本文涉及一种高精度的水面蒸发自动监测装置液位计的选型研究。液位是蒸发参数测量主要参数, 液位测量传感器的选择尤为重要。通过对几种满足测验规范量程和分辨率的液位计对比分析及实际验证应用, 选出磁致伸缩传感器作为水面蒸发量自动监测装置的液位计, 并对常规磁致伸缩液位计进行升级改造, 野外考核表明磁致伸缩液位计能够满足水面蒸发量自动监测的需要。
磁致伸缩液位计是原来SC3051的基础上开发了5位数显，并且不需要接PLC显示，自带HART协议。该磁致伸缩液位计为两线制、多功能、浮子型，可以应用于普通或防爆环境下，适合于高精度要求的清洁液位的液位测量。SC-705C磁致伸缩液位计对于两种不同液体之间的界位测量可以应用双浮子型来进行测量。
磁致伸缩液位计的技术优势
磁致伸缩液位计适合于高精度要求的清洁液位的液位测量，精度达到1mm，最新产品精度已经可以达到0.1mm。磁致伸缩液位计还可应用于两种不同液体之间的界位测量量。防爆型设计，适合危险场合，智能电子线路设计可计算出容积量；唯一可动部件为浮子，维护量极低。
磁致伸缩液位计的优点
1.可靠性强：采用波导原理，无机械可动部分，故无摩擦，无磨损。整个变换器封闭在不锈钢管内，和测量介质非接触，传感器工作可靠，寿命长。
2.精度高：由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作，工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分辨率优于0.01%FS。
3.安全性好：磁致伸缩液位计的防爆性能高，可实现本安防爆或隔离防爆，特别适合对化工原料和易燃液体的测量。
4.易于安装和维护简单：磁致伸缩液位仪一般通过罐顶已有管口进行安装，特别适用于地下储罐和已投运储罐的安装，并可在安装过程中不影响正常生产。
磁致伸缩液位计的测量原理
传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。在磁致伸缩液位计的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永久磁环。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场想遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。
磁致伸缩液位计的性能指标：
量 程：0~25000mm
精度：±0.3mm
分辩率：0.1mm
环境温度:：-25℃~70℃
液体温度：-25℃~150℃
过程接口：3/4″NPT
电源：DC24V
输出信号：4~20mA,二线制/四线制,
温度测量：-25℃~70℃
温度误差：±0.5℃
防爆等级：ExiaⅡBT4
通讯：RS-485，RS-232，Modbus，Hart等协议，可配CAN总线或按用户要求。
※注：结合使用要求可以配制的相应管理系统软件,可实现显示各介质液位高度、温度、体积、质量、密度等参数，并可自动生成报表及打印、网络配送、远程精确监控等先进的管理功能
磁致伸缩液位计的应用指南
用于石油、化工原料储存、工业流程、生化、医药、食品饮料、罐区管理和加油站地下库存等各种液罐的液位工业计量和控制，大坝水位，水库水位监测与污水处理。
1、引言：
水面蒸发量是我国水文水资源、气象观测的重要指标。目前大多数水文站的蒸发量的测量是通过人工每天观测的方式进行的, 环节复杂, 耗时耗力, 对观测人员也有较高的要求。尤其在下暴雨时, 往往需要观测人员冒雨取水[1-2]。因此迫切需要开发一套水面蒸发量自动监测装置, 可实现蒸发量的自动监测, 并且能够解决雨间蒸发量监测问题[3]。该蒸发量测量装置需要满足使用人员只需在巡检时对蒸发皿、水位测井进行日常清洗维护。
2、自动水面蒸发器计算原理：
根据我国“SL630-2013《水面蒸发观测规范》” (以下简称SL630-2013) 的规定, 非冰期日蒸发量应按下列方法计算:
式中:E为日蒸发量, mm;P为日降水量, mm;∑h取为前一日8时至当日8时各次取出水量之和, mm;∑h加为前一日8时至当日8时各次加入水量之和, mm;∑h溢为前一日8时至当日8时各次溢流水量之和, mm;h1, h2为上次 (前一日) 和本次 (当日) 的蒸发器水面高度, mm。
根据蒸发量计算公式和水面蒸发观测规范中蒸发自动观测规定, 全自动观测方法应能测计蒸发的变化过程, 自动完成蒸发皿桶内水面高度变化、时段溢流量、补水水面高度变化值、取水水面高度变化值得观测功能[4]。
3、自动水面蒸发器监测功能：
3.1、液面自动监测功能：
该功能要求能够全天候的监测出 (E601) 蒸发桶内的液面变化量, 即h1和h2, 其监测液位范围为0-100mm, 分辨力要求能达到0.1mm。
3.2、自动补水功能：
对于自动水面蒸发器而言, 自动补水功能是必须具备的功能, 即完成公式 (1) 中∑h加的功能, 否则就不能称为自动水面蒸发器[1](见5.1.1, 《水面蒸发观测规范》SL630-2013, 以下简称SL630-2013) 。
自动补水功能就是当E601蒸发桶内的蒸发达到一定量值时, 能够自动向蒸发桶内再补回蒸发掉的水量。具体说就是:当蒸发桶内的液面由h1经蒸发后到达h2液面时, 应该有自动补水装置向蒸发桶内补水, 当补进蒸发桶内的水回到h1液面时, 还能够自动停止补水。符合上述要求的补水功能才是完善的自动补水功能。
3.3、降雨量监测功能：
蒸发观测规范已经规定, 在有降雨的情况下, 当E601蒸发桶内的降雨没有产生溢流时, 日降雨量是记入日蒸发量中的。因此, 真正完整的蒸发量观测仪器是应该能够监测和记录降雨量的 (在此不讨论冰期蒸发问题) 。
3.4、溢流量监测功能：
当持续降雨或持续补水使得E601蒸发桶内的液面超过溢流液位时, 将产生溢流。根据规范规定, 溢流量是不记入蒸发量的。因此, 完整的自动水面蒸发器还应该具备溢流量监测功能, 溢流量监测的分辨力应要小于E601蒸发桶液面的0.1mm蒸发量 (约29.98g) , 溢流计分辨率应小于29.98g。
按照上式, 自动水面蒸发器只能通过自动完成各个要素的测量才能真正实现蒸发量的自动测量。而其中水位作为其中***主要的参数, 且分辨率要求为0.1mm。目前市场上测量水位的水位计分辨率大多数为1CM或1MM。SL630-2013中5.1.3规定, 置于蒸发皿上方的装置宜不影响蒸发皿水体的受光和水体上方的空气流通, 因此, 为了保持蒸发通的水面不受干扰, 从蒸发通下部引出一管与测井相连接[3], 通过对测井中的液位测量, 从而测量出蒸发通内的液位。这样做的好处是, 测井内部相对密封, 水位稳定, 能够减少风浪对液位测量的影响。
因此, 能够满足蒸发器的水位监测传感器安装于测井内, 高精度的液位传感器主要有称重式、超声波水面测量仪和磁致伸缩水位计。
4、液位监测传感器类型：
4.1、称重式水位计：
称重式水位计, 一般采用浮子称重式液位, 采用悬臂梁方式, 在悬臂梁的一端固定称重式传感器, 另一端连接浮子, 测量筒位于支架下方, 浮子浮于测量筒内液面中。当液位升高或者降低时, 通过浮力变化影响悬臂梁传感器的读数、由此可以根据悬臂梁传感器推算出液位变化, 达到液位的目的。
但水的质量受到温度的影响比较大, 因为液态水38℃至43℃密度***大, 当水温低于38℃或者高于43℃时, 60g/cm2的水柱高度差都大于0.1mm。[5]因此称重式需要增加温度校正部分, 才能使用, 常规的称重式水位计不能满足蒸发量测量的要求。
4.2、超声波水面测量仪：
超声波水面测量仪的原理是根据超声波传感器根据超声波测距原理, 选用高精度超声波探头, 对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测, 转换成电信号输出。超声波水面测量仪可分为沉底型 (图1) 和侧壁型 (图2) , 超声波测量系统具有不破坏蒸发环境, 性能稳定, 精度高, 安装简单等特点。
图1 沉底式蒸发测量仪 下载原图
图2 侧壁式蒸发测量仪
超声波蒸发测量仪的优点为测量精度高, 反应时间短, 安装简便, 但是超声波受到温度、蒸汽、盲区等影响比较大。
(1) 受压力、温度影响
超声波的本质是一种声波, 是属于机械波, 因此超声波液位计的参数汇总有***大压力值。另外, 由于温度对超声波传播速度有影响, 温度越高超声波速度越大, 因此需要配置温度校正部分, 以保证在使用温度范围内的测量精度。
(2) 蒸汽、雾气对超声波液位计影响
当工作环境温度很高时, 液体介质容易产生蒸汽或雾气, 由于蒸汽比空气要轻, 所以上浮到罐顶部, 形成了一层对超声波脉冲有吸收和散射作用的蒸汽层。可以通过加装导波管的办法, 可以减少或削弱蒸汽层对测量的影响。
(3) 盲区对超声波液位计影响:
超声波液位计的盲区, 就如同人的眼睛一样, 盲区是当物体离眼睛非常近的时候, 反而看不清楚, 这一段距离叫作盲区。超声波液位计的盲区, 根据量程的不同而不同。量程小, 则盲区小, 量程大, 则盲区大。所以要求测量的***高液位不得高于超声波液位计的盲区。
另外超声波液位计的价格比较高, 使得水面蒸发器的成本大大增加, 不适合实际使用。
4.3 磁致伸液位传感器
磁致伸液位传感器, 通过内部非接触式的测控技术地检测活动磁环的位置来测量被检测产品的实际位移值的;
磁致伸液位传感器, 是利用磁致伸缩原理、通过两个不一样磁场相交生成一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管, 波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲, 该电流脉冲在波导管内传输, 从而在波导管外产生一个圆周磁场, 当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时, 由于磁致伸缩的作用, 波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号, 这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输, 并很快被电子室所检测到。
由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比, 通过测量时间, 就可以高度地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的值, 而不是比例的或放大处理的信号, 所以不存在信号漂移或变值的情况, 更无需定期重标。
表1
磁致伸液位传感器具有价格低廉, 不受温度变化影响等优点。
4.3.1、对比实验：
通过对磁致伸液位传感器的比对, 具体数据如表1所示。发现磁致伸液位传感器的重复性较好。
4.3.2、准确度实验：
通过针筒向测量管内注水, 通过实验, 由于测量存在一定的误差, 通过图3中实验, 认为磁致伸缩传感器基本满足蒸发器的选型要求。
图3 磁致伸缩传感器准确度实验
液压站是工业生产中重要的一种装置设备，它是由驱动电动机、液压泵、油箱、节流阀、溢流阀等构件在一起的系统，根据驱动要求流向、压力和流量供油，适用于各个驱动装置机械上，可以实现各种规定的操作工作，广泛用于各个工业领域及汽车制动上。
液压站的主要功能就是将机械能转化为液压能，按系统要求来为不同的部件提供压力、流量和方向控制等许多功能。在工业、工程机械、海洋船舶、冶金、航空等领域之内运用特别广泛。是保证个机械装置系统安全运转的重要设备之一。
近年来，液压传动技术也在不断发展和完善之中，各种先进的比例控制技术陆续用于液压站的调压，配合上新颖、合理的结构设计，成为各类生产企业液压系统的佳选择，为设备运行提供稳定可靠的动力支持。本例中涉及的业主公司4300mm生产线液压站有油箱35个，因密封破损、油管破裂造成的油品消耗极大。液压站的油箱液位采用磁性开关检测，存在漏油发现不及时、信号误报等现象，不仅影响生产，还对安全生产造成稳患。为及时发现漏油现象，在现有设备的基础上增加模拟量液位计并增加连锁、报警等功能，实现了对油箱液位的实时监控，减少了油品的消耗。
液压系统漏油对生产、设备的影响很大，会造成生产停产、设备损坏，油品消耗也相应增加。本文阐述了通过增加模拟量液位计(磁致伸缩液位计(传感器))及时发现漏油进而减少油品消耗所做的改造优化工作。
1原液压站所液位检测情况
液压系统是保障压机与装卸机正常、准确动作的关键，油箱用来储存保证液压系统工作所需的油液的容器，要保证系统稳定工作，油箱内油品必须能够保证在一定的液位范围。
油箱液位检测，目前都是通过磁性开关检测。磁性开关是一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，也叫磁控开关。每个油箱使用四个磁性开关，分别对应高、正常、低和空四个位置。液位低于设定值时，监控系统会发出指令并声光报警，提示操作人员液位异常，当液位降到空液位时，液压站所有液压泵停机。
在实际使用过程中，液位开关只能设置到某一固定值，当供油管路出现破损或密封损坏造成油品损失，液压供油压力低要在160Pa以上，若未及时发现，油箱液位会继续下降，直至降到跳站液位，出现漏油故障时油品消耗很大。若此时磁浮子磁性减弱、磁浮子表面附着杂物或磁性开关故障，不能返回信号时，会造成更多油品损耗，甚至出现油箱油品跑空，供油泵吸空现象发生，轻则造成电机过热跳电，重则造成供油泵烧毁，给生产和设备造成较大损失。
2 模拟量液位的安装和使用
2.1 磁致伸缩传感器
根据现场实际运行情况，自动化人员结合油箱的液位检测特点，提出使用磁致伸缩传感器检测液位。磁致伸缩液位计利用磁性浮子随液位浮动进行工作，但其工作原理与浮球液位计完全不同[1]。
磁致伸缩液位计(传感器)，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。现场安装的传感器如图2所示：
2.2压差式液位计
使用磁致伸缩液位计(传感器)能够精准测量油箱液位，精度可达到毫米级，但其费用非常高。为降低备件成本同时又能实现液压站油箱液位全部模拟量检测，又采用了压力传感器检测油箱液位。在油箱底部安装一个压力变送器模仿静压式液位变送器，通过液位和压力之间的换算关系转换成液位。而此种方法利用公式p=ρg h计算得出，因油品经过设备运行一周再回到油箱会伴随部分水，两者密度不同，所以计算出来的液位会存在一点偏差。但是在生产中，液位并不是需要精准到需要毫米级的精度，存在的偏差不会对系统运行造成严格意义上的影响。现场安装的压力变送器如图3所示：
2.3 模拟量液位计的控制系统
液压站站所监控画面在监控值班室，使用西门子WinCC软件编程，能直观观察站所设备运行情况，包括电机运行转速，阀门开关状态，供油压力，油箱温度，油箱液位等。
液压站的控制使用罗克韦尔的控制系统RSLogix5000软件编程。RSLogix5000是美国罗克韦尔自动化有限公司开发的用于对其公司PLC产品编程的软件[2]。它具有灵活的梯形图编辑器、拖放式操作、统一的项目查看、强大的数据库编辑器等特点。
AB所使用的网络类型都是开放的网络，可以与其他公司的产品做到很好的兼容，AB控制层网络采用ControlNet网络，该网络是一种高性能的工业局域网，具有开放性、高效率、多功能、确定性和可重复性、灵活性等特点，扩展性极强，可共享I/O，并具有强大方便的网络组态，诊断功能及可靠性。
模拟量液位能够实时监测液位，通过变送器转换成4-20mA的工业电流信号，经模拟量模块采集后显示成油箱液位，操作人员能够实时观察液位高度及其变化情况。
3 模拟量液位计改造前后对比
改造前每个油箱液位只能单独查看，而加热炉、粗轧机、精轧机、精整线的液压站所监控画面又在不同的工程师站，出现报警也只能单独查看。发生故障时要在不同的主机之间切换，增加了操作人员的工作量，同时增加了故障查找时间。改造后将所有液压站液位监测都集中在一台监控画面上，并制作了液位显示画面，在一个监控界面上能够同时实时的观察所有站所的液位情况。
监控画面采用WinCC软件编程，与AB公司PLC之间的通讯通过OPC通讯，实现了对变量的采集和输出。
改造前，液位设定需要在现场对液位开关逐个调整，即费时又费力；改造成模拟量液位计后在监控画面做了液位设定对话框，操作人员可从“液位设置”对话框中调整，根据现场实际液位填充不同的数值。可随时进行调整，程序中根据液位设定进行连锁报警或跳站，在出现故障时并根据生产情况调整，在设备故障处理完不能及时加油时可调整设定值保证生产进行，之后再进行补油工作，这样能够提高生产效率。
同时在现有监控的基础上增加了语音播报系统，当液压站所液位低到设定值会语音播报相应站所的故障情况及报警信息。磁致伸缩液位计(传感器)液压站模拟量液位计整合画面如图4所示：
增加模拟量液位计后，避免了以往使用液位开关只能检测固定设定值的返回信号，生产中容易造成油品的浪费。同时，安装模拟量液位计后可实时观察液位变化情况，根据每天观察液位变化情况，也可以反向推出哪个站所供油系统存在问题，可以有针对性的查找设备运行情况，极大的减少了油品的消耗。
4 结束语
首秦公司利用现有自动化设备和硬件条件，增加了液压站及润滑站所的油箱液位检测，实时的观察液位变化情况，精准的测量液位，减少了操作人员的工作量，缩短了设备停机时间，提高了生产效率。通过设备的改造，实现了液位变化的实时监控，可为液压系统设备故障提前预警，减少了大量油品的浪费，增加模拟量液位计后油品消耗降低了40%。
5、结论：
本文通过市面上几种常用的传感器的对比实验, 得到的结论是, 在自动蒸发器水位计选型中, 磁致伸缩传感器更胜一筹。
