磁致伸縮式液位計(jì)的原理和應(yīng)用-

1、第48卷第6期2012年12月石油化工自動(dòng)化A U T OMA T I O NI NP E T R O-C H E M I C A LI N D U S T R YV o l.48,N o.6D e c e m b e r,2012稿件收到日期:20120214,修改稿收到日期:20120810。作者簡(jiǎn)介:謝芳(1979,女,北京人,2001年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化系自動(dòng)化專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)從事石油化工裝置儀表設(shè)計(jì)工作。磁致伸縮式液位計(jì)的原理和應(yīng)用謝芳(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司,北京100101摘要:闡述了磁致伸縮式液位計(jì)的基本原理、特點(diǎn)和典型配置,以及在石化行業(yè)的主要應(yīng)用。在與其他傳統(tǒng)液

2、位計(jì)進(jìn)行比較后,以油罐液位的測(cè)量和烷基鋁儲(chǔ)罐液位的測(cè)量為例,說(shuō)明磁致伸縮式液位計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明磁致伸縮式液位計(jì)特別適合化工原料和易燃液體的測(cè)量,效果良好。關(guān)鍵詞:磁致伸縮液位計(jì)烷基鋁液位測(cè)量?jī)?chǔ)罐中圖分類號(hào):T Q056.1+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):10077324(201206006004P r i n c i p l ea n dI m p l e m e n t a t i o no fM a g n e t o s t r i c t i v eL i q u i dL e v e lG a u g eX i eF a n g(S i n o p e cE n g i n e e

3、 r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,100101,C h i n aA b s t r a c t:T h eb a s i cp r i n c i p l e so fm a g n e t o s t r i c t i o n,f e a t u r e s,t y p i c a lc o n f i g u r a t i o n s,a n t i-j a m m i n gm e a s u r e m e n ta n dm a i na p p l i c a t i o no fm a g n e t o s t

4、 r i c t i v el e v e lg a u g ei np e t r o c h e m i c a l i n d u s t r ya r ee x p a t i a t e d.C o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a ll e v e lm e t e r s,t h ea p p l i c a t i o n a d v a n t a g eo fm a g n e t o s t r i c t i v el e v e lg a u g ei sd i s c u s s e dw i t ht h

5、 ee x a m p l eo fo i l-t a n kl e v e l m e a s u r e m e n ta n da l k y la l u m i n u mt a n kl e v e lm e a s u r e m e n t.P r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h e m a g n e t o s t r i c t i v el e v e lg a u g ei sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rt h em e a s u r e m e n to fc h

6、 e m i c a lr a w m a t e r i a l sa n df l a m m a b l el i q u i d sw i t hg o o de f f e c t.K e yw o r d s:m a g n e t o s t r i t i o n;l i q u i dl e v e lm e t e r;a l k y la l u m i n u m;l e v e lm e a s u r e m e n t;t a n k液位儀表的選型要求較高。通常液位測(cè)量由于對(duì)象復(fù)雜,液位的測(cè)量范圍變化大等原因,在液位計(jì)的選擇過(guò)程中需要考慮的因素主要有測(cè)量工況分析、

7、介質(zhì)特性分析、測(cè)量要求分析、精度要求分析、用戶的使用習(xí)慣考慮、性價(jià)比選擇等。石化裝置具有高溫高壓、易燃易爆的特點(diǎn),對(duì)用于易燃易爆、有毒、腐蝕性介質(zhì)測(cè)量的儀表,重點(diǎn)應(yīng)考慮儀表的可測(cè)范圍、穩(wěn)定性,介質(zhì)腐蝕性,儀表的維護(hù)量等內(nèi)容。液位測(cè)量的儀表種類繁多,磁致伸縮式液位計(jì)具有測(cè)量精度高、范圍寬、使用方便、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于石化、制藥、水利等領(lǐng)域,比傳統(tǒng)壓力式、機(jī)械式、電容、超聲波或雷達(dá)等測(cè)量系統(tǒng)具有更高的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值1。1磁致伸縮式液位計(jì)簡(jiǎn)介磁致伸縮(M a g n e t o s t r i t i o n指鐵磁質(zhì)中磁化方向的改變會(huì)引起介質(zhì)晶格間距的改變,從而使得鐵磁質(zhì)的長(zhǎng)度和體積發(fā)生

8、改變的現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象具有各向異性,當(dāng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的磁性材料在磁化方向上的長(zhǎng)度變化為L(zhǎng)時(shí),磁致伸縮率可表示為:=L/L。磁致伸縮率的范圍一般為1×10-31×10-5。磁致伸縮式液位計(jì)(M a g n e t o s t r i c t i v eL i q u i d L e v e LM e t e r內(nèi)部檢測(cè)元件由一定的磁致伸縮物質(zhì)構(gòu)成,是基于磁致伸縮原理設(shè)計(jì)制造的液位(界位計(jì),它由磁性浮子驅(qū)動(dòng),高精度、高分辨率變送器傳送420m A標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(帶HA R T2,24V 直流二線制供電,變送器可做成耐腐蝕型的。1.1工作原理磁致伸縮式液位計(jì)的基本原理如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2

9、所示。其結(jié)構(gòu)分為三部分:浮球、變送器和裝有磁致線的不銹鋼測(cè)量管。當(dāng)變送器接通電源后,脈沖發(fā)送器和接收器開(kāi)始工作,發(fā)送器定時(shí)向下端發(fā)送低電流詢問(wèn)脈沖信號(hào),脈沖及其磁場(chǎng)順著磁致伸縮線向下運(yùn)行,當(dāng)脈沖信號(hào)的磁場(chǎng)與浮球內(nèi)的磁場(chǎng)相遇時(shí),產(chǎn)生扭應(yīng)力脈沖,這個(gè)扭應(yīng)力脈沖向磁致線兩端傳送。向下傳送的扭應(yīng)力脈沖被阻尼吸收,向上傳送的扭應(yīng)力脈沖被接收器接收并檢測(cè)出來(lái)。根據(jù)從發(fā)出詢問(wèn)脈沖到接收返回扭應(yīng)力脈沖的時(shí)間差,就可計(jì)算出液位的高度并轉(zhuǎn)換成420m A 的輸出信號(hào)。 圖1 磁致伸縮式液位計(jì)基本原理圖2磁致伸縮式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意1.2性能磁致伸縮式液位計(jì)應(yīng)用于石化領(lǐng)域,作為非接觸式液位計(jì),具有較大優(yōu)勢(shì)。a可靠性強(qiáng)。

10、無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分,故無(wú)摩擦、無(wú)磨損,核心元件與測(cè)量介質(zhì)非接觸,使用壽命長(zhǎng)。b 精度高。分辨率高于0.01%,相當(dāng)于1m m ,計(jì)量精度最高可達(dá)0.5m m 。c安全性好。磁致伸縮式液位計(jì)的防爆性能高,本安防爆,使用安全,特別適合對(duì)液體化工原料和易燃液體的測(cè)量。d 磁致伸縮式液位計(jì)易于安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單、維護(hù)量少,有利于大幅降低維護(hù)成本。e 可以遠(yuǎn)程傳遞信號(hào),輸出模擬量或數(shù)字量,帶HA R T 協(xié)議和R S -485接口。磁致伸縮式液位計(jì)由磁性浮子驅(qū)動(dòng),可以連續(xù)測(cè)量介質(zhì)液位和界位,變送器精度高,分辨率高,測(cè)量重復(fù)性好,可用做計(jì)量級(jí)的儀表,適宜于在一定的黏度、介電常數(shù)范圍內(nèi)對(duì)潔凈介質(zhì)的測(cè)量2,而對(duì)下列參

11、數(shù)的變化不會(huì)產(chǎn)生漂移和誤差:介電常數(shù)變化、氣相組分變化、壓力變化。理論上,溫度變化產(chǎn)生的誤差很小,平均每變化10,輸出值變化小于2m m 。有隔爆型和本安型;防護(hù)性能可以做到I P 67。1.3基本參數(shù)a 測(cè)量范圍:測(cè)量管是剛性桿時(shí),測(cè)量范圍不大于6m ;測(cè)量管是柔性桿時(shí),測(cè)量值在3.520m 2。b 下盲區(qū):液位測(cè)量不大于60m m ;界位測(cè)量不大于15m m 。c 上盲區(qū):液位測(cè)量不大于100m m 。d 工作電壓:直流24V 。e 工作環(huán)境溫度:-50125。f 介質(zhì)溫度:-200400。g 工作壓力:真空16M P a 。2安裝實(shí)踐證明,設(shè)備頂部安裝法蘭,有利于安裝和維護(hù)。設(shè)備上裝法蘭

12、,帶法蘭蓋,在法蘭蓋上開(kāi)螺紋。安裝時(shí),先卸下浮球和擋環(huán),將液位計(jì)擰緊在法蘭蓋上,然后裝上浮球和擋環(huán),再將液位計(jì)和法蘭蓋依次裝入容器2。有時(shí),也可以在罐側(cè)壁選擇法蘭安裝方式。隔爆型儀表接線為典型的二線制,無(wú)需另接電源,本安型儀表接線在控制系統(tǒng)側(cè)加裝安全柵。3設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)3.1影響儀表工作的干擾因素干擾來(lái)自于靜電放電、射頻電磁場(chǎng)輻射、浪涌沖擊、工頻磁場(chǎng)等。介質(zhì)溫度變化過(guò)大或在振動(dòng)環(huán)境下使用,也會(huì)給磁致伸縮式液位計(jì)的測(cè)量帶來(lái)干擾。3.2設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)a 由于測(cè)量原理等因素,當(dāng)磁致伸縮式液位計(jì)處于強(qiáng)磁場(chǎng)干擾環(huán)境下,會(huì)使浮子受的磁場(chǎng)力疊加導(dǎo)致消磁。因此,安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁環(huán)境,如高壓電機(jī)、風(fēng)機(jī)、離

13、心機(jī)、攪拌器、變頻器、干燥床等,需要急停、啟動(dòng)的地方,這些設(shè)備應(yīng)做好接地屏蔽工作。同時(shí),磁致伸縮式液位計(jì)的信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電源線,并使信號(hào)線屏蔽層處于良好接地狀態(tài)。b靜電放電會(huì)干擾磁致伸縮式液位計(jì)的測(cè)量,使用時(shí)應(yīng)使安裝有液位計(jì)的設(shè)備良好接地。c為了避免射頻電磁場(chǎng)輻射,需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮無(wú)線儀表發(fā)射源的位置,至少保證2m 以上的距離。d對(duì)于浪涌沖擊非可控的干擾,一般會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)加浪涌保護(hù)器、防雷擊、保護(hù)電路板。浪涌保護(hù)器中的抑制元件(壓敏電阻MO V 是采用損耗自身的方式對(duì)沖擊電流進(jìn)行消解(發(fā)熱、融化,對(duì)抗大電流的沖擊。這樣就可以很好地保護(hù)磁致伸縮式液位計(jì)的本體安全。16第6期謝芳.磁致伸縮式液位計(jì)

14、的原理和應(yīng)用e工頻磁場(chǎng)多數(shù)由工頻機(jī)泵產(chǎn)生,安裝磁致伸縮式液位計(jì)時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離工頻機(jī)泵。f如果介質(zhì)溫度變化過(guò)大,磁致伸縮式液位計(jì)不宜作為計(jì)量級(jí)的儀表使用。但是,只要滿足平均每變化10,輸出值變化小于2m m的條件,介質(zhì)溫度累計(jì)變化所產(chǎn)生的誤差一般在測(cè)量要求誤差范圍之內(nèi)。g在振動(dòng)環(huán)境使用時(shí),也會(huì)影響精度,液位計(jì)最好安裝在非振動(dòng)的工況條件下。4磁致伸縮式液位計(jì)的應(yīng)用磁致伸縮式液位計(jì)在石化行業(yè)主要應(yīng)用于油罐液位和烷基鋁儲(chǔ)罐液位的測(cè)量,現(xiàn)已越來(lái)越多地應(yīng)用于原油儲(chǔ)罐、成品油儲(chǔ)罐液位的測(cè)量3。a油品液位測(cè)量如果涉及貿(mào)易結(jié)算,就必須使用計(jì)量級(jí)的測(cè)量?jī)x表。如果選擇在罐頂部開(kāi)口安裝,磁致伸縮和伺服馬達(dá)液位計(jì)都可以達(dá)

15、到測(cè)量要求,但伺服馬達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理復(fù)雜、安裝繁瑣、價(jià)格昂貴、維護(hù)工作量大;而磁致伸縮式液位計(jì)不僅能夠做到本安防爆、安裝方便、精度高、維護(hù)量少,性價(jià)比相對(duì)較高,很適合替代伺服馬達(dá)液位計(jì)用在油罐液位測(cè)量上。b在非計(jì)量級(jí)要求油罐液位測(cè)量上,磁致伸縮式液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)均可達(dá)到測(cè)量要求。但是雷達(dá)液位計(jì)會(huì)受介電常數(shù)的影響,烴類混合物介電常數(shù)通常較低,需要加裝導(dǎo)波管,因而應(yīng)用范圍受限。而磁致伸縮式液位計(jì)的惟一可動(dòng)部件是浮子,維護(hù)量極少,節(jié)省人工,性價(jià)比高,很受用戶的歡迎。c以某聚丙烯裝置原料罐為例,如圖3所示。儲(chǔ)罐高18m,介質(zhì)為液化石油氣,易揮發(fā),密度527.5k g/m3,介電常數(shù)為1.6,設(shè)計(jì)溫度

16、為50,設(shè)計(jì)表壓為1.7M P a,最高介質(zhì)溫度為35,工作表壓為900k P a,要求頂部法蘭安裝,測(cè)量精度±1m m,測(cè)量范圍在018m,420m A的輸出信號(hào),防爆等級(jí)E xdB T4,防護(hù)等級(jí)I P65。在該工況下,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇雷達(dá)液位計(jì)(帶導(dǎo)波管和伺服馬達(dá)液位計(jì)。由于液化石油氣具有揮發(fā)性,儲(chǔ)罐內(nèi)存在揮發(fā)氣體,揮發(fā)氣體影響雷達(dá)回波的反射,用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量時(shí),測(cè)量效果不理想;選用伺服馬達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度高,測(cè)量效果好,但是因?yàn)闄C(jī)械部件很多,易出現(xiàn)磨損,維護(hù)工作量大;磁致伸縮式液位計(jì)選型時(shí),測(cè)量高度如果大于6m,測(cè)量管需要選柔性桿,柔性桿可測(cè)量的最大高度為20m,滿足測(cè)量范圍0

17、18m要求,液位計(jì)精度高,測(cè)量效果好。這三類液位計(jì)的對(duì)比見(jiàn)表1所列,使用磁致伸縮式液位計(jì)測(cè)量液化石油氣儲(chǔ)罐液位綜合成本低,效果好。表1三種液位計(jì)對(duì)比性能對(duì)比磁致伸縮式雷達(dá)式伺服馬達(dá)式測(cè)量原理磁致伸縮雷達(dá)反射機(jī)械式現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單復(fù)雜(加裝導(dǎo)波管復(fù)雜維護(hù)量極少定期維護(hù)大量維護(hù)標(biāo)定出廠前一次標(biāo)定后無(wú)需再次標(biāo)定需要標(biāo)定標(biāo)定復(fù)雜精度極高高極高供電方式兩線制,24V回路供電四線制,220V四線制,220V 使用周期長(zhǎng)一般 短圖3聚丙烯原料球罐d以某烯烴裝置烷基鋁進(jìn)料罐的液位測(cè)量為例,如圖4所示,罐高800m m,直徑250m m。介質(zhì)烷基鋁是一種在聚烯烴反應(yīng)中重要的催化劑3,密度829k g/m3,設(shè)計(jì)溫度

18、為324,設(shè)計(jì)表壓為1.2M P a,操作溫度為30,操作表壓為241k P a 。圖4烷基鋁進(jìn)料儲(chǔ)罐根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,烷基鋁的存儲(chǔ)和輸送過(guò)程應(yīng)遠(yuǎn)離熱源,并處于干燥惰性氣體(如氮?dú)?、氬?6石油化工自動(dòng)化第48卷的保護(hù)下2;當(dāng)暴露于氧氣、水或含有活潑氫的混合物(如醇或酸中,會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng);與空氣接觸后燃燒,遇含氧化合物(如水也會(huì)劇烈燃燒或爆炸,并生成一種帶有刺激性氣味的氧化物氣體,此氣體對(duì)人體氣管和肺均能造成傷害;烷基鋁還可導(dǎo)致皮膚和眼睛的嚴(yán)重?zé)齻?。在?duì)其進(jìn)行液位測(cè)量時(shí),要求選擇本安型E E x i a C T 6,防護(hù)等級(jí)I P 65,420m A 輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳的液位計(jì),測(cè)量精度0.5%,

19、測(cè)量范圍在0747m m ,頂部安裝法蘭。雷達(dá)式和伺服馬達(dá)液位計(jì)供電方式均為四線制供電,不能做到本安防爆,不符合選型要求;傳統(tǒng)方案中選用浮筒式液位計(jì),但測(cè)量精度低,有機(jī)械部件,需要定期維護(hù)標(biāo)定;在同等條件下,選用磁致伸縮式液位計(jì),安裝較浮筒式液位計(jì)簡(jiǎn)單,測(cè)量精度也遠(yuǎn)高于浮筒式液位計(jì),磁致伸縮式與浮筒式液位計(jì)技術(shù)性能對(duì)比,見(jiàn)表2所列。表2磁致伸縮式與浮筒式液位計(jì)對(duì)比項(xiàng)目磁致伸縮式浮筒式測(cè)量原理磁致伸縮重力測(cè)量精度0.01%F S 0.5%F S 現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單復(fù)雜維護(hù)量極少定期維護(hù)標(biāo)定出廠前一次標(biāo)定后無(wú)需再次標(biāo)定定期標(biāo)定精度極高一般備品備件無(wú)有使用周期長(zhǎng)一般5結(jié)束語(yǔ)雖然磁致伸縮式液位計(jì)價(jià)格較貴,但

20、是安裝調(diào)試好以后,沒(méi)有什么維護(hù)工作量,工作人員不需要經(jīng)常接觸儲(chǔ)罐,從而大幅降低了工作人員和危險(xiǎn)化工原料接觸的機(jī)會(huì),其綜合費(fèi)用低,性價(jià)比高。應(yīng)用實(shí)踐證明,使用效果很好,得到了用戶的認(rèn)可。參考文獻(xiàn)1趙堅(jiān).磁致伸縮液位傳感器的最新發(fā)展及應(yīng)用J .測(cè)控技術(shù),1998,17(02:20-21.2陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)M .3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:125-148.3楊朝虹,楊競(jìng).磁致伸縮液位傳感器的應(yīng)用與發(fā)展J .礦冶,2004,13(04:86.4王志魁.化工原理M .3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:378-379.5國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.G B 3836.1

21、2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分:通用要求S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.6國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.G B 3836.42000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分:本質(zhì)安全型“i ”S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.7國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.G B 3836.42010爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“i ”保護(hù)的設(shè)備S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.8國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.G B 9969.11998工業(yè)產(chǎn)品使用說(shuō)明書總則S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.9國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.G B /T 18272.12000工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)評(píng)估中系統(tǒng)特性的評(píng)定第1部分:總則和方法學(xué)S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.10中國(guó)石化集團(tuán)公司工程標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行總站.S H /T 30072007石油