液位開(kāi)關(guān)在工業(yè)上的應(yīng)用

亓瀟(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

液位開(kāi)關(guān)，也稱之為水位開(kāi)關(guān)或液位傳感器，是指一類可以用于控制和測(cè)量或自動(dòng)控制水的開(kāi)關(guān)的裝置。液位開(kāi)關(guān)大部分應(yīng)用于測(cè)量管道內(nèi)是否有介質(zhì)，儲(chǔ)罐液位的高低報(bào)警或聯(lián)鎖保護(hù)功能的儀表設(shè)備。液位開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究對(duì)外貿(mào)易以及人民生活等各個(gè)領(lǐng)域。如果沒(méi)有液位開(kāi)關(guān)，那么工業(yè)，尤其是石油和化學(xué)工業(yè)將無(wú)法正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。在化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行中，液位開(kāi)關(guān)大部分用于關(guān)鍵設(shè)備、儲(chǔ)罐等的聯(lián)鎖保護(hù)或者控制，所以液位開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確及可靠性決定了化學(xué)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)化學(xué)和化工工藝安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

1 液位開(kāi)關(guān)的種類

液位開(kāi)關(guān)分為浮球液位開(kāi)關(guān)、射頻導(dǎo)納法液位開(kāi)關(guān)、阻旋型液位開(kāi)關(guān)、電磁型液位開(kāi)關(guān)、電子型液位開(kāi)關(guān)、音叉液位開(kāi)關(guān)、光電型液位開(kāi)關(guān)、超聲波測(cè)量技術(shù)液位開(kāi)關(guān)等。文章著重針對(duì)浮球液位開(kāi)關(guān)、音叉液位開(kāi)關(guān)、超聲波液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行闡述，分析其特點(diǎn)、選型以及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

2 液位開(kāi)關(guān)的基本原理

2.1 浮球液位開(kāi)關(guān)

浮球液位開(kāi)關(guān)，主要是利用了浮力和靜電磁場(chǎng)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，并在工藝上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。具有鐵磁體的浮球(簡(jiǎn)稱浮球)在被測(cè)介質(zhì)中的位置受工藝介質(zhì)浮力作用的影響：隨著介質(zhì)液位的不斷變化導(dǎo)致磁性浮子的位置隨之產(chǎn)生變化。浮球中的磁性體和傳感器(磁簧開(kāi)關(guān))作用，最終產(chǎn)生開(kāi)關(guān)接點(diǎn)信號(hào)的變化。

有些拋入型浮球液位開(kāi)關(guān)，采用了微動(dòng)控制開(kāi)關(guān)作為接點(diǎn)出口。當(dāng)水平面的浮力變化使浮球高度達(dá)到某個(gè)夾角時(shí)，浮球液位開(kāi)關(guān)內(nèi)的鋼珠就會(huì)延著內(nèi)部軌跡滑動(dòng)，壓到細(xì)微動(dòng)作控制器或分離細(xì)微動(dòng)作控制器上，使液位高度控制器完成斷開(kāi)和閉合的接點(diǎn)信號(hào)輸出。當(dāng)然，有些浮球液位開(kāi)關(guān)浮球之間是直接相連的機(jī)械連桿，當(dāng)液位高度變化時(shí)，將機(jī)械連桿推向細(xì)微動(dòng)作控制器或分離細(xì)微動(dòng)作控制器，最終也一樣能夠完成液位高度控制器斷開(kāi)和閉合的接點(diǎn)信號(hào)輸出變化。

浮球液位開(kāi)關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)用微動(dòng)開(kāi)關(guān)作為觸點(diǎn)出口時(shí)，當(dāng)觸點(diǎn)容積只要滿足要求時(shí)，就能夠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電器和儀表等裝置的動(dòng)作；(2)采用專用的防水且耐高溫儀表信號(hào)電纜，在苛刻的工況仍然可以正常工作；(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用場(chǎng)合較多；(4)儀表信號(hào)電纜線長(zhǎng)度根據(jù)客戶要求進(jìn)行訂制，靈活性強(qiáng)；(5)與一般的機(jī)械進(jìn)行比較，它的開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度更快、因無(wú)過(guò)多的機(jī)械連桿，也就是沒(méi)有過(guò)多的維護(hù)點(diǎn)，所以它的使用壽命會(huì)更長(zhǎng)；(6)單個(gè)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)輸出參與控制或聯(lián)鎖功能。

浮球液位開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)主要有：(1)浮球開(kāi)關(guān)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的儀表設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)類似智能儀表的自檢或者自診斷功能，所以無(wú)法知道浮球液位開(kāi)關(guān)是否處于正常工作的狀態(tài)，接點(diǎn)信號(hào)是否可以及時(shí)的觸發(fā)，以保證控制和聯(lián)鎖的功能。(2)浮球液位開(kāi)關(guān)因?yàn)榕c介質(zhì)直接接觸，且在介質(zhì)液位發(fā)生變化時(shí)，液位開(kāi)關(guān)也是浮動(dòng)的。所以它是一種活動(dòng)部件的儀表元器件，因此用在介質(zhì)黏度較高或者雜質(zhì)較多的地方會(huì)結(jié)垢或者卡澀，會(huì)使得其準(zhǔn)確度降低，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致浮球液位開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作。(3)根據(jù)介質(zhì)密度的變化，浮球?qū)嶋H檢測(cè)的位置也會(huì)發(fā)生一定變化，所以浮球液位開(kāi)關(guān)的測(cè)量精度相對(duì)其他形式較差。(4)對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)的溫度、密度、介電常數(shù)及壓力均有嚴(yán)格要求，參數(shù)的偏離均可能會(huì)導(dǎo)致液位開(kāi)關(guān)無(wú)法正常使用。

2.2 音叉液位開(kāi)關(guān)

音叉液位開(kāi)關(guān)的工作原理，是利用放置在基礎(chǔ)上的一個(gè)壓電晶體，使音叉在一定共振頻率下產(chǎn)生震動(dòng)。當(dāng)音叉液位開(kāi)關(guān)的音叉與被測(cè)試介質(zhì)相碰時(shí)，音叉的頻譜與振幅都將出現(xiàn)變動(dòng)，而音叉液位開(kāi)關(guān)的這種變動(dòng)將會(huì)經(jīng)由智能電路來(lái)加以監(jiān)測(cè)，處理并使其轉(zhuǎn)化為下一個(gè)的開(kāi)關(guān)位置信息，最后以達(dá)到對(duì)液位報(bào)警或監(jiān)控的目的。音叉液位開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)音叉液位開(kāi)關(guān)由于是采用振動(dòng)這一特點(diǎn)，從而不受流速、氣泡、湍流、氣泡、固體濃度、沾敷、產(chǎn)品變形等工況的影響；(2)安裝便利，免維護(hù)；(3)與浮球液位開(kāi)關(guān)不同，是沒(méi)有活動(dòng)零件，也沒(méi)有機(jī)械連桿的儀器元件，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，維修環(huán)節(jié)也更少；(4)具有自檢或自診斷功能，所以可以隨時(shí)知道音叉液位開(kāi)關(guān)是否處于工作正常的狀態(tài)，是否接點(diǎn)信號(hào)可以及時(shí)的觸發(fā)保證控制和聯(lián)鎖的功能。音叉液位開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)主要是該類型開(kāi)關(guān)不適合應(yīng)用于非常黏的介質(zhì)，例如粉料類的介質(zhì)。這會(huì)導(dǎo)致音叉液位開(kāi)關(guān)的叉體被黏稠的介質(zhì)覆蓋且堆積，將干擾物位檢測(cè)，可能會(huì)觸發(fā)誤動(dòng)作。

2.3 超聲波液位開(kāi)關(guān)

超聲波液位開(kāi)關(guān)與內(nèi)部壓電結(jié)晶的探頭之間被空氣分隔，把某個(gè)產(chǎn)生特定振蕩頻率的結(jié)晶，利用聲音信息傳送空氣縫隙中，當(dāng)探頭浸入液體時(shí)，結(jié)晶與聲音產(chǎn)生偶合狀態(tài)，超聲液位控制器狀態(tài)也產(chǎn)生了變化。

超聲波液位開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)由于超聲液位開(kāi)關(guān)采取了非接觸式檢測(cè)方法，而且并沒(méi)有直接和介質(zhì)進(jìn)行接觸，故超聲液位開(kāi)關(guān)對(duì)檢測(cè)有強(qiáng)腐蝕性(酸、堿)的介質(zhì)、對(duì)有環(huán)境污染的工作場(chǎng)所，以及對(duì)容易形成黏附物的物質(zhì)均不能引起危害；(2)無(wú)需法蘭、螺紋、打孔等其他復(fù)雜的過(guò)程連接，只需將探頭貼近與容器的外側(cè)壁固定即可完成安裝。

超聲波液位開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是：(1)與被測(cè)介質(zhì)黏度有一定關(guān)系，并不是因?yàn)榻橘|(zhì)會(huì)污染探頭，而是因?yàn)楸粶y(cè)介質(zhì)黏度較大時(shí)吸附于罐壁，這會(huì)導(dǎo)致超聲波液位開(kāi)關(guān)無(wú)法有效地發(fā)出波穿過(guò)附著在吸附在罐壁上的黏稠介質(zhì)，誤認(rèn)為這是實(shí)際液位，會(huì)檢測(cè)到錯(cuò)誤信號(hào)，從而影響測(cè)量導(dǎo)致液位開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。(2)受介質(zhì)溫度影響較大，溫度過(guò)高時(shí)會(huì)無(wú)法及時(shí)觸發(fā)超聲波液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

3 液位開(kāi)關(guān)的選用

浮球液位一般情況下適用于不十分重要的場(chǎng)合，比如小型儲(chǔ)罐的液位報(bào)警、水池液位高低控制外排泵的啟停等。音叉液位開(kāi)關(guān)一般用于重要設(shè)備或大型機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)，重要儲(chǔ)罐出口的泵的高低液位保護(hù)等場(chǎng)合。超聲波液位開(kāi)關(guān)一般主要考慮到安裝的便利性，常見(jiàn)的都是安裝在儲(chǔ)存有害介質(zhì)的儲(chǔ)罐及壓力容器，在化工罐區(qū)尤為常見(jiàn)。

3.1 過(guò)程連接

浮球液位開(kāi)關(guān)與音叉液位控制器之間的過(guò)程鏈接，一般都采用螺紋連接和法蘭連接，為了滿足工藝功能的需要，我們會(huì)選擇頂裝式、測(cè)裝式以及拋入形式。超聲波液位開(kāi)關(guān)選用的為貼壁形式。

3.2 材質(zhì)

浮球液位開(kāi)關(guān)的浮球材質(zhì)，常使用不銹耐酸鋼316L、哈氏合金C4(2.4610)、不銹耐酸鋼涂哈氏合金、不銹鋼噴涂瓷漆、不銹鋼噴涂PFA等。音叉液位開(kāi)關(guān)叉體的材質(zhì)，常使用不銹耐酸鋼316L、哈氏合金C4(2.4610)、哈氏合金C4(2.4610)噴涂瓷漆、不銹耐酸鋼噴涂PFA等。超聲波液位開(kāi)關(guān)因?yàn)閭鞲衅鞑糠譄o(wú)需和介質(zhì)直接接觸，所以一般只需考慮罐壁或管道材質(zhì)及使用溫度即可。

3.3 防護(hù)等級(jí)的要求

浮球液位開(kāi)關(guān)、音叉液位開(kāi)關(guān)、超聲波液位開(kāi)關(guān)均根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 4208—2017與國(guó)際電工委員會(huì) IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC 529-76關(guān)于外殼防護(hù)等級(jí)為[1]：IPXX,第一位代表的是防塵等級(jí)，考慮到工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的環(huán)境與不定因素，我們?cè)诠I(yè)使用中基本選擇的都是IP6X,6代表完全防止外物及灰塵。所以基本在防護(hù)級(jí)別上選用了IP65IP66IP67IP68,而在工業(yè)中我們基本選用了IP67和IP68的情況比較多，7代表在深度達(dá)1 m的水中防30 min的浸漬危害，8代表在深度大于1 m的水中防止持續(xù)浸漬危害。

3.4 不接觸介質(zhì)材質(zhì)

浮球液位開(kāi)關(guān)、超聲波液位開(kāi)關(guān)及音叉液位開(kāi)關(guān)的外殼可以選用塑料PBT(聚酯)、不銹鋼等。

3.5 電源選擇

浮球液位開(kāi)關(guān)根據(jù)使用場(chǎng)地和環(huán)境不同，選擇使用220VAC或24VDC電源。

3.6 防爆等級(jí)

浮球液位開(kāi)關(guān)一般為AEPS或ATEX等。

4 液位開(kāi)關(guān)的質(zhì)量檢查

當(dāng)液位開(kāi)關(guān)到貨后，務(wù)必第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行組織驗(yàn)收，其中有幾點(diǎn)需格外注意。

(1)銘牌檢查。務(wù)必確定其技術(shù)參數(shù)是否完整，并與設(shè)計(jì)規(guī)格書或計(jì)量書的尺寸相符，其技術(shù)參數(shù)一般包含但不限于：生產(chǎn)制造廠名、生產(chǎn)規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)出廠序號(hào)、公稱通徑、設(shè)計(jì)流量范圍、精度級(jí)別、防爆等級(jí)、保護(hù)級(jí)別、制造年月等。

(2)外觀檢查。外觀上不能發(fā)生毛刺形成、刻傷、裂痕、腐蝕、霉斑、涂層，不允許有起皮、脫落的跡象。

法蘭密封面和螺紋處無(wú)任何損傷。

(3)開(kāi)蓋檢查。如果條件允許，建議開(kāi)蓋檢查并做一次動(dòng)作測(cè)試，這是因?yàn)閷?shí)際工作中曾遇到過(guò)開(kāi)蓋后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部端子明顯有進(jìn)水跡象，通過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)液位開(kāi)關(guān)失效，無(wú)法正常動(dòng)作。

(4)合格證書檢查。檢查合格證及檢定或標(biāo)定證書是否齊全且合格；供電電壓是否與設(shè)計(jì)規(guī)格書或計(jì)算書保持一致；變送器及傳感器蓋是否蓋緊，孔洞是否封堵合格，且無(wú)任何損傷。

5 液位開(kāi)關(guān)選用及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)

5.1 材質(zhì)與介質(zhì)影響

浮球液位開(kāi)關(guān)浮球的材質(zhì)選用并不是絕對(duì)的，當(dāng)選型時(shí)除了考慮設(shè)計(jì)的介質(zhì)外，也要充分考慮是否存在其他介質(zhì)的可能，是否存在介質(zhì)發(fā)生改變或者濃度發(fā)生改變的情況，評(píng)估后再做選擇，避免設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

在選用時(shí)經(jīng)常會(huì)忽略可能存在的介質(zhì)，這導(dǎo)致后期投用介質(zhì)后很快就無(wú)法正常使用，二次選型來(lái)解決投入的成本也會(huì)更高，而且更重要的還面臨著工藝是否具備隔離的條件，有些情況還需要切除聯(lián)鎖保護(hù)或者控制功能，此問(wèn)題會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用及維修帶來(lái)巨大困難。尤其是浮球如果被腐蝕發(fā)生泄漏，那么浮球就無(wú)法正常工作，也就是浮球液位開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，我們?cè)鴩L試過(guò)維修泄漏的浮球，意義不大，一方面補(bǔ)焊的難度較大，另外浮球的質(zhì)量也會(huì)發(fā)生改變，即使臨時(shí)使用也只能很短時(shí)間，基本只能通過(guò)訂購(gòu)原備件解決，這是因?yàn)闆](méi)有從根本上解決問(wèn)題。

解決辦法是，在項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)階段時(shí)，首先工藝介質(zhì)要由設(shè)計(jì)院工藝專業(yè)和有生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的業(yè)主共同確認(rèn)后在反饋給儀表專業(yè)進(jìn)行選型確認(rèn)，尤其時(shí)明確濃度范圍，這是材質(zhì)選擇的關(guān)鍵部分，另外在工藝提出條件時(shí)務(wù)必要求提供相對(duì)準(zhǔn)確的密度，不然即使材質(zhì)選用沒(méi)有問(wèn)題但仍無(wú)法解決測(cè)量液位相對(duì)準(zhǔn)確的問(wèn)題。音叉液位開(kāi)關(guān)叉體的材質(zhì)選用同浮球液位開(kāi)關(guān)的策略基本一致，務(wù)必提前落實(shí)好是否存在設(shè)計(jì)工藝介質(zhì)以外的混入情況，因?yàn)闇y(cè)量原理不同，音叉液位開(kāi)關(guān)是不會(huì)受到介質(zhì)密度變化影響的。

5.2 酸霧環(huán)境對(duì)液位開(kāi)關(guān)的影響

浮球液位開(kāi)關(guān)、音叉液位開(kāi)關(guān)和超聲波液位開(kāi)關(guān)不接觸介質(zhì)的部分在我們選型中基本會(huì)忽略，一般都是按廠家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，但是對(duì)于有些例如酸霧環(huán)境，廠家標(biāo)準(zhǔn)配置可能就不適用了，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致外殼腐蝕，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成腐蝕穿孔，從而導(dǎo)致內(nèi)部端子及元器件的損壞，液位開(kāi)關(guān)無(wú)法正常使用。

建議在設(shè)計(jì)階段分析出可能存在酸霧的區(qū)域，如果條件允許在酸堿罐區(qū)的設(shè)計(jì)時(shí)不考慮酸霧的情況，建議也對(duì)外殼材質(zhì)按酸霧腐蝕考慮，因?yàn)樵诖藚^(qū)域有很多靜密封點(diǎn)，如果泄漏或者維修就可能在環(huán)境中存在酸霧的可能。防爆級(jí)別和要求根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的防爆區(qū)域等級(jí)要求選型即可。

5.3 超聲波液位開(kāi)關(guān)與耦合劑

超聲波液位開(kāi)關(guān)因?yàn)椴捎昧速N壁式安裝，為了保證傳感器和儲(chǔ)罐容器等充分結(jié)合，會(huì)在超聲波液位開(kāi)關(guān)傳感器和儲(chǔ)罐容器的外壁涂抹耦合劑。隨著使用時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)故障現(xiàn)象，這一般都是耦合劑失效所導(dǎo)致。解決辦法是，增加預(yù)防性維護(hù)工作，2～3年對(duì)其更換耦合劑，可以采用有經(jīng)驗(yàn)的蜘蛛人協(xié)助安裝，這樣也會(huì)大大地節(jié)省搭設(shè)腳手架的費(fèi)用以及現(xiàn)場(chǎng)施工的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然也建議選擇廠家推薦或者使用效果較好的耦合劑產(chǎn)品。

5.4 音叉液位開(kāi)關(guān)的可靠性措施

音叉液位開(kāi)關(guān)需要注意的一點(diǎn)是在存在有黏稠的介質(zhì)，例如粉料，選用叉體的形式就很容易在一定周期因?yàn)閽炝蠈?dǎo)致音叉開(kāi)關(guān)失效，更有甚者有觸發(fā)聯(lián)鎖誤動(dòng)作的可能?？梢栽诓桓淖冞^(guò)程連接、接線、測(cè)量原理的情況下，考慮采用棒式的音叉開(kāi)關(guān)，這種結(jié)構(gòu)因?yàn)轭愃埔环N光滑的金屬棒，黏稠介質(zhì)相對(duì)很難在棒體上掛料，另外隨著容器或設(shè)備的輕微振動(dòng)，有些介質(zhì)會(huì)脫落，從而保證可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

合理選擇并使用液位開(kāi)關(guān)十分重要。本文對(duì)幾種主要類型液位開(kāi)關(guān)的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行分析，對(duì)在工業(yè)上如何合理的選擇并合理使用液位開(kāi)關(guān)有一定的借鑒作用。