王博(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

在化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程中，常常需要測量某些設(shè)備(容器)內(nèi)液位高度或者液體-液體間的界面高度。這些液位、料位、界面的測量統(tǒng)稱為物位測量，最常用的是液位測量。物位測量的方法很多，常見的有：直讀式、浮力式、靜壓式、電氣式、聲波式、核輻射式等。其中浮力式液位計(jì)是應(yīng)用最早的物位測量儀表，包括恒浮力式、變浮力式兩大類，應(yīng)用阿基米德原理。恒浮力式都是維持浮力不變，浮標(biāo)或浮球漂浮在液面上，其位置隨著液位高低而變化，當(dāng)測出浮標(biāo)的位置時，就能確定液位的高低或發(fā)訊報(bào)警。如浮標(biāo)液位計(jì)(浮子鋼帶式)、浮球液位計(jì)或液位開關(guān)(浮子杠桿式)、磁翻板液位計(jì)(浮子磁耦合式)。變浮力式液位計(jì)主要是浮筒液位計(jì)(變送器)，利用浮筒沉浸在液體里，根據(jù)浮筒被浸的程度不同，排開液體的體積不同，則浮筒所受的浮力不同，只要檢測出浮筒所受浮力的變化，就可知液位的高低。對于變浮力式測量方法的浮筒液位計(jì)，由于浮筒本身構(gòu)造和材質(zhì)的限制，在選擇浮筒液位計(jì)作為液位或界面測量儀表時，對被測液體介質(zhì)的密度就有了相應(yīng)的要求。

1 基本概念及原理

1.1 浮筒液位計(jì)工作原理

浮筒液位計(jì)是根據(jù)阿基米德定律原理設(shè)計(jì)而成的液位測量儀表，儀表可用來測量液位、界位，如圖1所示。

圖1 浮筒液位計(jì)測量原理圖

浮筒液位計(jì)從原理結(jié)構(gòu)上來說，檢測的是浮筒在浮力作用下重量G，即：

其中：

式中：G為浮筒在浮力作用下重量；G1為浮筒自身重量；G2為浮筒所受浮力；V1為浮筒體積；V2為浮筒排開液體的體積；ρ1為浮筒密度；ρ2為液體密度；g為重力加速度。

當(dāng)液位在零位時，扭力管受到浮筒重量所產(chǎn)生的扭力矩(這時扭力矩最大)，扭力管轉(zhuǎn)角處于“零”度，當(dāng)液位逐漸上升到最高時，扭力管受到最大的浮力所產(chǎn)生的扭力矩的作用(這時扭力矩最小)，轉(zhuǎn)過一個角度Φ，變送器將轉(zhuǎn)角Φ轉(zhuǎn)換成4～20mA直流信號，這個信號正比于被測量液位。彈簧式浮筒液位計(jì)原理同扭力管式，只是將扭力換為彈簧彈力。由于浮筒G的測量范圍是一個有限值，通常對廠家的同一系列產(chǎn)品來說，基本就是一個固定值(重量)，所以會對測量介質(zhì)提出要求。在這里，密度ρ×重力加速度g即為重度r，由于在不同緯度和海拔高度下重力加速度g有所不同，所以重度r也不是一個常量。

1.2 基本概念

由于g同時作用在浮筒和液體上，實(shí)際上g的變化對于浮筒在浮力作用下重量G的影響可以忽略，但在討論浮筒以及相關(guān)計(jì)算時又不能直接把g扔掉，否則有悖原理。所以在討論浮筒以及相關(guān)計(jì)算時采用了抵消了所有單位的無單位數(shù)值“相對密度”。

相對密度，是在給定條件下，某種物質(zhì)的密度ρ與參考物質(zhì)的密度ρr之比，用d表示，即：

相對密度是無量綱量，通常情況下固體和液體的相對密度是該物質(zhì)的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下水的密度比值。氣體的相對密度是指該氣體的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度的比值。過去也將相對密度稱為“比重”。在實(shí)際運(yùn)用中，直接使用密度或密度差不會對應(yīng)用帶來誤差，但使用相對密度既不會對原理的公式推導(dǎo)產(chǎn)生誤解，應(yīng)用起來也很方便。

1.3 儀表選型規(guī)范概念解釋

1.3.1 石油化工自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范

石油化工自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范(SH/T 3005—2016)中第8.2.2條規(guī)定。

浮筒式液位計(jì)的選用，應(yīng)符合下列規(guī)定：對于測量范圍再2000mm或以內(nèi)，比密度為0.5～1.5的液位連續(xù)測量或位式測量；比密度差為0.2或以上的界面連續(xù)測量或位式測量，宜選用浮筒液位計(jì)或開關(guān)；對于真空、負(fù)壓或液體易氣化的液位或界面測量，宜選用浮筒液位計(jì)或開關(guān)；對于易凝結(jié)、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕性、有毒性的介質(zhì)，應(yīng)選用內(nèi)浮筒式液位計(jì)；此規(guī)范中所定義的比密度實(shí)際上就是我們所說的相對密度，但是由于這里將差值統(tǒng)一作為液體液位和液體界面兩種測量方式的參考范圍值，因此參考物質(zhì)的密度統(tǒng)一定為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的水，而被測物質(zhì)不分氣體和液體，所以此標(biāo)準(zhǔn)也采用了比密度的叫法，即

對于液位測量：比密度差=被測液體密度/水的密度-氣體密度/水的密度

對于界面測量：比密度差=被測液體1密度/水的密度-被測液體2密度/水的密度

1.3.2 化工部自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定

原化工部自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范(HG/T 20507—2014)中第7.2.4條規(guī)定。

清潔液體的液位、界面測量，可選用浮筒式液位計(jì)。浮筒式液位計(jì)選型應(yīng)符合下列要求：測量范圍2000mm 以內(nèi)，密度范用為0.5g/cm3～1.5g/cm3的液體液位連續(xù)測量，可選用浮筒式液位汁。測量范圍1200mm以內(nèi)，密度差范圍為0. 19/cm3～0.5g/cm3的液體界面連續(xù)測量，可選用浮筒式界面計(jì)。使用外浮筒式界面計(jì)測量、液體界面時，容器內(nèi)上部液面應(yīng)始終高于上部取壓口。真空對象、易氣化的液體的液位測量宜選用浮筒式液位計(jì)。此規(guī)范采用了密度與密度差的叫法，但是這里對液體液位和液體界面這兩種測量方式的儀表選型采用了不同的參考范圍值，即液體液位測量采用單純的密度值，而液體界面測量采用了密度的差值，這一點(diǎn)上，相對于老規(guī)范(HG/T 20507—2000)中第4.2.2條規(guī)定做了升級修改，不再使用比重的說法。

老規(guī)范中要求對于測量范圍2000mm以內(nèi)，比重為0.5～1.5的液體液面連續(xù)測量，以及測量范圍1200mm以內(nèi)，比重差為0.5～1.5的液體界面連續(xù)測量，宜選用浮筒式儀表。

對于液位測量：比重=被測液體密度/水的密度

對于界面測量：比重差=被測液體1密度/水的密度-被測液體2密度/水的密度

老規(guī)范這里參考物質(zhì)的密度也統(tǒng)一定為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的水，只是對于液位測量不再考慮氣體因素，而只單純考慮被測液體介質(zhì)的密度。

2 測量應(yīng)用

2.1 液體界面測量

對于界面測量，是針對兩種液體介質(zhì)來說，因此需要兩種液體介質(zhì)有明顯的分界面，若分界面不明顯，則測量精度會變的很低，甚至無法測量。通常只要兩種液體介質(zhì)的比密度差大于0.2時，測量范圍就能夠滿足，因此石化規(guī)范中要求比密度差的值需大于0.2。當(dāng)兩種液體介質(zhì)的比密度差大于0.5時，兩種介質(zhì)的浮力影響差別就會變大，對于有限的浮筒條件來說，會造成浮筒成本提高和精度的降低。雖然石化規(guī)范中并沒有對此做要求，但是化工部規(guī)范中仍保留了0.5g/cm3的上限推薦要求，因此就性價比而言，這種情況可以考慮選別的測量方式的液位計(jì)。通常不同的生產(chǎn)廠家都會在樣本里注明界面測量時的密度差需大于0.1，也有些可能會更小點(diǎn)。

2.2 液體液位測量

對于液面測量，是針對氣體和液體來說，所以通常比密度差會在0.5～1.5之間。在此，若我們粗略的認(rèn)為氣體的密度非常小，相對液體可忽略時，密度差的值基本與液體的密度值大小相等，因此原化工部的規(guī)范中對液位測量的參考范圍值使用的是液體的密度。當(dāng)密度小于0.5時，液體屬于非常輕的液體，由于浮筒的重量是一定的，測量范圍一般通過改變其直徑、長度及密度來實(shí)現(xiàn)，而直徑、長度等的改善是有限的，因此對材質(zhì)會有特殊的要求，造價就會很高，已不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。通常生產(chǎn)廠家會在樣本上注明適合的密度或比密度范圍，大部分大于0.45或0.5，也有個別廠家樣本上密度可以達(dá)到0.2，若這樣，那么浮筒的材料會非常的輕，同時還要滿足工藝的復(fù)雜工況，成本和維護(hù)也早已超出實(shí)際要求。當(dāng)密度大于1.5時，液體屬于比較重的液體，甚至粘稠，不但浮力會特別大，還可能會吸附在浮筒上。但同樣，浮筒的直徑、長度、材質(zhì)等改善是有限的，因此超過1.5時也不宜再使用浮筒。很多廠家樣本上比密度或密度的最大值都是1.5，也有達(dá)到3.0的，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，液體介質(zhì)比密度值在2.0左右的工況目前遇到的情況還是比較多的。

2.3 廠家應(yīng)用

目前大部分浮筒液位計(jì)生產(chǎn)廠家在樣本中都是以密度和密度差作為液位測量和界面測量的參考范圍，其值大小上和無量綱量比密度和比密度差很接近。通常對于液位測量的液體密度要求為0.5～1.5g/cm3,對于界面測量則要求兩種介質(zhì)的密度差應(yīng)大于0.1g/cm3。

2.4 浮筒液位計(jì)的選用

由于浮筒液位計(jì)現(xiàn)場使用和校驗(yàn)比較麻煩，即使是智能式的也是這樣。隨著智能式差壓變送器尤其是智能式法蘭液位變送器的出現(xiàn)，我國浮筒液位計(jì)的市場被壓縮了很多。但也正由于它現(xiàn)場校驗(yàn)的準(zhǔn)確和不可替代，使它仍然在過程工業(yè)中測量2000mm尤其是1200mm以下液位或界面時作為重要的可選儀表，特別是國外的工程公司，常常作為首選推薦給用戶。

3 結(jié)語

雖然目前浮筒液位計(jì)產(chǎn)品可達(dá)0～3000mm(液面)、0～1500mm(界面)，但是外浮筒越大，體積和重量也就越大，安裝及維護(hù)也越不利，因此，從安裝、維護(hù)方面考慮，測量范圍原則規(guī)定為0～2000mm，而大測量范圍的外浮筒如無必要時盡量不使用。

比密度差0.5這個值是目前總結(jié)出來的一個最基本的滿足浮筒“浮”起來并且保證測量精度的值。例如：對于界面測量，若兩種液體介質(zhì)的比密度都小于0.5，一個為0.3，一個為0.4，已滿足密度差0.1的要求，但是對于浮子的材質(zhì)要求就非常特殊了。因此，對于兩種比密度均小于0.5的液體介質(zhì)的界面測量和密度小于0.5的液體介質(zhì)的液面測量，浮筒液位計(jì)也盡量不使用。