超声波液位开关在顺酐装置中的应用

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摘　要：本文以吐哈石油天然气化工厂在用2万吨/年顺酐溶剂吸收装置真空解析工段接收罐为例，比较测量方式及各种形式的超声波液位开关优缺点，选用智能外贴式横波双探头超声波液位开关建立液位报警系统，解决接收罐液位测量不准的问题。

关键词：接收罐　液位　非接触测量　超声波　液位开关

一、引言

吐哈石油天然气化工厂在用2万吨/年顺酐溶剂吸收装置由意大利CONSER公司设计，在生产过程中,溶剂吸收单元各塔、器的液位是极为重要的测量参数,而顺酐、溶剂（DBP）、反酸、聚合物等混合物料的高粘度、易结晶、易挂壁的特点，加上高温、负压、不透光设备的复杂结构和工况，使常规的液位测量仪表难以实现液位的连续准确测量。

以真空解析工段的接收罐为例，其液位计液位计原设计采用非接触核辐射式液位计。核辐射式液位计作为非接触式仪表，有着其他仪表无法比拟的优点，如适应高温(或低温)、高压(或低压)、强腐蚀、剧毒、粘稠、结晶、固体颗粒等多种苛刻环境，无可动部件、免维护等，但是，其危险源本质、对环境的影响和高投资等略势也不可忽视。项目建设中，考虑到核辐射式液位计的应用在国内受严格限制，从审批、采购获得安装许可到使用、管理、保养和更换程序复杂，周期漫长，应用难度大，危险系数高，使用成本高，最终选用E+H Micropilot M雷达液位计作为远传液位计，现场采用普通磁翻板液位计。但由于接收罐罐径小，罐内有折流板的特殊结构，使得雷达液位计正常工作的有效液位范围缩小：液位过低，折流板对雷达波可见，会形成较大的虚假回波，造成假液位；液位过高，被汽化的罐内介质会凝结在雷达天线喇叭口处，糊堵天线，导致雷达液位计故障。普通磁翻板液位计也经常因介质粘稠、结晶，浮子易被粘住，影响使用，毫无参考价值。

二、接收罐液位测量解决方案

由于物料的特殊性和罐内结构的特殊性，工艺的波动、调整还会引起接收罐工况的变化，介质的成分、密度、粘度等参数均会随之改变。显然，粘稠、易结晶的介质特性使得一般的测量元件与介质直接接触的测量方式难以实现接收罐液位的准确测量，只能选择间接接触或非接触的测量方式。

1.间接接触式液位测量仪表

常用的间接接触式液位测量仪表有差压式和吹气式两种。

差压式液位测量仪表由差压变送器高低压侧探头的膜片传感元件感应介质压力的变化，而压差与介质的高度成一定关系。但当介质密度发生变化或差压变送器感应膜片产生结垢，都将引起差压液位计的误差，精度不能保证，维护维修成本也高；另，物料的腐蚀性和真空工况对变送器的材质及密封要求较高，价格自然较高。

吹气式液位测量仪表是通过测量管线向测量对象连续定量地吹入气体，测量管线内的气体压力就与测量对象的压力对应，测量吹气压力就可得出液位。此类液位计受测量介质密度影响较大，介质粘稠易堵塞吹气口，维护清洗工作量大，真空条件下使用，误差较大，对吹入的气量也需要严格控制。

因此，差压式和吹气式液位测量仪表均不适用于接收罐的液位测量。

2.非接触式液位测量仪表

非接触式液位测量仪表除核辐射式液位计和雷达液位计外，还有超声波液位计。目前, 超声波的液位测量大致分为连续测量和定点测量两种测量手段。

超声波连续测量液位大部分采用超声脉冲回波法。将超声波探头安装在贮罐顶部或底部, 位于贮罐壁外。探头发射的超声脉冲, 穿透贮罐壁, 在被测液体介质中传播至液面, 经液面反射后再通过液体介质、罐壁, 返回到超声波探头被接收, 测出超声波脉冲在液体中往返所需要的时间,根据介质中的声速, 就可以计算出探头到液面之间的距离, 从而确定液面的高度。

在有些情况下并不需要知道密闭容器内液位的具体高度, 只需确定液位高于还是低于某一指定高度。这就需要采用定点测量液位的方法。就目前查到的资料来看, 常用的定点测量方法为透射衰减式定点液位测量法。当探头发射的一束超声波从容器壁外耦合到壁中时,有一部分能量会透射到容器内部的介质, 另一部分能量则残留在容器壁中来回反射, 在容器壁中形成余振, 直到衰减耗尽为止。

根据接收罐液位测量的现状——只有当液位过低或过高，才存在雷达液位计回波质量低、测量不准的问题。采用超声波定点测量液位的手段，即不需要知道接收罐内液位的具体高度, 只需确定液位高于还是低于某一指定高度，这样一来，雷达液位计在其有效测量范围内仍然使用，超出其有效范围则有超声波液位测量仪表发挥作用。

3.测量仪表的选择

目前，常用的超声波定点测量液位的仪表主要是超声波液位开关。超声波液位开关由于其能在密闭容器壁外即能检测到密闭容器中液位是否已到达某一高度，不需要在容器壁上开孔，从而可以不动火安装、不动火维修，节省开孔费用；不对容器内装置产生干扰；不对容器内介质产生污染；不受容器内介质的压力、密度、介电常数、有无腐蚀性的影响，适装面广等突出优点而逐渐被用户认识，逐渐取代浮球液位开关、音叉液位开关等传统的液位开关。

超声液位开关按传感器数量分，可分为单探头超声液位开关和双探头液位开关；按超声波传输方式来分，可分为纵波液位开关和横波（也称板波）液位开关。现就各种形式的优缺点分别作一分析。

3.1纵波单探头超声液位开关

纵波单探头工作频率比较高，一般在1Mhz左右。有两种形式：底部安装式和侧面安装式。

底部安装式单探头液位开关的工作原理是液位仪通过探头将超声波透过容器底部发射到液体内，遇到液面后由于声阻抗突变，超声波返回到探头，CPU根据超声波从发射到返回的时间乘声速计算出罐底到液面的高度。这是一种连续测量的液位仪表，报警位置是通过软件设置得到的，是一种软报警。这种液位开关是从罐底连续测量液位的，由于声速随温度变化较大，因而开关报警位置精度低，而且罐底如有沉淀物，且沉淀物不断增加，仪器的灵敏度越来越低，最终不能用。

侧面安装式单探头液位开关的工作原理是探头发射的超声波透过容器壁达到容器内，如果探头所在位置是容器内有液体，超声波通过液体传到对面的壁上，再通过液体返回到探头，探头能接到回波信号；如果探头所在位置容器中没有液体，是气体，由于气体的声阻抗大，超声波不能传到对面的壁上，探头接收不到回波信号，液位开关就是根据发射超声波后是否有回波信号，判断液位是否已到达探头所在位置，发出报警信号。

3.2纵波双探头液位开关

纵波双探头液位开关的工作原理是两个探头分别安装于容器的正对面，一个探头发射超声波，一个探头接收超声波，当容器内有液体时，发射探头发射的超声波经液体传到接收探头，接收探头收到超声波信号；当容器中没有液体时，内部是气体，发射探头发出超声波后，由于空气声阻抗大，发出的超声波传不到接收探头，接收探头接收不到超声波，液位开关就根据接收探头能否接收到超声波来判断液位是否已到达设定的限位位置。

3.3横波单探头液位开关

横波超声波液位开关的工作频率一般在几十千赫兹,超声波发出后往横向传播，也就是在容器壁内（如钢板内）传播，所以有时也称为板波。

横波单探头液位开关的工作原理是发射探头发射的超声波沿容器壁传播，沿容器壁转一周后回到同一个探头，被同一个探头接收。当容器内没有液体时，容器内是气体，气体的声阻抗大，超声波不易扩散到空气中，大部分都集中在容器壁内，因而接收到的回波大；如果容器内有液体，液体的声阻抗比较小，大部分超声波在传输途中扩散到液体中去了，接收到的超声波信号比较小，超声波液位开关就是根据接收到的回波信号大小来判断液位是否已到达探头所在的位置，从而是否报警。接收探头接收到的信号大小与很多因素有关，主要有：探头的频率、发射功率、探头安装时容器壁处理得是否平滑、清洁、耦合剂是否把空气排除干净、探头与容器壁压得是否紧密、超声波传输路径长短、环境温度高低、接收探头灵敏度、使用年限等，因而在不同的情况下，接收探头接收到的超声波信号大小差别很大，必须在现场“设定”。

横波单探头液位开关与双探头相比，由于探头少，安装方便一些，用的电缆也要少一些。但单探头超声波液位开关由于超声波必须沿容器壁转一周后才能被同一探头接收，尤其是大型容器，超声波传输路径很长，在有效回波信号到达接收探头之前，由于如焊缝、容器开孔、容器边沿等造成的干扰信号首先或同时到达接收探头，使标定或正常工作时发生错误，造成误报警或漏报警。对于球形容器，由于探头所在位置的周长很难确定，这也给标定增加了困难。对于低位报警，如液位已超过了低位限位的位置，由于超声波沿球形容器转一周路径很长，超声波在到达接收探头之前就被容器内的液体吸收完了，接收探头总是接收不到回波信号，因而无法带液标定。

4.横波双探头液位开关

横波双探头液位开关的工作原理是仪表有两个探头，粘贴在容器外侧，一个探头发射超声波，另一个探头接收超声波，当容器内没有液体时，内部是空气，声阻抗大，超声波不易扩散到容器内，大部分集中到容器壁内，传输到接收探头的信号大；如容器内有液体，一部分超声波被液体吸收，容器壁内传输的超声波少，因而接收探头接收到的超声波信号小，就根据信号的大小，判断液体是否到达探头。由于双探头液位开关与容器直径无关，发射探头与接收探头之间的距离是一个固定值（一般2.5m），超声波传输的直线距离短，有效传输时间也短，可能接收到的干扰也少，对于该时间段以外的干扰信号易于屏蔽，由标定确定的报警标准较正确，正常运行时不易产生误报警、漏报警。

三、接收罐液位报警系统的建立

接收罐液位报警系统选用两组横波双探头、智能外贴式超声波液位开关，系统配置如图1、所示，每组由两个探头、变送器、连接器、二次表（可选用）等组成。

探头贴在容器外壁需要限位的位置，一个探头向容器内发射超声波，另一个探头接收超声回波，回波信号由变送器CPU处理，当液位越限时，产生越限报警信号，通过二芯电缆（与DC24V电源线共用）传到控制室连接器，其中的CPU检测出越限报警信号，驱动继电器吸合，发出K1、K2常开或B1、B2常闭触点报警信号，可与DCS、PLC计算机系统进行连接。

智能外贴超声液位开关长时间使用，温度变化或罐状态变化将使接收到的信号发生变化，因而当状态发生变化时（如罐内壁沾附增加时），环境温度有很大变化时应用磁棒重新标定，至少一季度重新标定一次。标定时，如重新空标，探头附近必须无液位；如重新满标，探头附近必须有液位。“标定”实际上是制定报警的标准，标定的工况条件应尽可能与实际使用的工况条件接近，因而一旦工况条件（温度、容器内介质或沾附）改变，最好重新标定一次。

四、结论

综上所述，根据接收罐自身结构特点、工艺参数条件以及安装条件，选用外贴式横波双探头液位开关建立液位报警系统分，作为雷达液位计的辅助测量仪表，最终解决接收罐液位测量难题。

参考文献

[1]赵永斌，王爱军. 液位的限位控制与选型[J].中国仪器仪表，2006，4（3）：78～80.

[2]乐嘉谦.仪表工手册[M].化学工业出版社.第二版.北京：化学工业出版社.

作者简介：张燕明，女，1982.10.29出生,2005年7月毕业于西南石油大学自动化专业，现工作于新疆鄯善吐哈油田公司石油天然气化工厂，从事仪表及自动化管理工作。