激振,振动传感器检测激振后的自由振动, 再对信号进行FET 变换, 并求得大功率处的频率, 后由空罐时固有频率/液位关系数据库得液位。这种新式液位仪需要激锤、伺服机构等机械运动部件, 其工作寿命不是很长, 须定期维修和重新, 安装也较复杂。
2 .4 微波雷达液位仪
雷达液位仪发明于60 年代, 当时是为满足油槽船等测量需要而产生的, 价格相当昂贵。这种液位仪采用9 ～ 10GHz 连续波形式的微波调频技术[ 9](FMCW)[ 10] , 利用液面对微波信号的反射来测量大罐液面。雷达的入射信号和反射信号存在频率差,由该频差即可确定油罐的空高, 再用油罐全高减去空高得到液位。
以上是普通的液位雷达。目前, 波导液位雷达的研究发展较快, 是微波液位雷达的发展方向。波导雷达液位仪的基础是电磁波的时域反射性TDR。测量液位时, 波导液位雷达每秒钟产生20 万个能量脉冲并送入波导体中。当这些脉冲遇到油水界面时, 由于波导体在气体中和在液体中的导电性能大不相同, 波导的阻抗发生变化, 从而产生一个液位反射原始脉冲, 与预先设定的和阻抗对应的基本脉冲(又称基线反射脉冲)相比较, 从而确定液位。波导雷达液位仪突出的优点是能耗低。GWR 输出到波导中的信号能量非常小, 约为常规雷达发射能量的10 %。这是因为波导给信号传输提供了高效的通道, 信号的衰减保持在小程度。雷达液位仪特别适合于高粘度或高污染度的产品, 如沥青等。雷达液位仪测量的重复精度较高, 无须定期维修和重新, 测量精度也较高, 但安装比较复杂, 价格较高, 测量油水界面较困难。
2 .5 激光雷达液位仪
激光雷达液位仪通过液面对激光信号的反射来测量液位。这种液位仪大都采用发射和接受异轴的光学系统, 也有采用同轴的。激光雷达液位仪的主要缺点是对液面的波动很敏感, 大罐内的油蒸汽、水蒸汽等微粒对测量不利, 且光学镜头须定期保持。
3 大罐液位测量的发展趋势
3 .1 液位仪的多样化趋势将继续存在
综上所述, 多种液位仪并存的局面还将继续存在。液位仪的选择, 应考虑成本、测量精度、介质的介电常数和波动状况、罐内的雾化和蒸汽状况等因素。
3 .2 磁致伸缩液位仪是当前理想的接触型大罐液位测量装置
磁致伸缩液位仪的大特点是测量精度高, 可达0 .025 %, 且价格和安装成本低, 日常维护量小。另外, 由于采用波导管来传播电磁脉冲, 故介质的雾化和蒸汽、介质表面的泡沫、大罐内的梯子等都不会对测量精度造成较大的影响。
3 .3 微波雷达液位仪是非接触型大罐液位测量装置的重要发展趋势
超声波液位仪受到声速随温度和储存物质的化学成份以及罐中蒸汽运动的影响, 其测量精度低, 需定期维修和重复。激光雷达液位仪等光学测量装置, 对液面的波动非常敏感[ 10] , 且罐内的尘埃和油污沾污检测镜头, 影响系统的稳定性。而雷达液位仪的测量精度较高, 无需定期维修和重新。价格高曾经是微波雷达液位仪的主要缺点, 但随着导波雷达的出现, 其价格已同其它常用的液位测量仪表相当[ 13] 。因此, 目前微波雷达液位仪是非接触型大罐液位测量装置的重要发展趋势。
