利用磁性浮子液位計控制液氨儲罐液位控制方法分析

摘要：液氨是一種重要的化工原料，具有很大的危害性，必須對液氨儲罐的液位進行控制。磁翻板液位計結構簡單、觀察直觀，廣泛應用于石油、化工、造紙等領域，其遠程傳輸的控制可以采用電阻傳感器法和差壓變送器法兩種方法。文中對這兩種方法進行分析，并介紹了應用實例，對選擇和應用液氨儲罐液位控制方法提供參考。

引言
        液氨是一種無色透明流動液體，易燃、有毒、有強烈刺激性氣味，對人體具有較大危害。與空氣混合能形成爆炸性混合物。遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。液氨的密度隨著溫度的升高而下降，液氨若遇熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險。因此對液氨儲罐液位的監控非常重要。低濃度氨對粘膜有刺激作用，高濃度氨可造成組織溶解壞死。

1液氨的特性
        液氨是重要的化工原料，廣泛應用于石油、化工、造紙等領域。為運輸及儲存便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態氨，儲存于耐壓鋼瓶或儲罐中。罐裝運輸用鋼瓶或槽車以及儲存用的儲罐等應符合《氣瓶安全監察規程》、《固定式壓力容器安全技術監察規程》等有關規定。允許重量充裝系數為0．52kg／L。由于液氨具有腐蝕性且容易揮發，化學事故發生率很高，因此液氨鋼瓶應存放于庫房或有棚的平臺上。露天堆放時，應以帳篷遮蓋，防止日光直射。儲罐中的液氨液位應進行嚴格監控。

2液氨儲罐的液位控制
2．1控制方法
         磁翻板液位計是根據磁極耦合原理、阿基米德(浮力定律)等原理，結合機械傳動的特性而開發研制的一種專門用于液位測量的裝置。該裝置具有結構簡單，觀察直觀、清晰，不堵塞、不滲漏，安裝方便，維修簡單等特點，目前廣泛應用于石油、化工、造紙、污水處理等工業領域。
        為了實現遠程監控，根據相關標準及要求增加液位變送裝置，以輸出多種電信號，達到遠程測量和監控的目的。其中，4～20 mA電流信號是比較常用的一種。在現場監測液位的同時，將液位的變化通過變送器、傳感器、線纜及儀表傳到控制室，實現遠程監測和控制。
          電阻傳感器和差壓變送器是目前液位測量和控制的常用裝置。由于這兩種裝置原理不同，因此要根據所測介質的性質以及所處的環境而選擇正確的測量和監控方法，才能達到測量和監控的目的。
2．2遠傳磁翻板液位計結構及原理
          磁翻板液位計是根據浮力原理和磁性耦合作用而實現液位測量及現場顯示的儀器。當被測容器中的液位升降時，液位計測量管中的磁性浮子也隨之升降。磁性浮子根據檢測介質的設定密度制造(如圖1所示)。浮子的磁位置面與介質液面始終平齊。浮子內的永久磁鋼通過磁耦合傳遞信號到現場指示器，驅動紅、白翻柱翻轉180。，當液位上升時，翻柱由白色轉為紅色，當液位下降時，翻柱由紅色轉為白色，指示器的紅、白界位處為容器內介質液位的實際高度，從而實現液位的現場指示。
2．2．1 采用電阻傳感器(電阻式)進行遠程液位控制
          由電阻傳感器(如圖2所示)和R／I轉換模塊及防護罩等組成電阻、干簧管變送器，將三暢磁翻板液位計與液位遠傳裝置以捆綁的形式固定組合構成了遠傳磁翻板液位計(如圖3所示)。該變送器的電阻傳感器以捆綁的形式固定在三暢磁翻板液位計的主導管外側，使其處于液位計同一磁耦合系統中。遠傳磁翻板液位計的磁性浮子隨液位上下移動時，對應液位位置的干簧管受浮子內磁場的作用吸合，電阻鏈阻值發生變化，通過轉換模塊將變化的電阻信號轉換成二線制4～20 mA DC標準信號輸出，該信號可方便地與數顯表配套使用，從而達到顯示、控制、調節和報警的目的。

2．2．2采用差壓變送器(差壓式)進行遠程液位控制
          差壓變送器的測量部分常采用差動電容結構(如圖4所示)。
          將磁翻板液位計與差壓變送器、固定板、正負壓連接管等組合構成了遠傳磁翻板液位計，固定板與主導管下端固定。正壓連接管分別與三暢磁翻板液位計下法蘭連接管和差壓變送器正壓口連接，負壓連接管分別與磁翻板液位計上法蘭連接管和差壓變送器負壓口連接(如圖5所示)。根據液體靜壓與高度成正比的原理，通過敏感元件的壓阻效應將靜壓轉換成電信號，經過溫度補償和線性校正，轉換成4～20 mA DC標準電流信號輸出，達到顯示、控制、調節和報警的目的。

3兩種液氨儲罐液位控制方法分析
3．1 電阻式控制和差壓式控制共同點
          就地顯示無須電源，顯示部分和介質完全隔離，不會因介質污染顯示條而使觀測受到影響，根據用戶需要調節開關點位置，安裝方便。液位變送器二線制4～20 mA DC標準信號輸出，可實現遠距離監測或控制。維護量小，維修費用低。對高溫和高壓測量比較適用，特別是三暢磁翻板液位計可用于各種塔、罐、槽、球形容器和鍋爐等設備的介質液位檢測。可以做到高密封、零泄漏和適應高溫、腐蝕性條件下的液位測量，安全可靠，全過程測量無盲區，讀數直觀，且測量范圍大。特別是現場指示部分，由于不與液體介質直接接觸，所以對高溫、有毒、有害、強腐蝕性介質，具有優越性。

3．2 電阻式控制和差壓式控制區別
3．2．1 電阻式控制
          磁性浮子隨液位上下移動，現場是通過磁耦合翻柱翻轉，遠傳信號是通過干簧管吸合，改變電阻鏈阻值。對應液位位置分別傳遞現場指示信號、遠傳信號。如果容器介質密度相對設定密度增大時，實際液面低于現場指示液面和遠傳信號液面(指示液面和遠傳信號液面等高同步)。介質密度減小時，實際液面高于現場指示液面和遠傳信號液面(指示液面和遠傳信號液面等高同步)。密度差值一定時，指示、遠傳誤差是定值，與液面高低無關。
3．2．2差壓式控制
          遠傳信號是通過容器內介質液體底部壓力與介質液面壓力的差值確定的(密度的設定值與浮子相同)。如果容器介質密度相對設定密度增大時，實際液面低于遠傳信號液面(指示液面和遠傳信號液面不等高)。介質密度減小時，實際液面高于遠傳信號液面(指示液面和遠傳信號液面不等高)。密度差值一定時，遠傳信號誤差不是定值。差值隨液面由低至高成比例擴大。如果磁性浮子發生故障(浮子卡住、損壞)，現場指示失靈、遠傳信號還可以使用。壓差變送器失靈，現場指示還可以使用，不影響監控，起到了雙維監控作用。

3．3應用實例
         某液氨儲罐的實際使用溫度范圍在-50～20℃之間，其內部液氨密度的變化為702.15～610.28 kg／m3，測量高度3 000 mm。設定基準密度為652.02 kg／m3(一10℃時)，磁性浮子總長360mm，磁鋼位置310mm。儲罐內裝入密度為702．15 kg／m3的液氨，實際液面在2000 mm處，現場指示2020 mm，電阻式信號為2020mm，壓差式信號為2154 mm。實際液面在500 mm，現場指示520 mm，電阻式信號為520 mm，壓差式信號為538 mm：試驗結果見表1。

         從表1中可以看出，差壓式控制對液氨儲罐液位的顯示與現場的三暢磁翻板液位計的顯示數據有一定的偏差，這種偏差主要是由于溫度的變化引起液氨密度的變化，致使液位的變化而引起的。
         差壓變送器所測量的結果是壓力差，由于儲油罐一般是圓柱形，其截面圓的面積S是不變的，所以卸與高度Ah成正比。在溫度變化時，液氨的密度隨之變化，液氨體積膨脹或縮小，所以實際液位升高或降低。如果需要顯示實際液位，也可以進一步引入介質溫度補償予以解決。從表1中可以看出，A／B與C比較接近，因此，對于液位的溫度補償可以粗略地采用密度的比值來進行修正：如果想得到精確修正，可以采取密度變化曲線擬合的方式加以解決。
         從表1還可以看出，電阻式控制對液位的顯示與現場磁翻板液位計的顯示一致，這是因為磁性浮子與傳感器電阻同時滑動，變化一致，因此顯示也是一致的。從這一點上來說，采用電阻式控制比采用差壓式控制所顯示的液位要精確得多。但是如果磁性浮子發生故障(浮子卡住、損壞)，現場指示、遠傳信號同時失靈，影響監控。而差壓變送器法則不會出現這種情況，測量時具有對比性，如發現二者讀數不同，可以早發現儀表故障及介質密度變化，盡早作出修正。
4結束語
         液氨儲罐的液位控制采用了磁翻板液位計現場顯示與液位遠傳裝置組合的形式實現。由液位遠傳裝置信號轉換成二線制4～20 mA DC標準信號輸出，該信號可方便地與數顯表配套使用，從而達到顯示、控制、調節和報警的目的，增加了液氨儲罐液位監控的可靠性。本文介紹的兩種控制方法各有利弊，但從安全性考慮，推薦采用磁翻板液位計與差壓變送器結合的方法對液氨儲罐液位進行監控。