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液位测量和控制仪表的详细介绍

A)重要性

无论行业如何,更智能的测量都可以提供更安全,更高效和更可持续的运营,延长正常运行时间并延长使用寿命。 在任何过程工业中,需要广泛地进行以下参数的测量和控制,并且对于该过程的令人满意的操作非常重要。

作者:CNShukla,顾问(培训与发展),Pune Techtrol Pvt。 有限公司

CNShukla

â�<CNShukla,Pune Techtrol Pvt。顾问(培训与发展)。 有限公司

  • 温度
  • 压力
  • 等级和
  • 流程

无论是工业过程测量和控制还是库存储罐计量,水平测量在这方面的重要性都不容小觑。

水平测量和控制的意义主要是考虑到以下因素......

  • 安全有效地控制过程: - 如果没有适当地测量和控制相关液体和固体的水平,制造过程可能会变得混乱。 它还可能严重损坏生产设备并导致产品质量或生产损失的不良变化。 (例如 - 在蒸汽发生锅炉的情况下,锅炉汽包中水位的测量和控制非常关键。水位损失或水位过高对锅炉及相关辅助设备的寿命是不利的)
  • 监测和控制库存: - 任何运营的经济效率取决于对库存的充分控制。 这对于高价值物品尤其重要,因为这些物品的过量存储增加了“库存携带成本”。 然而,低水平的库存可能会使生产活动匮乏。 因此,精确测量液体/固体库存水平至关重要。
  • 贸易交接: - 准确测量液体和固体的水平,有助于信任和信心交易,确保更快地达成交易。 通过测量水平而不是通过流量计量,可以更准确地估计诸如石油产品的昂贵液体的体积。
  • 人身安全: - 危险液体的溢出可能对在该地区工作的人员造成伤害,并可能造成安全和环境危害,从而造成经济损失。 因此,溢出保护非常重要。 两种或更多种成分的不成比例混合也会产生有害产物。

B)测量技术

用于测量和控制液/固级的技术大致分类如下。

1)接触式仪器 - 这些仪器直接接触液位/固体,液位监测的水平。 它们基于各种原理,如阿基米德原理,磁性,静水压力,电容,电导率和压电振动。

在使用接触式液位测量仪器时,必须考虑仪器的结构材料(MOC)的兼容性。 还必须充分注意工作压力和温度。

1.1阿基米德原则: -

  • 密度小于液体的物体将漂浮在液体中,并且移位的液体重量等于物体的重量。
  • 浸没在液体中的物体将取代等于身体体积的液体体积,并且浸没体体所经受的浮力等于其重量损失。

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1.2磁性: -

磁力可用于在没有物理接触的情况下致动簧片开关和微动开关。 磁力也可以通过非磁性材料传递。

1.3电导率

电流流过导电液体以完成参考电极和传感/控制电极之间的电路。

1.4静水压力: -

该方法取决于液柱对压力传感器施加的压力的测量

当放在水箱底部时。 液柱施加的压力等于液柱的高度h,乘以液柱的比重sg。

(P = hx sg。)。

因此,如果我们知道底部液体的压力和液体的比重“sg”,我们可以计算出液体中的液体水平“h”。

1.5电容原理: - 电容关系由以下等式表示:

C = 0.225 K(A / D)

其中:

C = Pico Farads中的电容

K =材料的介电常数

A =平方英寸的板面积

D =板之间的距离(英寸)

电容型开关和发射器利用这一原理,其中两个电极之间的液体充当介电常数。

1.6压电效果: - 压电效应是某些材料响应施加的机械应力产生电荷的能力。 压电效应的一个独特特征是它是可逆的,这意味着表现出直接压电效应(施加应力时发电)的材料也表现出相反的压电效应(当施加电场时产生应力) )。

所有振动叉式开关都使用压电晶体并按此原理工作。

2)非接触式仪器 - 它们不与正在测量其液位的液体/固体发生物理接触。 这些仪器主要基于超声波,雷达和激光原理。 还必须充分注意工作压力和温度。

2.1超声波原理: -

声音以343米/秒的速度在空中传播。 在20 0 C处。在30 KHz及以上频率的超声脉冲回波用于计算传感器和目标之间的距离。 从传感器到目标的范围通过以下方式计算: -

R(t)= ct / 2

其中:R(t)是到目标的距离

c是声音的速度

t是从发送到收到回声的时间。

2.2雷达原理: -

这种非接触式雷达技术有两种不同的版本:脉冲雷达和频率

调制连续波(FMCW)雷达。

脉冲雷达 - 频率在1和100 GHz之间的电磁波从天线向处理表面发送,以寻找阻抗的变化,这将把信号反射回发射机。

反射回的脉冲强度取决于产品的介电常数。 电磁脉冲的通过时间用于计算距离,进而计算处理液/固体的水平。

FMCW雷达 - 它使用高达100 GHz的高频RF信号,并以时间延迟的频率向目标传输并从目标表面反射。 信号的发射和接收频率的差异与目标距天线的距离成正比,然后将其转换为4-20mA DC的电平信号。

C)液位测量仪器的类型 -

1)视觉指示: - 它是使用机械液位计实现的,这些液位计不依赖于电力来进行操作。

  • 它们用于液体的连续液位指示。 广泛的液位计被归类为 玻璃量规和浮子式压力表。
  • 玻璃量规基于“液体寻求其自身水平”的原则,而浮子式仪表基于阿基米德原理。
  • 液位计有多种材料可供选择,如PP,CS,SS304,SS316,PVDF,PTFE衬里SS304或Hastalloy C,以适应液体和操作条件的类型。
  • 在若干应用中,提供直读式液位计是法定要求。

好处:-

  • '眼见为实',因此可靠,不依赖电力。
  • 玻璃量规提供液位的直接指示。
  • 易于安装和操作。
  • 适用于高温和高压应用。

限制: -

  • 它们适用于不含重悬浮颗粒的自由流动液体。
  • 玻璃量规具有易碎元件,如玻璃管或平板玻璃。

以下是工业中常用的液位计类型。

1.1管状液位计: -

压力表安装在罐的侧面,以便与容器的内容物形成闭环。 可以在量规的玻璃管中观察到液位。 提供防护装置以保护玻璃免于意外破损。

适用于最高温度200⁰C和压力10 Kg / cm2

通常,这些仪表用于低压应用,并且通常用于“对大气开放”的罐。

1.2 Reflex /透明玻璃量规: -

在平面反射或透明规格玻璃中观察到液位。 反射型玻璃在其正面上具有棱形波纹,由此液体部分呈黑色,而在其上方部分呈白色。

透明厚度与反射型相似,不同之处在于量规玻璃表面光滑,前后两侧装有一对玻璃。

适用于最高温度400⁰C和压力200 Kg / cm2

1.2反射透明液位计
1.3磁性液位计

1.3磁性液位计: -

它由一个由非磁性材料制成的腔室内的磁性浮子组成,指示器从外部夹在腔室上。 指示器有两种类型,从动胶囊或双色挡板。

浮子跟随液位并与胶囊/挡板连接以指示液位。 该仪表是多用途的,因为它可以设置有开关和变送器,它们被外部夹在腔室上。

它适用于玻璃量规被认为不安全的腐蚀性,有毒和危险液体。 适用于最高温度400⁰C和压力100 Kg / cm2

1.4浮板

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1.4 Float&Board Gauge: -

它是最简单的仪表,包括用钢丝绳连接的浮子,绳子的另一端连接到水箱外面的指针。

浮子跟随液位,指针在安装在油箱侧面的刻度板上移动。 适用于大气压下的散装液体储罐。

1.5浮子式卷尺

1.5浮球和卷尺: -

这是最精确的仪表,可测量高达±2mm精度的液位。 它由缠绕在鼓上的穿孔带组成。 浮子跟随液位,胶带通过链轮在滚筒上缠绕/展开。

链轮的运动通过齿轮机构传递到指针,以指示表盘上的水平。

2)预设点的液位检测或控制: -

这是通过使用液位开关来完成的,液位开关为报警,泵/辅助设备的启动/停止,联锁等操作提供开/关触点。

  • 用于检测罐中的液体/固体液位。 可提供单点或多点液位开关。
  • 提供多种材料,如PP,CS,SS304,SS316,PVDF,PTFE衬里SS304,以适应液体和操作条件的类型。
  • 提供户外安装和安装在危险区域的防风雨或防火保护。

好处: -

  • 基于阿基米德原理的开关不需要电力来运行。 但它们提供了潜在的免费电气接触,可用于进一步的行动。
  • 由于电气开关与浮子磁耦合,因此在液体和仪器的电气部分之间存在完全隔离。

限制 -

  • ·某些开关可能不适合直接操作较高负载。

在这种情况下,可能需要使用中间继电器/接触器。

以下是工业中通常使用的不同类型的液位开关。

2.1浮动导向开关

2.1浮动导向开关 -

它可以提供单点或多点切换。 它由一个或多个位于导管内的密封簧片开关组成,磁浮子沿其自由移动。 浮子跟随液位并启动簧片开关。

输出簧片触点具有低额定功率(40,60,120 VA),但仍然可以直接连接PLC / DCS。 适合最大 温度。 150⁰C和压力10 kg / cm2

2.2浮动旋转开关

2.2 Float Pivoted开关 -

单点开关通常侧面安装在罐壁上。 该开关通过无压盖磁耦合操作,提供5A,230VAC的微动开关转换触点。

该开关非常适用于从顶部和底部无法进入的储罐。 适合最大 温度。 300⁰C和压力20 kg / cm2


2.3置换开关 -

它是单点或多点开关。 置换器悬挂在钢丝绳上,与执行器杆连接。 随着水平的上升,当置换器浸没在液体中时,它会经受浮力并驱动5A的微动开关,230VAC等级。

水平设定点可现场调节。 适用于最高温度300⁰C和100 Kg / cm2的压力

2.4电导率开关

2.4电导率开关 -

顾名思义,它仅适用于导电液体。 在此,小的AC信号通过参考电极,并且在各个设定点处在控制电极处检测到该信号。

从参考电极流向控制电极的电流用于操作可以处理更多功率的继电器。 适合最大 温度。 100⁰C和压力5 kg / cm2

2.5电容开关

2.5电容开关 -

它测量由开关的两个电极形成的电容,其中液体形成电介质。 电平的变化导致测量的电容变化并且操作继电器。 适合最大 温度。 60⁰C和压力5 kg / cm2

2.6振动叉开关

2.6振动叉式开关 -

在空气中,它的叉子以其压电晶体产生的共振频率振动。 当材料接触到前叉时,其阻尼振动在电子设备中被感应到操作继电器。

它是单点开关,可用于液体和自由流动的颗粒/粉末。 适合最大 温度。 250⁰C和压力10 kg / cm2

2.7旋转拨片开关

2.7旋转桨式开关 -

它是固态检测开关。 它由同步电机组成,以1 RPM旋转。 电动机的轴伸长到所需的长度,并且桨叶连接到它上面。

在没有材料桨叶旋转的情况下,当固体水平达到桨叶时,它停止旋转并操作微动开关杆以提供转换触点。

3)连续液位测量和监测: -

·液位变送器用于液体/固体的定量测量,有助于库存控制和贸易交接。 它们通常提供4至20 mA DC的电输出,其对应于0至100%的水平,其又可以以包括体积/重量的各种测量单位表示。

变送器有PP,SS304,SS316,PVDF涂层SS材料,适合工艺液体。 库存控制和贸易交接可以通过使用变送器实现。

优势 -

  • 精确的定量测量有助于持续的液位监测。
  • 输出也可在RS485 MODBUS或HART中使用。 现场总线兼容。
  • 可以从指示器PLC / SCADA系统分配多个报警点。
  • 限制 -
  • 接触式液位变送器不适合固体应用
  • 需要指示器/ SCADA系统以有意义的单位显示水平。

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以下是可用于行业中不同应用的主要类型的发射器。

3.1-float导向变送器

3.1浮球导向发射器: -

它由沿导管移动的磁性浮子组成,包含一系列放置在其上的电阻和簧片开关。 浮子根据液位在导管上移动,以驱动簧片开关,电阻器两端的相应电压转换为4-20mA的电流输出。

它可以用于最大。 温度。 150⁰C和压力10 kg / cm2

3.2静液压变送器: -

10米的纯水柱对应98.1 Kpa的压力。 安装在探头底部的压阻式传感器测量油箱底部的液柱压力。

感应压力转换为mv输出,经过处理后可提供4-20mA输出。 适用于大气压和温度。 70⁰C

3.3  - 电容 - 发射机

3.3电容式液位变送器: -

â�<除了电容变化转换为4-20 mA输出信号外,其结构和工作方式与电容开关类似。 适合最大 温度60⁰C和5 kg / cm2的压力

3.4磁致伸缩级发射器

3.4磁致伸缩液位变送器: -

它是高精度(<1mm)浮子型液位变送器通过波导线发送的电流脉冲,产生一个圆形磁场,与浮子产生的磁场相互作用,在电线中产生扭曲。

测量脉冲开始与其返回之间的时间延迟并转换为4-20mA o / p,其对应于浮动位置/液位。 它可用于最高温度100⁰C和压力10 kg / cm2

3.5导波雷达液位变送器

3.5导波雷达液位变送器: -

这是一种基于时域反射计(TDR)原理的接触式发射器。 低功率电磁脉冲沿探头长度向下发送到产品表面并部分反射回电子设备。

发射和反射脉冲的传输时间与距离成正比,然后转换为4-20 mA信号。 该变送器适用于最高温度。 250⁰C和10 kg / cm2的压力

3.6-置换器型液位变送器

3.6液位变送器: -

它由一个悬挂在操作杆上的置换器组成,其另一端连接到一个扭矩管,并且还连接到一个装有磁系统的杠杆组件。

液位的变化导致操作杆使扭矩管成比例地旋转到作用在置换器上的浮力的变化。

该旋转传递到杠杆组件,引起角位移以改变磁场,该磁场由传感器感测并通过信号处理电子设备转换为4-20 mA o / p。 适合最高温度。 300⁰C和压力60 kg / cm2

3.7差压变送器-1

3.7差压变送器: -

这些变送器基于压阻原理或电容原理,广泛用于液位和流量测量应用。

它们非常适用于高压容器(如锅炉鼓)中的液位测量。 变送器可以通过脉冲管连接到容器。 远程隔膜密封型变送器也可用于危险的粘性流体。

3.7-差压发送器 -  1

3.8非接触式超声波液位变送器

3.8非接触式超声波液位变送器: -

它向目标发射短脉冲超声波,将声音反射回传感器。 然后,系统测量发射和反射信号的传播时间,该信号与到目标的距离成比例。

可以使用相同的换能器来发送和接收声音,或者可以使用单独的换能器来发送和接收。 适合最大 温度。 70⁰C&压力<1bar

3.9非接触式雷达液位变送器: -

如前所述,这些发射器可以是“脉冲型”或基于“FMCW原理”。 变送器可在现场进行编程。 操作频率越高,发射器的范围越小,但分辨率越高,反之亦然。

不同类型的天线,如喇叭型,波导,抛物线型,贴片天线或跌落天线,可满足各种应用需求。 适合最高温度。 300⁰C和35 kg / cm2的压力

也可以使用液位计,开关和变送器的组合。 所有浮子式仪表都可以配备开关和变送器。 磁性液位计可以配备双室,即一个用于水平测量,另一个用于雷达发射器。

D)选择标准

根据以下标准/条件选择液位测量仪器。

  1. 与液体的化学相容性
  2. 服务材料的物理性质 - 密度,电导率,介电常数,粘度和悬浮颗粒
  3. 工作温度和压力
  4. 发泡/发烟条件
  5. 液体中的搅动/湍流
  6. 休止角和粒径
  7. 区域分类为危险/非危险
  8. 罐/容器上的安装位置和过程连接
  9. 期望的准确性

不仅选择而且正确安装和调试仪器对于实现液位测量的准确性同样重要。

没有通用的液体/固体液位测量仪器。 但是,如上所述,在给定标准下选择合适的仪器。

E)数字时代的到来: -

与其他行业类似,数字技术的进步也对水平测量技术产生了有益的影响。 除了传感器的传统4至20 mA DC输出外,还可以使用MODBUS RTU输出,可以直接从计算机进行监控。 “油库管理系统”本质上是一个SCADA系统,有助于化学品,溶剂和石油产品的集中监控和库存控制。

此外,通过使用GSM / GPRS网络,可以从远程执行与水平监视相关的若干功能,例如泵的开/关操作,阀门的打开/关闭操作,警报通知等。

DCS / SCADA屏幕上的水平指示图形显示和动画使操作员可以方便地一目了然地监控多个参数。

最近,使用无线技术对各种IIoT应用进行了电平测量和监测

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