磁致伸缩式液位计的原理和应用

谢芳

（中国石化工程建设有限公司，北京100101）

液位仪表的选型要求较高。通常液位测量由于对象复杂，液位的测量范围变化大等原因，在液位计的选择过程中需要考虑的因素主要有测量工况分析、介质特性分析、测量要求分析、精度要求分析、用户的使用习惯考虑、性价比选择等。石化装置具有高温高压、易燃易爆的特点，对用于易燃易爆、有毒、腐蚀性介质测量的仪表，重点应考虑仪表的可测范围、稳定性，介质腐蚀性，仪表的维护量等内容。液位测量的仪表种类繁多，磁致伸缩式液位计具有测量精度高、范围宽、使用方便、维护费用低等特点，可广泛应用于石化、制药、水利等领域，比传统压力式、机械式、电容、超声波或雷达等测量系统具有更高的应用和经济价值［1］。

1 磁致伸缩式液位计简介

磁致伸缩（Magnetostrition）指铁磁质中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变，从而使得铁磁质的长度和体积发生改变的现象。磁致伸缩现象具有各向异性，当长度为L的磁性材料在磁化方向上的长度变化为ΔL时，磁致伸缩率可表示为：λ＝ΔL／L。磁致伸缩率的范围一般为1×10－3～1×10－5。

磁致伸缩式液位计（Magnetostrictive Liquid LeveL Meter）内部检测元件由一定的磁致伸缩物质构成，是基于磁致伸缩原理设计制造的液位（界位）计，它由磁性浮子驱动，高精度、高分辨率变送器传送4～20mA 标准信号（带 HART）［2］，24V直流二线制供电，变送器可做成耐腐蚀型的。

1.1 工作原理

磁致伸缩式液位计的基本原理如图1所示，结构如图2所示。其结构分为三部分：浮球、变送器和装有磁致线的不锈钢测量管。

当变送器接通电源后，脉冲发送器和接收器开始工作，发送器定时向下端发送低电流询问脉冲信号，脉冲及其磁场顺着磁致伸缩线向下运行，当脉冲信号的磁场与浮球内的磁场相遇时，产生扭应力脉冲，这个扭应力脉冲向磁致线两端传送。向下传送的扭应力脉冲被阻尼吸收，向上传送的扭应力脉冲被接收器接收并检测出来。根据从发出询问脉冲到接收返回扭应力脉冲的时间差，就可计算出液位的高度并转换成4～20mA的输出信号。

图1 磁致伸缩式液位计基本原理

图2 磁致伸缩式液位计结构示意

1.2 性 能

磁致伸缩式液位计应用于石化领域，作为非接触式液位计，具有较大优势。

a）可靠性强。无机械可动部分，故无摩擦、无磨损，核心元件与测量介质非接触，使用寿命长。

b）精度高。分辨率高于0.01%，相当于1mm，计量精度最高可达0.5mm。

c）安全性好。磁致伸缩式液位计的防爆性能高，本安防爆，使用安全，特别适合对液体化工原料和易燃液体的测量。

d）磁致伸缩式液位计易于安装、维护简单、维护量少，有利于大幅降低维护成本。

e）可以远程传递信号，输出模拟量或数字量，带HART协议和RS－485接口。

磁致伸缩式液位计由磁性浮子驱动，可以连续测量介质液位和界位，变送器精度高，分辨率高，测量重复性好，可用做计量级的仪表，适宜于在一定的黏度、介电常数范围内对洁净介质的测量［2］，而对下列参数的变化不会产生漂移和误差：介电常数变化、气相组分变化、压力变化。理论上，温度变化产生的误差很小，平均每变化10℃，输出值变化小于2mm。有隔爆型和本安型；防护性能可以做到IP67。

1.3 基本参数

a）测量范围：测量管是刚性杆时，测量范围不大于6m；测量管是柔性杆时，测量值在3.5～20m［2］。

b）下盲区：液位测量不大于60mm；界位测量不大于15mm。

c）上盲区：液位测量不大于100mm。

d）工作电压：直流24V。

e）工作环境温度：－50～125℃。

f）介质温度：－200～400℃。

g）工作压力：真空～16MPa。

2 安 装

实践证明，设备顶部安装法兰，有利于安装和维护。设备上装法兰，带法兰盖，在法兰盖上开螺纹。安装时，先卸下浮球和挡环，将液位计拧紧在法兰盖上，然后装上浮球和挡环，再将液位计和法兰盖依次装入容器［2］。有时，也可以在罐侧壁选择法兰安装方式。

隔爆型仪表接线为典型的二线制，无需另接电源，本安型仪表接线在控制系统侧加装安全栅。

3 设计时的注意事项

3.1 影响仪表工作的干扰因素

干扰来自于静电放电、射频电磁场辐射、浪涌冲击、工频磁场等。介质温度变化过大或在振动环境下使用，也会给磁致伸缩式液位计的测量带来干扰。

3.2 设计时的注意事项

a）由于测量原理等因素，当磁致伸缩式液位计处于强磁场干扰环境下，会使浮子受的磁场力叠加导致消磁。因此，安装时应远离强电磁环境，如高压电机、风机、离心机、搅拌器、变频器、干燥床等，需要急停、启动的地方，这些设备应做好接地屏蔽工作。同时，磁致伸缩式液位计的信号线应远离高压电源线，并使信号线屏蔽层处于良好接地状态。

b）静电放电会干扰磁致伸缩式液位计的测量，使用时应使安装有液位计的设备良好接地。

c）为了避免射频电磁场辐射，需要在设计时考虑无线仪表发射源的位置，至少保证2m以上的距离。

d）对于浪涌冲击非可控的干扰，一般会在现场侧加浪涌保护器、防雷击、保护电路板。浪涌保护器中的抑制元件（压敏电阻MOV）是采用损耗自身的方式对冲击电流进行消解（发热、融化），对抗大电流的冲击。这样就可以很好地保护磁致伸缩式液位计的本体安全。

e）工频磁场多数由工频机泵产生，安装磁致伸缩式液位计时应尽量远离工频机泵。

f）如果介质温度变化过大，磁致伸缩式液位计不宜作为计量级的仪表使用。但是，只要满足平均每变化10℃，输出值变化小于2mm的条件，介质温度累计变化所产生的误差一般在测量要求误差范围之内。

g）在振动环境使用时，也会影响精度，液位计最好安装在非振动的工况条件下。

4 磁致伸缩式液位计的应用

磁致伸缩式液位计在石化行业主要应用于油罐液位和烷基铝储罐液位的测量，现已越来越多地应用于原油储罐、成品油储罐液位的测量［3］。

a）油品液位测量如果涉及贸易结算，就必须使用计量级的测量仪表。如果选择在罐顶部开口安装，磁致伸缩和伺服马达液位计都可以达到测量要求，但伺服马达液位计测量原理复杂、安装繁琐、价格昂贵、维护工作量大；而磁致伸缩式液位计不仅能够做到本安防爆、安装方便、精度高、维护量少，性价比相对较高，很适合替代伺服马达液位计用在油罐液位测量上。

b）在非计量级要求油罐液位测量上，磁致伸缩式液位计和雷达液位计均可达到测量要求。但是雷达液位计会受介电常数的影响，烃类混合物介电常数通常较低，需要加装导波管，因而应用范围受限。而磁致伸缩式液位计的惟一可动部件是浮子，维护量极少，节省人工，性价比高，很受用户的欢迎。

c）以某聚丙烯装置原料罐为例，如图3所示。储罐高18m，介质为液化石油气，易挥发，密度527.5kg／m3，介电常数为1.6，设计温度为50℃，设计表压为1.7MPa，最高介质温度为35℃，工作表压为900kPa，要求顶部法兰安装，测量精度±1mm，测量范围在0～18m，4～20mA的输出信号，防爆等级Ex dⅡBT4，防护等级IP65。在该工况下，传统设计方案选择雷达液位计（带导波管）和伺服马达液位计。由于液化石油气具有挥发性，储罐内存在挥发气体，挥发气体影响雷达回波的反射，用雷达液位计测量时，测量效果不理想；选用伺服马达液位计测量精度高，测量效果好，但是因为机械部件很多，易出现磨损，维护工作量大；磁致伸缩式液位计选型时，测量高度如果大于6m，测量管需要选柔性杆，柔性杆可测量的最大高度为20m，满足测量范围0～18m要求，液位计精度高，测量效果好。这三类液位计的对比见表1所列，使用磁致伸缩式液位计测量液化石油气储罐液位综合成本低，效果好。

表1 三种液位计对比

图3 聚丙烯原料球罐

d）以某烯烃装置烷基铝进料罐的液位测量为例，如图4所示，罐高800mm，直径250mm。介质烷基铝是一种在聚烯烃反应中重要的催化剂［3］，密度829kg／m3，设计温度为324℃，设计表压为1.2MPa，操作温度为30℃，操作表压为241kPa。

图4 烷基铝进料储罐

根据生产工艺要求，烷基铝的存储和输送过程应远离热源，并处于干燥惰性气体（如氮气、氩气）的保护下［2］；当暴露于氧气、水或含有活泼氢的混合物（如醇或酸）中，会产生剧烈反应；与空气接触后燃烧，遇含氧化合物（如水）也会剧烈燃烧或爆炸，并生成一种带有刺激性气味的氧化物气体，此气体对人体气管和肺均能造成伤害；烷基铝还可导致皮肤和眼睛的严重烧伤。在对其进行液位测量时，要求选择本安型EExiaⅡCT6，防护等级IP65，4～20mA输出信号可远传的液位计，测量精度0.5%，测量范围在0～747mm，顶部安装法兰。雷达式和伺服马达液位计供电方式均为四线制供电，不能做到本安防爆，不符合选型要求；传统方案中选用浮筒式液位计，但测量精度低，有机械部件，需要定期维护标定；在同等条件下，选用磁致伸缩式液位计，安装较浮筒式液位计简单，测量精度也远高于浮筒式液位计，磁致伸缩式与浮筒式液位计技术性能对比，见表2所列。

表2 磁致伸缩式与浮筒式液位计对比

5 结束语

虽然磁致伸缩式液位计价格较贵，但是安装调试好以后，没有什么维护工作量，工作人员不需要经常接触储罐，从而大幅降低了工作人员和危险化工原料接触的机会，其综合费用低，性价比高。应用实践证明，使用效果很好，得到了用户的认可。

［1］赵坚.磁致伸缩液位传感器的最新发展及应用［J］.测控技术，1998，17（02）：20－21.

［2］陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册［M］.3版.北京：化学工业出版社，2000：125－148.

［3］杨朝虹，杨竞.磁致伸缩液位传感器的应用与发展［J］.矿冶，2004，13（04）：86.

［4］王志魁.化工原理 ［M］.3版.北京：化学工业出版社，2004：378－379.

［5］国家质量技术监督局.GB 3836.1—2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2000.

［6］国家质量技术监督局.GB 3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”［S］.北京：中国标准出版社，2000.

［7］国家质量监督检验检疫总局.GB 3836.4—2010爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［8］国家质量技术监督局.GB 9969.1—1998工业产品使用说明书 总则 ［S］.北京：中国标准出版社，1998.

［9］国家质量技术监督局.GB／T 18272.1—2000工业过程测量和控制系统评估中系统特性的评定 第1部分：总则和方法学 ［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［10］中国石化集团公司工程标准发行总站.SH／T 3007—2007石油化工储运系统罐区设计规范 ［S］.北京：中国石化出版社，2008.