磁致伸缩液位计工作原理

磁致伸缩液位计工作原理

液位变送器由三个主要部分组成。外管部分是耐腐蚀，耐工业恶劣环境的产品材料。变送器的核心部分是最内核的波导管，它是由一定的磁致伸缩物质构成。变送器的电子部分产生一个低电流的询问脉冲，该脉冲同时产生一个磁场，并沿波导管向下传播。当该磁场和波导管上的浮子内的永磁体所产生的磁场相交时，就会产生一个应变脉冲，或叫波导扭曲。应变脉冲沿波导管返回并被电子单元所接收，通过精确测量询问脉冲和返回脉冲之间的时间间隔，可获得高精度、高重复性的液位值。

磁性浮子液位计原理

液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。

油罐液位仪表的设计及应用

一、概述

（一）油品计量的现状

洛阳石化总厂油品罐区（包括原料油罐、成品油罐和中间原料油罐共18个罐区约108台油罐）自动化水平较低，油罐的检测仪表比较落后，大部分是80年代建厂时安装的钢带液位计及其换代产品光导液位计。该类仪表传动部件较多，容易发生故障，且检测精度较低，现有仪表的控制水平越来越不能满足现代化生产管理的需要，随着仪表技术的发展及储罐计量要求的提高，更换一批精度高、性能稳定的罐区检测仪表是非常必要的，本文对油罐液位仪表的使用情况及设计选型中的考虑要点作简要介绍。

（二）油品储罐（简称油罐）计量

油品储罐（简称油罐）计量的目的储罐计量指对大型储罐内储存液量进行测量，从而获得储罐库存量。通过储罐计量得到库存量是一个企业掌握库存资料以便指导生产和销售的重要管理项目，因此，对库存量的测量精度和重现性要求较高。

购进原料和输转产品往往也可以实现储罐计量，炼油厂内的半成品中间罐区对储罐计量精度要求不高，但测量的可靠性及重现性却非常重要。不管是原料罐、成品罐或中间罐，由于储罐泄漏或油气排放导致的环境污染及经济损失都是需要避免的，所以必须要有可靠而稳定的储罐计量测量系统。

根据油罐液位的测量原理，可分为两大类，一类为直接测量高度法，另一类为压强法。直接测量高度法主要是依靠下述方法或仪表来完成油罐液位测量，如人工检测尺测量、浮子钢带测量、伺服式液位计、雷达液位计、超声波液位计、电容式液位计、磁致伸缩液位计等。基于压强法测量原理的测量系统主要有静压式测量液位系统、称重仪等。

二、各种液位计的特点

（一）人工检测尺

利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，取样测量油温和比重，通过计算得到储液体积和重量。这是古老的也是至今仍被全世界广泛使用的储罐计量方法，它可以用作现场检验其他测量仪表的参考手段。人工液位测量的精确度一般认为是使用的刻度钢尺精度加上±2mm的人为误差。

（二）浮子式钢带液面计

如大连自动化仪表五厂的UHZ-Ⅲ系列，这种液面计在国外30年代开始使用至今仍有较高的市场占有率，这种仪表的优点是比较直观，价格较便宜。缺点是传动部件多，容易发生故障，尤其是对安装要求比较高。如不符合要求，可能一开工就不能用，因此选用这种仪表时，在说明书中都提出生产厂家必须指导安装的要求。在投资有限的项目中，中小型罐仍可考虑选用该表。但16m以上的罐不适合选用该种仪表，因为罐越高，安装的平行度、垂直度以及盘簧的质量要求越高；外浮顶罐也不适合，因为一有风吹，指针上下摆动，不稳定，并容易损坏衡力盘簧。光导液位计也列入这一行列，属同类产品，选用哪一种一般应与用户协商确定。

这些产品目前在中小炼厂、小油库及中间原料油罐区还有选用的余地。

（三）伺服液位计

伺服液位计因其用一台伺服电机，使浮子跟随液位或者界面变化故得其名。如荷兰Enraf

公司的UEBF854B21C2AZ型液位计。这种液位计功能强，可测液位、界位、介质比重等，精度高（±0.9mm），故障率比较低，与计算机联网比较方便，受到操作和维护人员的欢迎，但价格比较高，在设计选型过程中，往往在审查初步设计阶段就会遇到障碍。图2为伺服液位计原理图。

（四）雷达液位计

利用雷达电波测量液位是近几年国内外都很关注的技术。如德国Endress+Hauser公司的FMR130-OVAD2DAIA型液位计。由于液位计不接触介质，又无可动部件，故障率低，而且精度也很高，是一种对用户很有吸引力的液位计。

不论雷达液位计还是伺服液位计都是性能很好的仪表，但目前由于价格偏高，在国内大面积推广还有一定困难，但随着技术的发展，这些仪表性能价格比的不断改善，使用会越来越广泛地被采用。

（五）磁致伸缩液位计

这是一种刚刚进入中国市场的新型液位计。它的测量原理是利用磁场脉冲波，测量时液位计的头部（罐的上部）发出电流“询问脉冲”，此脉冲同时产生一磁场，沿着波导管内的感应线向下运行，在液位计管外配有浮子，浮子可随液位、沿侧杆上下移动，浮子内藏有一组磁铁，并产生一个磁场，两个磁场相遇则产生一个新的变化磁场，随之产生新的“返回脉冲”，测出“询问脉冲”和“返回脉冲”的周期便可知道液体的变化位置。该液位计可动部分只有

浮子，故维护工作量小、安装比较简单、精度也比较高，另一个特点是可同时测温，但它不适合重质油品的检测。

（六）静压式液位计

利用测量液体压强的方式获得液位的仪表，最简单的HTG（HydrostaticTankGaugings）系统只有一个变送器，将测得的压强乘以储罐的面积就可以得到液体的重量。但早期的差压变送器测量精度低、环境温度影响比较大，对操作工来说又不直观，所以采用这种测量方式的用户不多，对于不用远传仪表的用户更无法使用。但是这种测量方式因为可动部件少，维护工作量小而且方便，设计人员在一些重质油罐上，用单法兰差压变送器，对于一些较小的炼厂或油库要搞远传监控也采用了这种测量方式。由于变送器和计算机技术的进步，静压式测量液位近年来又取得了新的进展，精度和可靠性都有很大提高，从统计资料看虽然总数不多，但递增幅度较大。

此外，还有电容式液位计、超声波液位计，也都各有特点，因现场使用数量较少在此不做比较和分析。

三、各类油罐计量测量仪表的应用

1．各类油罐计量测量仪表应用性能的比较，参见表1。

2．几种仪表在洛阳石化总厂的应用，参见表2。

3．各种仪表的介质使用情况，参见表3。

4．各种仪表在库存计量中的误差，参见表4。

从应用角度来说，对储罐计量测量仪表系统的要求应是：精度高（重量、液位）、高重现性、绝对安全、易操作、易维护、高可靠性、数据远传与接口标准化等。

四、设计选型的原则

1．考虑油罐的大小和特点

对10，000～100，000m3油罐，以及较大的液化气罐选用较高的液位计，中、小罐可以选用一般液位计。

2．考虑油罐的种类

直接售油或者进油的罐，选用高精度液位计，中间罐、一般储料罐可以采用一般仪表。

3．考虑介质的特性

重油尽量采用与被测介质不接触或少接触类型仪表，轻油可用一般仪表。如果用户整体水平很高，投资限制不严格，可采用性能较高的液位计。老厂改造或新增加的罐区要考虑原来采用的液位计使用情况，如果使用状况良好，尽量统一选型，以减少维护人员的负担。在用户

方面操作人员希望液位计使用方便，测量准确，仪表车间希望液位计工作可靠减少维护人员。设计时应该给予考虑。

洛阳石化总厂就是按照该设计选型原则，对于容积大于2000m3以上的重质油罐及不易挥发的油品（如50，000m3原油罐）且计量精度要求高的场合选用了计量级雷达液位计，易挥发且计量精度要求高的汽柴油及液化气罐液位测量采用伺服液位计。一些计量精度要求不高的油品储罐一般采用钢带及光导液位计计量，这种设计思想既满足了计量精度要求，也为总厂节省了投资。

五、结语

通过对液位计在不同场合的合理选用，为洛阳石化总厂罐区自动化目标的实现提供了可靠的依据，使全厂油品计量精度大大提高，不仅找回了该厂原油长期亏损的原因，还为挖潜增效提供了可靠的依据；同时也减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，为计量上等级奠定了基础。

储罐液位仪表的应用及发展

储罐应用在各行各业，它的主要功能是实现物料贮存和数量交接，因此，对罐内物料的计量是一项很重要的工作。下面就油库液体物料储罐液位仪表的应用和发展谈谈一些看法。

一、油罐液位的测量方法

目前，我们测量液位所使用的测量仪表种类较多，但其测量方法基本上可以分为两大类，一是直接测量法，二是间接测量法。

直接测量法即人工测量法，是利用计量工具直接测取液位，不需要任何中间转换。例如，石油化工储运系统用的人工量油尺，浮子钢带式直读液位表（如读取光导表一次表刻度值），磁性翻版液位仪等等。这种测量方法直观、可信度高、使用简单，并且造价低，但人为读数误差较大。目前在多数石化企业人工检尺仍是测量、控制液位的主要方法，并且经常作为标定其他仪表的主要参考。

间接测量法是利用传感元件测出与液位有关的信号后，再利用电量的转换得到所测液位仪。例如：某油库45号罐区所使用的差压式液位仪就是测量液体在不同高度所产生的压力差，然后利用计算机通过密度换算，温度补偿等得到液位值。再比如光导液位仪表是利用光电原理从与浮子罐内浮子相连的信息码带上读取液位编码信息，然后通过二次表翻译成液位值。此种测量方法较为复杂，成本高，系统误差大，但可大大降低劳动强度，能有效及时的避免溢罐等安全事故的发生，容易实现储罐区自动化管理。

二、油库液位仪表的使用现状

目前油库液位仪表种类繁杂，先进程度不一，质量参差不齐，仪表精度较低。下面按仪表引进年代逐个介绍。

20世纪80年代中期大部分油库引进了浮子钢带液位仪，比较典型的有兰州东升仪表厂生产的HIC-B型和YZJ-1型恒力弹簧液位仪，几乎装备了所有储罐，目前在小容量储罐上还有一定的占有量。这种液位仪表利用了重力平衡式原理和弹簧平衡式原理，编码采用码盘编码。该表优点是精度较高，维护简单，现场一次表指示清楚，价格低；缺点是对安装要求较高，机械结构过为复杂，机械摩擦力、安装精度和钢带线性膨胀等都会影响测量精度。特别是一次表内传动机构复杂如同钟表一般，任何一个零件失效将直接影响仪表运行。该表还有一个缺点是钢带容易卡带脱槽，导致仪表不能运行。由于二次表码盘制造比较粗糙，铜制电路板转动时间较长容易磨损和受到油气腐蚀，使得触点接触失效，二次表显示错误，很容易形成安全隐患。该类仪表目前已经淘汰停产，油库也在陆续淘汰。上世纪90年代初各油库引进安装了一批差压液位仪，比如某油库引进了兰炼仪表厂生产的FPA35WB1型差压表。这种仪表属静压式储罐计量仪表，是利用帕斯卡定理进行测量的。该表优点是无需安装罐内仪表，具有性能稳定可靠，便于操作、易于计算机网络化管理等优点。根据该表的原理及理论计算公式P=（gh）可知，理论误差几乎是不存在的，但是实际使用过程中并非如此。该仪表的误差主要是从测量仪表如压力、温度变送器的测量误差引入的；还有一个最重要的影响因素就是密度，就目前大部分油库使用情况来看，密度是在每次质检分析部门测得后才输入的，然而由于收发油的影响，密度变化很大，与同实际情况多有不同，因此导致计算机计算值误差也很大，一般在30～500mm。该表要求安装条件也比较高，首先压力变送器取压孔应位于储罐上油品相对静止的地方，以防止进油或发油时产生油品扰动，而可能产生附加压力；其次压力变送器的固定支架应与罐壁成一体，以防止外力施加与变送器上使变送器受力从而增大测量误差。该表还有一个缺点就是一次表校验比较麻烦，必须倒掉罐内油品并拆下仪表进行校验，在生产紧张时仪表将长时间得不到维修和标定。从某些油库的使用情况来看，只能作为监测目的使用。

近年来，随着变送器和计算机技术的发展，人们将静压测量仪表的变送器增加到2～3个，从而消除影响仪表精度的一些不确定因素，比如可以通过带有两个压力变送器的差压表测出的压力值联立方程组得出密度等，从而消除认为测量密度产生的误差对仪表精度的影响。该种改进表称为HTG系列静压测量系统。比单变送器静压测量仪表准确度高了很多。但是也有不足之处，比如由于实际存在的储液温度和密度的分层，是影响该表精度的主要原因，当然也存在压力、变送器的测量误差，但较之单变送器静压液位仪来说已经相当精确了。另外该表还可实现对储罐内介质密度、液位、温度、体积、质量等变量的测量。

从1995年起某些油库开始引进内存码多功能液位仪，代表产品比如温州达达仪表厂生产的型号为ZD-B10型液位仪表。该表一次表是钢带浮子式，外部钢带为信息码带，刻有读数和大小一样的信息码孔，当钢带产生位移时变送器将移过探头的信息码孔数量进行累加统计，然后换算成长度后加上初始值即得到液位。该表优点是一次表精度很高，缺点是由于初始值必须在仪表加电后输入（即输入人工检尺值或相应信息码孔边的读数），所以每次在掉电后都必须重新输入初始值；再一个就是该表一次表变送器防潮功能较差，某油库共引进了4

台安装于柴油罐上，由于柴油罐冬天加温后内外温度相差大，冷凝水沿仪表钢带槽盒下来后直接损坏变送器，导致二次表失效。此类型的仪表短暂的存在后即迅速淘汰。

在引进内存码多功能液位仪后不久，光导液位仪表就出现了，比较具有代表性的是由航天部三院三部智控所研制的UBG系列光导液位仪。这种仪表从根本上解决了东升表，内存码多功能液位仪存在的问题。UBG系列光导液位仪一次表同钢带浮子式液位仪一样采用重力平衡方式，但是它的变送器采用了光导测量原理。该表的信息码带信息码孔不同于多功能液位仪，每一种孔型代表一种数字编码，并且采用多排并列，码带的任一位置代表唯一的液位读数，

因此不需要再输入初始值，当仪表加电后变送器即刻读出码带上的液位信息，不需要再进行别的运算。当然信息码带上也印有刻度值，可供肉眼读取。该表的信息码值是利用光电原理直接从码带上读取并以数字信号方式直接传给二次表，信息的读取变送没有经过任何机械类机构转换或电流电压转换，码带同变送器间无摩擦，不同于东升表那样复杂的传动和码盘编码，因此传取速度高，无变送误差，信息准确，表不容易出故障。目前该表的测量精度可达2mm。从油库应用情况来看，反映较好。

该种仪表应是油库中小型油罐液位仪表的首选类型。

近些年开始引进了由瑞典SAAB公司生产的雷达液位仪，应用于容量较大的储罐上。比如某油库3万m3储罐采用的就是该公司生产的TANKRADARL/2型雷达液位仪。雷达液位仪采用的是非接触式测量方法，就是利用安装在罐顶的雷达波发射和接收传感器，测量雷达波在液面处反射回来的频率的变化，来计算出液位的高低。这类仪表不仅能用于烃类介质的测量，而且可用于腐蚀性介质和料位的测量应用范围极广。雷达液位仪具有测量精度高、安装使用方便，使用范围广，便于实现计算机管理等优点，但是价格是十分昂贵的。就油库的使用情况来看主要存在的问题是计算机管理软件开发跟不上。

三、油库液位仪表的发展趋势

油库液位仪表的发展趋势应该紧跟国内和国际的形势，要朝高精度、多功能、高度自动化方向发展。

从目前的应用情况来看，对于中小容量储罐，UBG或UGZ系列光导液位仪表是首选，其次是HTG系列液位测量系统。而对于大容量储罐来说雷达液位仪是首选，其次是光导液位仪表。另外值得一提的是现在很多国产仪表的生产技术在引进和消化国外先进技术后已经接近或超过国外仪表，比如国产雷达液位仪在拥有同国外产品同样功能的基础上，价格只有进口表的一半不到，这将给我们降低仪表采购成本，加快储罐区仪表自动化带来契机。