磁致伸缩液位计在成品油罐中的应用

磁致伸缩液位计在成品油罐中的应用
作者：陈涛





1、前言

       为了实时、准确的掌握储油罐作业信息，如储油罐内存储介质的液位、密度、压力、温度、体积和质量等，确保储油罐安全，国内外研究了众多的储油罐检测计量方法及装置，如静压法、液位仪发、混合法等，设计到多种测量技术，如压力式、伺服式、雷达式、磁致伸缩式、浮子钢带式等。由于技术、经济及使用等多方面因素影响，我司油库储油罐监测计量及安全管理还主要靠手工检尺、人工计量、人工巡检，其测量精度、可靠性、可维护性、实时性等均难以适应油库信息化建设的发展需求，基于磁致伸缩式测量技术的储油罐液位计，具有结构简单，测量精度高，能同时测量液位、界位、多点温度等优点，今年来，已在储油库监测与计量中得到了越来越多的应用，如中化南通油库等。因此，将磁致伸缩液位计应用于成品油储罐油库信息化系统中，对成品油储油罐实时监测与计量管理，不仅可实时采集、存储及管理油库收、发、储信息，而且还可减员增效，提高油库管理水平。本文从此种仪器的原理，优点，在我司成品油油罐中应用情况进行探讨，以期此类仪器在仓储系统国内部油品测量领域得到推广和应用。

2、工作原理

2.1磁致伸缩液位计的组成

       磁致伸缩液位计主要由浮球（内有磁环）、变送器（或电子仓由脉冲发生器、接收器组成）、装有磁致伸缩线的波导管和温度探测器四部分组成。变送器（电子仓）装有磁致伸缩线的波导管和温度探测器是一体化结构的，变动器和温度探测器采用了模块化和集成化设计。

2.2磁致伸缩液位计的工作过程

       磁致伸缩液位计的工作原理主要是利用磁效应和超生效应的结合来达到测量目的。磁效应及魏德曼效应和维拉里效应。

       当变送器接通电源后，脉冲发生器和接收器开始工作，液位计电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号，此电脉冲同时伴随一个环形磁场，以光速沿磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据魏德曼小型，当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时，磁致伸缩材料本身的无力尺寸也会跟着发生变化。因此，当合成磁场发生变化形成螺旋磁场时，磁致伸缩波导丝会产生扭曲变形，从而激发扭转波（或返回脉冲）。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈的磁通将发生变化，在传感器中的线圈时，将转换成横向应力。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。超生扭转波的传播速度仅与磁致伸缩波导丝的弹性模量和密度有关系，即为一常数。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度V，便能精确地算出磁铁（浮子）的位置，其液位高度L=V*（t1-t2）。

2.3磁致伸缩液位计的技术特点

       我国在20世纪70年代，石油化工企业管理方式较为粗放，对油品的液位、流量的计量并不十分重视，跑、冒、滴、漏现象时有发生，一方面货物的数量发生损失，另一方面又存在极大的安全隐患，在20世纪80年代以来，石油化工行业逐渐重视这方面的工作，尤其是对油品液位的监控尝试了很多方式，但这些方式都存在各自的特点，根据工作原理大致分为如下几种类型：

（1）机械浮子液位计。价格低廉，但其精度较低，不能满足作为计量仪表的使用要求，且故障率较高，容易出现钢带卡死现象。

（2）电容式液位计。价格适中，测量精度尚可，但因其温漂较大，其稳定性存在不足，积累误差大，测量值不准确。

（3）光导式液位计。价格适中，但测量精度较低，稳定性差。

（4）雷达液位计。价格昂贵，液位精度、可靠性、稳定性均较理想，安装也十分方便，实用不同的介质。

（5）磁致伸缩液位计。其价格较贵，稳定性较理想，容易安装，但不能用于粘度高、密度大的重质油中。当然，仙姑低于上述其它液位仪表，磁致伸缩液位计还有其他许多突出的优点，具体表现在：

①工作十分可靠。由于次子伸缩液位计采用的是波导原理工作，所以，装置内部没有机械运动部分，不存在磨损等弊病。整个转换器是被封闭在不锈钢管内的，和被测量介质没有接触，因而传感器工作可靠，寿命期长。

②多参数测量。磁致伸缩液位计另一大特点是集测量液面、水界面、温度等参数于一身，因为磁致伸缩液位计中的电子部件可以探测到由同一发射脉冲所才产生的连续磁波，所以在同一传感上可配装2个甚至多个磁浮子，只要保证浮子重量与介质比重相对应，则可同时测得液面和界面，真正实现多参数测量。

③测量精度高。由于磁致伸缩液位计是用波导脉冲来实现测量，工作中通过激励脉冲和感应脉冲的时间差来测量被测液面的位移量。因此，精度极高，这是使用其它传感器难以达到的测量精度；在大致相同或较低的成本下，磁致伸缩液位计比其它以电容、压力、机械、超声波或伺服装置等测量系统具有更高的精度和更佳的经济效益。

④安全性能好。磁致伸缩液位计的防爆等级一般有隔爆型和本安型两种，适合工作在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所，测量时无需人工开启灌盖，避免了人工测量带来的不安全隐患。

⑤安装维护方便。由于磁致伸缩液位计采用法兰连接方式，故安装极其简便，而且核心元件与介质不接触，产品模块化结构，智能化设计，无需定期维护和定期标定，给使用者带来极大的方便。

⑥容易实现联网。磁致伸缩液位计输出的是标准信号，便于危机处理，可以更好地与计算机配合，也容易使长距离输送成为可能。

当然，介质密度的变化会对磁致伸缩液位计精度产生一定的影响，但可以通过安装合适的浮子，减小浮子浸入度、缩小浮子外径以及通过温度补偿来克服和最大程度避免。经过现场测试，磁致伸缩液位计和雷达液位计一样，有盲区，对罐底油测量不准。

3、磁致伸缩液位计在中化珠海二期成品油罐中的应用

       目前，中化珠海二期共计41.2万m3陈品油库已建成，其中涉及12个轻质成品油罐共计19.2万m3的储罐的在线液位监控系统采用磁致伸缩液位计。

       该液位系统由磁致伸缩液位计、H-500现场显示仪、H-1000（油库）10.4英彩色触摸屏控制器和YSMK-YK油库信息监控管理系统组成。此系统能在现场用H-500现场显示仪显示液面、界面高度和温度，在控制室中用H-1000（油库）控制器以三维图形和数字方式实时显示数据，通过声光报警来防止溢油和缺油，因此，其系统详细功能如下：

（1）精确的油位、水位、温度实时测量。采用10.4彩色液晶屏，库容精度点数不限，可根据客户容积表定制，以图形和数字方式实时显示油高、水高、温度、容积、剩余体积。

（2）报警功能。该系统具有高液位（预）报警、低液位（预）报警、水位高报警等多重报警功能，通过声光报警来防止溢油和缺油。

（3）自我诊断嗯呐管理和设备故障报警。

（4）进油报告。能进行进油前与进油后液位比较，自动计算进出油量并保存。

（5）通讯功能。该系统通过1个485接口与传感器相连，进行数据采集；同时能提供内置以太网接口，2个RS-232接口和开放的协议，与本地系统和远程服务器进行数据通讯。

（6）产品防雷设计。具备内部防雷和外部防雷功能，如遇到抢雷击，内部电路自动泄放强雷击电流，不会引爆或引燃可燃气体；外部配线钢管与储罐保护接地系统连接。

（7）主动通讯和定时传输数据设置。该系统能够利用外部设备实现主动通讯设置功能，能够设置目标服务器IP地址、端口、用户名、密码以及数据发送时间，并在规定时间和交接班时上传数据到目标服务器。

（8）测漏功能。由于计量精度高，能够对油罐静态和动态液位实时监测，并能够按照管线测漏程序，实现管线泄漏监测。

由于中化珠海二期油库现尚不具备进油条件，无法对该仪器及系统进行全面的测试和验证，但通过已使用该磁致伸缩液位计作为油罐液位监控系统的其它石油化工企业进行深入的了解，上述介绍功能均能实现，并就测量精度功能仔细和人工检尺进行对比，发现精度非常高，基本达到计量级水平。

4、结束语

       综上所述，磁致伸缩液位计由于具有高可靠性、高精确度、低故障率、广阔的适应范围、多参数测量、维护方便等突出优点，已被石油化工行业专家认为是液位和界位测量的优选仪表，是计量与过程液位监控的理想选择。尤其是在介质介电常数低、介质挥发性强、安装要求高、需要测量界面的应用场合，因磁致伸缩特性不受介电常数、温度、压力、气象条件等因素的影响而成为用户的首选方案。在工业生产一体化与大型化的趋势下，磁致伸缩液位计在未来的液位测量方面将会有更加广阔的应用空间。





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