摘要：在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，標(biāo)準(zhǔn)化在制造業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛而成功的運(yùn)用。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化工作可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于工程設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，如何在保證安全質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)效率更高、成本更低、測(cè)量更準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)同樣是發(fā)展的必由之路。本文將結(jié)合儀表專業(yè)的實(shí)際情況，分析介紹一下球罐標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的液位測(cè)量?jī)x表的選型以及應(yīng)用。
1 前言
隨著我國(guó)科技進(jìn)步以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)需要，石油化工行業(yè)一直保持著極高的發(fā)展速度，作為配套設(shè)施的罐區(qū)，球罐的自動(dòng)化水平也得到了較為明顯的發(fā)展。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為了在保證安全質(zhì)量的前提下追求設(shè)計(jì)效率#高、成本#低，操作#優(yōu)的目標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和對(duì)于多個(gè)廠家的產(chǎn)品研究，提出采用伺服和雷達(dá)液位搭配使用，統(tǒng)一乙烯等球罐液位計(jì)接口尺寸等設(shè)計(jì)規(guī)格，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的方案。
2 球罐液位儀表設(shè)計(jì)選型
球罐配置的儀表主要由開關(guān)閥，液位計(jì)，溫度計(jì)以及壓力計(jì)組成，如圖1所示。
按照規(guī)范SH/T3184-2017要求，儲(chǔ)罐應(yīng)在罐頂設(shè)置兩套配備罐旁指示儀的液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表，其中一套用于控制系統(tǒng)中設(shè)置高低液位報(bào)警，球罐液位測(cè)量主要目的是監(jiān)控球罐介質(zhì)液位高度。同時(shí)為保證球罐安全運(yùn)行，還應(yīng)該根據(jù)工藝要求在控制系統(tǒng)中設(shè)置高高、低低液位的報(bào)警以及聯(lián)鎖信號(hào)，且參與液位聯(lián)鎖的測(cè)量?jī)x表要單好設(shè)置，不能和液位監(jiān)視儀表混用[1]。
日常設(shè)計(jì)中常用于儲(chǔ)罐液位連續(xù)測(cè)量的儀表主要有雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)等，幾種液位計(jì)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)用案例，在本次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，選擇伺服與雷達(dá)液位計(jì)同時(shí)使用的設(shè)計(jì)方案，伺服液位計(jì)進(jìn)行聯(lián)鎖，而雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行指示報(bào)警。此方案中兩種液位計(jì)的選型、應(yīng)用分析以及解決方案如下：
（1）伺服液位計(jì)
伺服式液位計(jì)是一種多功能儀表，既可以測(cè)量液位，也可以測(cè)量界面、密度或罐底等參數(shù)，一直被廣泛地用于球罐液位的高精que度測(cè)量。如圖2所示。
伺服液位計(jì)主要由浮子、鋼絲、伺服變送器組成。浮子在介質(zhì)中的位置是由伺服機(jī)構(gòu)的平衡來(lái)確定的。伺服機(jī)構(gòu)在微處理器的控制下進(jìn)行測(cè)量。力矩傳感器判斷浮子的浮力信號(hào)（浮子重量和浮力綜合信號(hào)）和微處理器的測(cè)量要求，發(fā)出控制信號(hào)到控制器，決定伺服馬達(dá)的方向和轉(zhuǎn)角，平衡后浮子的位移（線軸轉(zhuǎn)角）由轉(zhuǎn)角變換器變成脈沖信號(hào)送入微處理器，#后由微處理器輸出信號(hào)給控制或聯(lián)鎖系統(tǒng)[2]。
伺服液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：功能強(qiáng)大，可以測(cè)量液位、界面、密度等參數(shù)；測(cè)量精度高，可以輕松達(dá)到±1mm，同時(shí)重復(fù)性也可以達(dá)到±0.1mm。
伺服液位計(jì)的缺點(diǎn)主要是儀表結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，鋼絲馬達(dá)等部件之間難免會(huì)因長(zhǎng)期使用出現(xiàn)機(jī)械磨損，日后維護(hù)成本會(huì)相對(duì)提高。另外由于其屬于浮子接觸式的測(cè)量方式，因此對(duì)于液面以及球罐內(nèi)介質(zhì)的穩(wěn)定性要求較高，當(dāng)液面波動(dòng)較大時(shí)可能會(huì)對(duì)測(cè)量造成較大影響。
針對(duì)上述問(wèn)題，綜合參考了不同項(xiàng)目、不同廠家的不同產(chǎn)品，#終選用過(guò)程接口尺寸為6"的伺服液位計(jì)，同時(shí)將導(dǎo)向管的尺寸也定為6"，對(duì)于導(dǎo)向管上的開孔，建議開孔直徑為φ20mm，雙排對(duì)向錯(cuò)開150mm，單排孔間隔為300mm，導(dǎo)向管內(nèi)側(cè)光滑且不可帶有毛刺，導(dǎo)向管的垂直度不能大于垂直偏差值，如圖3所示。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，主要是為了保證導(dǎo)波管內(nèi)液體的穩(wěn)定，同時(shí)可以滿足磁浮子垂直度要求并且能夠更好地避免液位波動(dòng)導(dǎo)致浮子碰壁的情況發(fā)生，從而#大限度地保證液位計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性以及可靠性。
針對(duì)導(dǎo)向管底部要求采用可拆卸不封閉式的設(shè)計(jì)，這樣可以保證#低測(cè)量液位不會(huì)受到#低開孔位置的影響，同時(shí)可拆卸式的設(shè)計(jì)也可以更好滿足日后維護(hù)的需要，如圖4所示。
（2）雷達(dá)液位計(jì)
雷達(dá)液位計(jì)利用電磁波經(jīng)天線向被探測(cè)容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波碰到液面后反射回來(lái)，儀表檢測(cè)出發(fā)射波及回波的時(shí)差，從而計(jì)算出液面的高度[3]，如圖5所示。被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好。
雷達(dá)液位計(jì)主要由發(fā)射和接收裝置、信號(hào)處理器、天線、操作面板、顯示等幾部分組成。發(fā)射—反射—接收是雷達(dá)液位計(jì)工作的基本原理，分為時(shí)差式和頻差式。
時(shí)差式是發(fā)射頻率固定不變，通過(guò)測(cè)量發(fā)射波和反射波的運(yùn)行時(shí)間，并經(jīng)過(guò)智能化信號(hào)處理器，測(cè)出被測(cè)液位的高度。這類雷達(dá)液位計(jì)的運(yùn)行時(shí)間與液位距離的關(guān)系如式（1）所示：
t=2d/C （1）
式中t為探頭從發(fā)射電磁波至接收到反射電磁波的時(shí)間；d為被測(cè)介質(zhì)液位和探頭之間的距離；C為電磁波傳播速度，C=300000km/s。
頻差式的發(fā)射頻率不是一個(gè)固定頻率，而是等幅可調(diào)頻率。雷達(dá)液位計(jì)向液體表面發(fā)射具有連續(xù)變化頻率的微波信號(hào)，當(dāng)信號(hào)向下抵達(dá)液體表面并返回天線時(shí)，它將與此時(shí)正在發(fā)射的信號(hào)混合；當(dāng)回波信號(hào)向下抵達(dá)液體表面并重新返回時(shí)，發(fā)射的信號(hào)已經(jīng)輕微改變；當(dāng)把發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)混合時(shí)，產(chǎn)生一種與液體表面距離成比例的低頻信號(hào)，并由此計(jì)算出準(zhǔn)確度極高的測(cè)量值。
由于雷達(dá)液位計(jì)是利用非接觸雷達(dá)測(cè)量方法，無(wú)可動(dòng)零件進(jìn)入球罐的內(nèi)部環(huán)境且不與介質(zhì)接觸，因此雷達(dá)液位計(jì)幾乎免維護(hù)、無(wú)掛料、壽命長(zhǎng)，且安裝簡(jiǎn)單、標(biāo)定簡(jiǎn)單，也不易受到液面波動(dòng)變化等影響，特別適用于大型立罐和球罐的測(cè)量，故而在此次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中將雷達(dá)液位計(jì)作為液位監(jiān)視儀表。
雷達(dá)液位計(jì)的缺點(diǎn)是儲(chǔ)罐內(nèi)液體介電常數(shù)低，雷達(dá)反射波減弱，或者儲(chǔ)罐內(nèi)液體可能產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的效果受到較大影響。為了減小這些因素對(duì)于雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量效果的干擾，可以在儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)置導(dǎo)波管，將雷達(dá)天線安裝在導(dǎo)波管內(nèi)，以#大限度地保證雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度。為了避免假反射的出現(xiàn)，可以配套反射板處理過(guò)強(qiáng)的虛假反射信號(hào)，以提高測(cè)量效果，可按照標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)波管外形尺寸，設(shè)計(jì)在導(dǎo)波管上自由拆裝的反射板，避免影響設(shè)備的正常運(yùn)行以及維護(hù)。如圖6所示。
3 結(jié)論
采用同時(shí)安裝伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)的工藝方案，通過(guò)伺服液位計(jì)對(duì)儲(chǔ)罐液位進(jìn)行安全聯(lián)鎖，通過(guò)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行可靠的信號(hào)輸出，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的精準(zhǔn)計(jì)量、安全操作。與此同時(shí)，還可以統(tǒng)一同類型裝置的接口規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同類乙烯等產(chǎn)品球罐的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，大幅提高設(shè)計(jì)效率，降低成本。
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