伺服液位计的原理及应用

曾勇徐娟田沣

重庆耐德工业股份有限公司重庆401121

摘要：本文首先阐述伺服液位计的安装要求，接着从液位测量、界面测量、密度测量来讲述伺服液位计的原理，最后探讨了伺服液位计的应用。

关键词：伺服液位计；测量；应用

前言

通过伺服液位计、可以测量液位、界面、密度等等,满足商业测量大型储罐交接的要求。

1伺服液位计的安装要求

伺服液位计一般采用标准法兰安装于罐顶，在实际应用中，不管是内浮顶罐、拱顶罐、球罐都应安装导向管（稳液管）。其原因如下：

1.1内浮顶罐

由于浮盘可能存在移动和转动，并且进出液时液面波动有引起浮子晃动的风险，进而影响到测量钢丝的稳定，因此建议加装稳液管，无论工况如何都能保证浮子处于导向管内，确保钢丝稳定。

1.2拱顶罐和球罐

在低液位进出液时，液面波动有可能引起浮子来回移动，导致测量钢丝与储罐顶部（短管与罐顶焊接处）产生摩擦，有磨断测量钢丝的风险，因此建议加装稳液管，无论工况如何都能确保测量钢丝稳定可靠。为长期稳定使用打下基础。

伺服液位计磁鼓部分直接与储罐空间联通，通过磁耦合将磁鼓的移动状态（浮子的移动状态）传递到电气部分,电气部分是完全隔离的，整体通过防爆认证，防护等级达到IP65，可以满足所有爆炸性气体环境应用要求。液位及仪表状态信号通过两路通讯总线可分别接至罐旁表和罐表系统进行实时监测，并可提供两路独立的继电器报警信号，用于安全关断。伺服液位计安装时应注意以下事项：安装稳液管必须垂直，稳液管上下中心竖直偏差应不超过3mm；稳液管本身不得存在变径、弯曲及内壁毛刺等；接口法兰必须尽可能水平，水平度应小于0.5°。球罐根据工艺需求应配置全通径隔离球阀，确保可进行在线检修和调试。

2伺服液位计的原理

伺服液位计主要由浮子（A）、钢丝（B）、轮毂（C）、磁耦合机构（D和E）、传动轴（F）、张力检测机构（G、H和I）、传动机构（J、K和M）、电机（N）、显示器（P）和核心处理器（MPU）等部件构成，如右图所示。浮子是由一根强度和柔性很高的不锈钢钢丝均匀缠绕在轮毂上并安装在外壳内进行悬挂,轮毂用于缠绕钢丝的槽底部是平的，并且所有槽的周长一致且每一个槽只有一根钢丝。浮子的密度大于被测液体的密度,通过设定合适的张力使得浮子的一半浸没于被测液体中，此时处于测量平衡状态。整个测量原理为大自然的基本规律之一——阿基米德原理，实际上是通过对测量线张力的检测来寻找液位，从而确定液位高度。

2.1液位测量

伺服液位计的核心是一个先进的张力检测机构,它可以连续测量浮子所受测量线的张力。液位测量时，通过预先设定的张力,达到设定张力时被定义为平衡状态。当储罐开始排出液体的时候,液面下降,浮子受到的浮力降低，传感器感受到浮子的张力增加,力传感器和比较的结果之间的张力大于平衡状态的张力,伺服电机驱动测量轮毂,放下测量钢丝,使浮子到液面下降,直到拉力等于预先设定的张力。另一方面，之前和之后的每一步伺服电机运行速度是非常准确的,分辨率可达0.1mm，精度可以控制到1毫米或更高。MPU通过精确计算步骤的伺服电机的运动,可以计算钢丝的长度,计算出的钢丝的长度就是液位的高度并显示在LCD显示器上。反之液面上升时亦如此。

2.2界面测量

分层液储罐分界面测量如图所示。由于重力上部液体的密度小于下部液体。上部液体的浮力小于下部液体的浮力。此外,伺服液位计通过预先计算，将浮子一半高度处于分界面位置时的张力设定为分界面测量平衡张力。

已知G、ρ1、ρ2、V1、V2

界面测量状态：

G=T+F1+F2

=T+ρ1V1+ρ2V2

T=G-ρ1V1-ρ2V2

浮力平衡时即为分界面位置。当分界面上升时，V1和V2之和是不变的，V1减小，V2增大，导致钢丝张力减小，力传感器和比较的结果之间的张力小于平衡状态的张力,伺服电机驱动测量轮毂,提升测量钢丝,使浮子上升,直到拉力等于预先设定的界面测量张力。另一方面，之前和之后的每一步伺服电机运行速度是非常准确的,分辨率可达0.1mm，界面精度可以控制到2毫米或更高。MPU通过精确计算步骤的伺服电机的运动,可以计算钢丝的长度,计算出的钢丝的长度就是界面的高度并显示在LCD显示器上。反之界面下降时亦如此。

2.3密度测量

伺服液位计可以测量流体的密度在储罐和液体密度分布,液体介质的分布密度可在液位管理系统中显示。通过测量系统,可以连续记录的储罐在不同位置密度值。可以计算出液体的平均密度或显示槽中液体的密度分布。

3伺服液位计在罐区储罐的应用案例

(1)某化工装置罐区液氨储罐，由于液氨挥发性较大，储罐测量范围很大，具有较高测量难度，采用的是伺服液位计测量，至今运行6年，运行一直很稳定。

(2)2012年某成品油库的汽油储罐的液位测量是雷达液位计，投运一段时间时发现汽油储罐的液位测量经常出现波动，计量不准确，后经换成伺服液位计测量，至今运行5年，运行一直很稳定，测量数据也特别准确。

4结语

本文从液位测量、界面测量、密度测量来讲述伺服液位计的原理，并结合应用实例对伺服液位计用于储罐的液位测量的应用进行分析，希望对大家有所帮助。

参考文献：

[1]陈子琦.浅析伺服液位计的原理和应用[J].石油化工自动化，2013