吹气式液位计 减小测量误差的方法
摘 要：基于吹气式液位计的工作原理，分析了引起吹气式液位计测量误差的外界因素，并针对这些因素提出了相应的改进方案。实际运行结果表明: 吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除后，其测量误差被控制在 3% 以内，且液位显示平稳。
吹气式液位计是一种非接触式液位测量仪表，其输出压力能够自动跟随吹气管出口压力的变化而变化，并保持输出气体流量稳定，通过测量吹气管间的压差而测量出被测量罐的液位［1］。吹气式液位计适用于高温、高真空、高粘度、强腐蚀性、易凝固、易结晶或含悬浮颗粒聚合物的高温熔体等各种恶劣工况。
反应器是一种重要的化工机械设备，而化工机械设备是化工企业生产活动正常进行的基本物质保障，它直接影响着企业生产计划和产品交货期的制定，一旦发生液位测量不准确导致机械设备故障，就会影响企业预期生产计划的完成［2］。目前，吹气式液位计普遍应用于对化工行业中反应器液位的测量，因此，为保证吹气式液位计的测量度，对减小吹气式液位计测量误差的方法进行探索是十分必要的。在此，笔者对引起吹气式液位计测量误差的外界因素进行分析，并提出相应的改进措施，以减小吹气式液位计的测量误差。
1、吹气式液位计的工作原理：
①一定高度的液体在自身重力的作用下，它作用于底面积上的压力与液体高度有关。如图 1 所示，取液柱的上表面在液面上，液面上方的压强为p0; 取下底面在距离液面 h 处，作用在它上面的压强为 p，则有:
p = p0+ ρg H ( 1)式( 1) 表明，液体内部压强 p 随着 p0和 H 的改变而改变。式( 1) 又可改写为:
H = ( p － p0) /( ρg) ( 2)式中 g ———重力加速度;H ———液位高度;ρ ———液体密度。
图 1 差压变送器测量液位的原理
吹气式液位计利用静力学原理，通过差压变送器正负压侧的压力不同，形成一定的压差，实现对反应器中溶液密度和液位的测量。吹气式液位计的工作原理如图 2 所示。一定量的干燥氢气经过转子流量计进入 9 /16 寸( 1 寸 = 33． 333mm) 的正压侧毛细管内，使得管内有微量气泡溢出，然后根据式( 2) 即可计算出反应器的液位。同时，在具体的化工生产中使用吹气式液位计测量反应器液位时，吹气式液位计负压侧毛细管内应避免有液体进入，否则会造成假液位现象或液体进入变送器的现象，导致测量误差甚至损坏仪表。
图 2 吹气式液位计的工作原理
2、吹气式液位计的测量误差分析：
在化工生产过程中，对仪表的测量度要求很高。而吹气式液位计在使用过程中，由于一些外界因素将导致其测量出现误差。
2． 1、溶液气泡：气泡是由气液两相组成的分散系，在工程上一般是由气体通过小孔进入液层分散而成的。在固定床反应器中，气体通过反应器底部气体分布器与溶液接触，通过溶液层分散形成气泡。气泡的形成分为孕育阶段、长大阶段和脱离阶段。在孕育阶段，气体压力有一个积聚过程，当达到毛细压力后才能形成气泡［3］。气泡有一个气液接触界面，在这个界面上有特定的力学性质，当气泡溶解或长大时，气液界面会发生传质，而气泡大小发生变化会驱动周围溶液流动。这 3 个过程会相互影响，因此气泡是一个界面 － 传质 － 流动相互耦合的动态体系。
由于反应器中的溶液含有大量的水，当未达到反应温度或温度不适时在油状溶液、水和流动气体共存的状态下，极易产生气泡。气泡经过从下而上流动的气体的搅动，不断上升，并在测量液位的负压侧管口处大量积聚，进入管内，从而使得管内有大量气泡存在。大量气泡聚集后进入水平管内，无法排出，将造成假液面现象，***终导致测量不准，产生测量误差。在化工生产过程中，反应器一般以第二个液位计( 雷达液位计) 作为参照组，通过 DCS 监控对比，判断吹气式液位计测量是否准确。当吹气式液位计负压侧管线内有大量气泡存在时，其测量数值波动较大，无任何规律可循，显示的液位增长或降低数值也无任何趋势，严重时会从当前液位显示值直接跳至 100% 或 0% ，给化工生产造成极大危险，降低生产效率。
在寒冷的冬季，在反应器外部顶端负压侧管线内，由于反应器内部温度较高、外界温度较低，温差很大，因此管内存在的气泡极易受冷凝而结成冰，并附着在管内，使得差压变送器测量受阻。严重时，液体进入变送器，将使变送器结冰受损，***终导致液位计测量失灵，无法测出液位。
3、减小吹气式液位计测量误差的方法：
3． 1、消除气泡的方法：
3． 1． 1、热力学定律：
气泡的稳定性可以通过相平衡方程表示:ＲTln(patm+ 2γrkBxB) = 0 ( 3)式中 kB———玻尔兹曼常数;patm———大气压强;r ———气泡的曲率半径;Ｒ ———气体常数;T ———温度;xB———气体在溶液中的摩尔分数;γ ———气液界面的界面能。
3． 1． 2、牛顿定律：
当气泡与反应器中的吹气式液位计管口接触时，气泡与固体壁面的附着分为 3 个阶段: 接近与接触阶段; 固体壁与气泡之间水化膜变薄和气泡破裂阶段; 气泡附着在固体壁上，克服脱落力影响的阶段［5］。当气泡附着在吹气式液位计负压侧管壁上时，由于气泡表面张力的作用，气泡被束缚，导致气泡大量积聚，此时反应器内上升的气体带动气泡，使得大量气泡进入负压侧水平管内，并存留在管内，无法排出［6］。为解决这一问题，利用力学原理，对吹气式液位计进行改造。改造后的吹气式液位计工作原理如图 3 所示，将吹气式液位计负压侧的水平管线改为有一定倾斜角度的管线，这样，利用气泡自身重力即可克服气泡与管壁之间的表面张力，使气泡降落进入反应器内。
图 3 改造后的吹气式液位计工作原理
表 1 不同倾斜角度下所对应的实际距离值
由于各厂安装吹气式液位计仪表的管线位置不同，在改动管线时，倾斜角度会有所差异，因此应根据管线所处的***大距离，选择***大倾斜角度。
对吹气式液位计负压侧竖直管线上能承受的***小距离，进行倾斜角度改造，将原 90°的水平管线改为 120°，则根据勾股定理有:X2+ Y2= Z2式中 X ———吹气式液位计至反应器顶端的垂直管线距离;Y ———吹气式液位计至反应器的水平管线距离;Z ———吹气式液位计至反应器顶端的斜边距离。
由于冬季温度较低，吹气式液位计反应器内部与外部的管线温差较大，若反应器外部管线内有液体存在，则极易冷冻成冰，附着在管线壁内，堵塞管道，使仪表无法正常使用。在化工生产中，为解决管线易冻问题，需要给管线加伴热。管道热量损失 Q损( 单位 W/m) 的计算式为［9］:
Q损=2πλ( t1－ t2)ln［( d + 2δ) / d］( 4)式中 d ———管道外径;t1———管道介质温度;t2———较低环境温度;δ ———保温层厚度;λ ———保温材料的热导率。
在实际应用时，需根据式( 4) 进行计算，使电伴热的功率大于管线的热量损失。同时，也需要给管线涂抹保温涂料。保温涂料一般为纤维稠状膏体，它综合了涂料和保温材料的双重特点，涂抹在要求保温的设备和管道表面，干燥后即形成具有一定强度和弹性的保温层，且在设备运转或振动时不会开裂脱落［10］
4、实践效果：
通过改造吹气式液位计，利用温度因素消除反应器内产生的大量气泡，利用力学因素使吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡消除，以达到提高吹气式液位计测量度的目的。再次投用吹气式液位计，从化工厂的 DCS 监控画面中可以看出，在同一时刻，当雷达液位计测量值分别为45% 、47% 、44% 、42% 、49% 时，吹气式液位计测量值分别为 43% 、44% 、41% 、40% 、46% 。从这些数据可以看出，吹气式液位计与雷达液位计测量值趋势一致，同升同降，两者之间的测量值差距明显减小，且吹气式液位计测量误差控制在 3%以内，液位值显示较平稳，无大幅波动。5 结束语笔者针对引起吹气式液位计测量误差的外界因素，利用热力学定律和牛顿定律研究了消除管内气泡的方法，并对原吹气式液位计进行了改造; 同时提出对管线采取电伴热措施以防止冬季管线冻裂的发生。实际应用结果表明，吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除，其测量误差控制在 3% 以内，液位显示平稳，有效减小了吹气式液位计的测量误差，为化工生产中反应器的正常运行提供了保障。