多個品種液位計的功能及應用于現場液位測量

液位測量通常是安全可靠的過程工廠運行的關鍵，涵蓋了點和連續液位測量應用。它廣泛用于各種應用，包括儲罐，緩沖罐，泵井，鍋爐桶，閃蒸罐，蒸餾塔回流罐和再沸器。

液位測量有多種用途，包括

溢出保護;

泵干運行保護;

鍋爐汽包臨界水位監測;

庫存控制和保管計量。

液位測量是檢測蒸汽/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。未能可靠地測量水平導致了一些較嚴重的工業事故，包括英國邦斯菲爾德，燃料儲存庫和英國石油公司（BP）德克薩斯城煉油廠。

自20世紀60年代以來，測量和傳輸過程水平的技術已經發生了重大變化。用于將儀器連接到過程的脈沖線在新裝置上出現頻率較低，并且在現有裝置上被替換; 如果使用，它們在設計，安裝和維護期間需要專業知識才能進行可靠的測量。

一，數據傳輸
傳感器和變送器的開發與數據傳輸創新相結合，可降低安裝成本，簡化維護并提高工廠性能。智能變送器提供雙向數字通信和診斷功能。通過高速可尋址遠程傳感器（HART?）協議，4-20 mA和HART數字信號通過相同的專用線路傳輸，提供集中功能，可配置，校準，表征和診斷設備以及報告功能。無需額外硬件即可從多參數設備捕獲數據，從而提供預測性維護功能。

現場總線數字通信的發展允許使用單個電纜總線結構連接多個現場設備。這種多回路功能可以減少布線，安裝時間和成本。現場總線是一種設備級網絡。有幾種可用的協議，較常見的是Modbus?，PROFIBUS PA和Fieldbus FOUNDATION?。

II。功能安全
功能安全涉及系統或設備的整體安全性，這取決于系統或設備響應其輸入而正確運行，包括安全管理可能的操作員錯誤，硬件和軟件故障以及環境變化。IEC 61508和IEC 61511是通用功能安全標準，涵蓋電氣，電子或可編程電子（E / E / PE）系統和產品的設計和整個生命周期。符合這些標準要求設計人員選擇傳感器和系統，這些傳感器和系統在一起使用時會出現需求失敗的概率，該概率落在測量/控制回路的計算安全完整性等級（SIL）的限制范圍內。

在關鍵應用程序中，通常的做法是安裝兩個或多個冗余級別系統。冗余意味著沒有任何單一設備故障會導致所有功能的丟失。常見原因故障可能意味著所有冗余系統可能同時發生故障。使用相同測量方法，傳感器或通用監測系統的系統通常更容易受到常見原因故障的影響。

船舶液位監測和控制的常見解決方案是安裝連續監測液位變送器，以控制容器內容物的流入或流出，同時配備控制器和控制閥或變速泵。在一些應用中，例如緩沖罐，允許水平在上限和下限之間浮動，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，則需要使用比例和積分模式來消除穩態誤差。電平通常是噪聲測量，因此衍生模式通常不適合，因為它根據測量變化率進行操作。

可以從模擬電平信號導出高電平和低電平警報。然后可以通過點位開關提供額外的報警和跳閘，這些開關通過硬接線來停止泵或適當地關閉閥門。

功能安全保護（實際上所有保護級開關電路）的固有特性是故障安全設計的原則。高壓和低壓開關都應在發生報警或跳閘情況時開路。但是，整個系統需要深入研究，以確定潛在的危險情況，并確保校準和跳閘測試設施和程序是可以接受的。

盡管由于將過程驅動到所需條件（例如，容器中的高水平）的問題而通常難以實現水平儀器的現場測試，但是對于令人滿意的操作的測試頻率可能對系統可靠性具有重大影響。使用實時診斷來確保傳感器和電路的完整性可以大大提高整個環路的可靠性。

III。應用注意事項
必須充分了解過程流體的物理性質變化以及在正常和異常條件下過程中可能發生的相變。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，容器攪動或來自其他容器內部組件的干擾。應考慮將傳感器安裝在靜止井或外部籠中。

應考慮測量儀器的選擇和規格

濕部件與工藝流體的相容性;

工作壓力和溫度限制;

校準和功能測試要求;

SIL等級和認證（如適用）;

危險區域（ATEX）認證（如適用）;

入口保護（IP）等級，以適應環境條件。

IV。靜水壓方法
該方法可用于連續的間接液位測量，并測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。對于非加壓容器，傳感器測量靜水壓頭與大氣壓之間的壓力差。儀器可以通過法蘭安裝，懸掛在靜止井中或桿插入型中，后者不建議用于沒有額外支撐或靜止井的湍流條件。溫度變化會影響測量精度。

簡化水平方程

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，但應考慮在容器連接處提供初級隔離和校準設施（閥歧管）以便于維護。

圖1.帶隔膜密封的靜液壓液位變送器

起泡器方法（圖2）測量由液位靜水壓頭產生的背壓。這是較早的連續液位測量方法之一，它仍然可以在通風容器上經常用于清潔流體，以及用于維護不可行的應用的應用，例如核廢料處理廠中的工藝單元。該方法不應用于易于堵塞的工藝流體，例如結晶，聚合或沉積。該方法可用于加壓容器，但低壓連接需要在設計中仔細考慮，以避免過程流體的收集并確保穩定的可再現壓力條件。其他方法可能更合適。
 

圖2.鼓泡器安裝

儀表空氣或諸如氮氣的其他氣體鼓泡通過汲取管，該流動通常由針閥和可變面積流量計組合控制。連接到汲取管的差壓變送器盡可能靠近噴嘴，檢測與靜水壓頭成比例的壓力。可以通過使用壓力開關代替發射器來完成點水平檢測。

V.位移方法
置換器連續或點水平方法通過扭矩管或杠桿裝置測量水平的變化，該扭矩管或杠桿裝置檢測置換器上的推力的變化。連續測量范圍由置于罐內或外籠中的置換器長度決定（圖3），這在嘈雜的應用中是優選的。點法使用浮子，其范圍受浮臂長度的限制。在流體密度保持恒定的情況下，可以使用這種機械方法; 不存在流體粘附到置換器的風險，并且操作頻率不會出現磨損問題。
 

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裝有磁性浮子的管子，它可以激活整體的視覺指示和外部安裝的簧片開關。點水平測量還可以采用浮子開關，其通過安裝法蘭或外部籠子直接安裝到容器中。還存在液位開關，用于通過容器上的頂部法蘭安裝，并采用浮球，懸掛桿和開關桿的組合。

VI。核子液位計測量方法
核點或連續，非接觸，水平方法測量放射在血管中的放射性（γ）源的信號強度（圖4））。它通常與流體性質如壓力和溫度無關，盡管密度的變化可能導致不準確。典型測量范圍為0.24-3.36米。通過在容器的對角相對側安裝核源和檢測器/開關可以實現點水平測量。
    
圖4.連續核子級測量

該方法已成功應用于困難的應用，如在所有溫度和壓力條件下測量閃蒸容器和蒸餾塔再沸器的水平，以及檢測三相分離器上的液體界面。用戶應注意放射源所有者需要許可證。

七。雷達液位計測量方法
雷達點或連續水平方法測量從液體表面傳輸和反射的脈沖的傳播時間。可以抑制由罐內部構件和攪拌器產生的干擾回波，并且可以表征信號以產生液體體積。雷達天線（圖5）與液體沒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（ε - [R ）為≥1.4（碳氫化合物1.9-4.0，有機溶劑4.0-10和導電液體> 10）。通過導向雷達調整天線和信號條件以適應過程（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的貿易交接。有多種天線可在不同的微波頻率下工作，以適應不同的應用。
 

圖5和圖6.非接觸式雷達液位測量

引導式接觸雷達液位測量

八。電容式液位計測量方法
電容點或連續電平法適用于可用作電介質的液體。測量是當介電常數δε差更靈敏?液體和蒸氣空間的或兩種液體之間較高。特殊設計，涉及涂層和雙探針，使用時δε - [R <1.0，電導率> 100μmho或克服探針積聚和容器涂層或材料是不導電的。精度取決于流體屬性，因此不建議將該技術用于改變條件。

IX。超聲波法
超聲波點或連續液位測量（圖7）基于飛行時間原理。傳感器發射并檢測20-200kHz范圍內的超聲波脈沖，這些脈沖從液體表面反射。該方法不受ε - [R ，電導率，密度或濕度，雖然發泡會出現問題。
 

圖7.超聲波液位計安裝

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

X.稱重液位計測量方法
基于應變儀或壓阻式傳感器的稱重傳感器測量過程容器的重量及其內容。可實現0.03％滿量程的單個稱重傳感器精度，但總體性能取決于正確的安裝實踐，以防止由于風，相關管道和設備引起的外力。對于帶有夾套，攪拌和復雜管道的容器，可能難以獲得可接受的精度。當容器可以完全隔離時，如在較終的分配和填充應用中，可以實現精確稱重。液位測量僅在液體密度保持恒定時才可靠。

十一。振動音叉液位計測量方法
振動音叉原理用于檢測點液體和固體水平。該方法適用于大多數液體應用，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用。音叉可以側面安裝在容器中或懸掛在頂部法蘭上（圖8）。叉子通過壓電方法以其共振頻率激勵。振蕩的頻率或振幅在被過程流體覆蓋時發生變化。檢測到變化并轉換為切換動作。
 

圖8.頂部和側面安裝的音叉

十二。電導率液位計使用方法
電導點水平法（圖9）要求液體電導率>0.1μmho，并經常用于公用事業和排出泵控制系統。其他應用包括溢流保護，雙層油箱間隙泄漏檢測和鍋爐汽包水位檢測。非金屬容器需要額外的“參考”電極。電導率傳感器為清潔過程流體提供廉價，可靠，免維護的點位檢測。
 

圖9.電導率水平測量
 

液位測量選擇圖表