浅谈磁致伸缩液位计的应用

 浅谈磁致伸缩液位计的应用
作者：苏玉硕；马勇；王晓辉





     在化工企业中，怎样精确测量同一容器内两种介质界面，尤其是重要的化合反应器和大容积储罐，其界面测量尤为重要。它直接影响到企业的能源消耗、成本核算等关键性问题。我们初期在界面测量中出现了较大误差，造成了较大损耗。基于这种背景，我们对此进行反复分析、实践，终于成功地用磁致伸缩式液位计解决了这一难题。　

1  磁致伸缩液位计的组成和原理

1.1 组成

       磁致伸缩式液位计是一种可进行连续液位、界面测量，并提供用于监视和控制的模拟信号输出的高精度的测量仪表，由三部分组成：（A）360度内磁浮子;（B）传感器 (压磁传感器和磁致传感管);（C）塑封全智能化电子装置。可智能化编程，带有液晶显示，可显示总体液位，界面液位，以及温度输出的电信号，实际液位值，温度值, 带有偏移量的实际液位值等。 

1.2 工作原理

       在一非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线,在磁致伸缩线一端装有一个压磁传感器,该压磁传感器每秒发出10个电流脉冲信号给磁致伸缩线,开始计时,该电流脉冲同磁性浮子的磁场产生相互作用，在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，这个扭应力波以已知的速度从浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送。直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止,压磁传感器可测量出起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔，根据时间间隔大小来判断浮子的位置,由于浮子总是悬浮在液面上,且磁浮子位置随液面的变化而变化,即时间间隔大小也就是液面的高低,然后通过全智能化电子装置将时间间隔大小信号转换与被测液位成比例的 4 ～20mA 信号(HART)进行输出。

2  特性

2.1 优点

（1）结构简单，仅由三部分组成;

（2）高精度，满量程的 0.01%，最大误差不超过1.27mm;

（3）标定极其简单，无需实标，只需按按钮或者使用 HART 协议;（4）对于重新标定或忘记标定值，无需重新校验;

（5）测量范围大，0～22m;

（6）可同时测量总体液位和界面液位，以及温度输出。

（7）压力范围大，最大207Bar，标准的是66Bar;

（8）温度范围大，-196℃到 427℃;

（9）可现场替换差压式，电容式，超声波式，雷达式，外浮筒式，钢带或伺服马达式等液位变送器。 

2.2 缺点

（1）不能测量高粘度液体和泥浆，天线浸在被测液体或其饱和汽体中工作，不适用于有压、自聚、有腐蚀、有毒、高黏度液体的测量。

（2）浮子沿着波导管外的护导管上下移动，有时会被卡住。

3  实例分析、比较

3.1 差压变送器和磁致伸缩液位计测量界面分析比较

       上面是油（苯及其化合物）下面是液体催化剂。由于催化剂的密度比油大，两种物料会自动分离。工艺操作人员通过控制催化剂、油的界面（LT1测量）和油液位（LT2 测量）来保证化合反应的生成率。两个液位值必须精确控制在一定的范围内，是系统停车联锁点。

（1）采用差压变送器测量界面误差原因分析

       初期我们用差压变送器测量，差压变送器测量时要用油密度和催化剂密度来确定仪表的零点和量程，这两个值是理论计算出来的。

差压变送器（LT1）的差压(P)计算公式为：P=ρ2h2g+ρ1(h1-h2)g-h1ρ1g=h2(ρ2-ρ1)g h1 ——负压侧导压管液位高度

h2 ——催化剂液位高度

ρ1——油密度 ρ2——液体催化剂密度实际油混合物在罐内分离后。上面的油含有催化剂，下面的催化剂也含有油，且在水与油界面存在厚薄不一、密度不一的过度层，实际两种物质的密度和理论值有误差；北方地区冬天温度在0 度以下，仪表需用蒸汽伴热，由于蒸汽伴热会造成导压管内的液体汽化，液体汽化后密度会发生变化，基于以上原因，从计算公式可以看出ρ1、ρ2密度值的变化造成了差压液位变送器较大的测量误差，最多的误差可达 10.0%。差压变送器（LT2）的差压(P)计算公式为：P=ρ1h4g-h3ρ4g

h4 ——油液位

h3 ——隔离液（水）高度

ρ——水密度

反应器内的油汽化会使差压变送器（LT2）导压管负压侧内积液，因此需对导压管负压侧充水。由于反应器内有压力，导压管负压侧内时间长了会进油，加上冬季拌热，ρ4的密度发生改变。ρ4的变化造成LT2较大测量误差。为保证测量的准确，要定期对导压管进行冲水。

（2）采用磁致伸缩液位计

       磁致伸缩式液位计出厂是根据用户提供的“上密度”和“下密度”确定浮子的重量。在测量界面时，实际上是浮子浮在界面上，所受的浮力和重力相等。公式为：

W=F=V1ρ1+(V-V1)ρ2

W ——浮子重量

F ——浮子受到的浮力

V1 ——浸入下液体的体积

V ——浮子体积

       由于浮子所处位置的密度是相对固定的，即含油与含催化剂的百分率是相对固定的。从上面的公式可以看出ρ1、ρ2相对固定，浮子所受到的浮力是固定的。浮子精确的浮在界面和液面从而保证了磁致伸缩式液位计的高精度测量。磁致伸缩液位计可以同时测量液位和界面，在DCS内加减模块用液位值减界面值得到油的准确高度，解决了 LT2 只能测量上部分油液位的不足，使工艺操作人员对反应器内的情况了解的更清楚。差压变送器导压管冬天用蒸汽伴热会造成导压管内的液体汽化，必需定期进行排气和充隔离液，当物料有杂质时会造成仪表堵塞，仪表维护人员工作量大，采用磁致伸缩式液位计后仪表维护量减少很多。
3.2 用于大型储罐界面测量时和伺服马达液位计的比较
       在化工生产中大型储罐界面的测量，伺服马达液位计和磁致伸缩式液位计是用的最多的液位计，精度都很高。但伺服马达液位计缺点是:1）机械传动机构，不可避免带来磨损问题；2）标定复杂；3）液面波动时对测量有较大影响；4）结构复杂，维修困难。基于以上原因我们用磁致伸缩式液位计优于伺服马达液位计。

4  小结

       磁致伸缩式液位计作为一种新兴的测量仪表，具有精度高、稳定性和可靠性好的优点。更适合于界面液位测量，未来在石油、化工、医药等行业将会有更大的市场。






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