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浅谈罐区新型智能外贴超声波液位开关的应用和发展
2020-11-12
  

引言

近年来,国内外石油化工行业安全事故频发,国家安全总局2014年颁发了《关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知》(安监总管三[2014]68号)文件,文件要求危化品储罐现场应设置储罐高低液位报警采用超高液位自动联锁关闭储罐进料阀门和超低液位自动联锁停止物料输送措施,确保系统安全运行,因为罐区的液位控制和液位联锁控制措施是确保储罐系统安全控制的重要措施,因此,正确安装与使用罐区智能控制液位开关仪表对确保化学罐区的安全运行具有重要的意义。

作为罐区的常用仪表--液位开关根据其工作原理的不同,主要分为以下几种:浮球式液位开关、电容式液位开关、音叉式液位开关、超声波液位开关、非接触式外贴超声波液位开关等,其中,新型非接触式外贴超声波智能液位开关具有不用清罐开孔,不影响罐区正常运行的条件下,作为液位控制和联锁的关键部件,安装简单、维护方便、工作稳定可靠、使用方便、功能强、应用周期长、维护工作量少、性价比高等特点,相比较接触式测量的液位开关具有明显的优势,因此,在化学品罐区得到了广泛的应用。

1 超声波检测的工作原理

超声检测技术是一种常规的无损检测技术,它利用超声波在材料中传播时,遇到界面反射回来的声讯号特征或声能在不同介质中衰减特征不相同的特征进行参数检测的技术。

超声检测方法通常由脉冲反射法、脉冲透射法、共振法和频差法等。脉冲反射法是将脉冲超声波发射后,当传播到有声阻抗差异的界面(不同介质)上时,产生反射声波,根据反射波的形状进行测量的方法,如图1为超声波发生到不同介质表面时所产生的反射与折射原理图,该方法通常用一个探头兼做发射和接受探头。本外贴式超声液位开关就是采用该测量原理设计的。

图1超声波在界面的反射与折射图

2 外贴超声波液位开关的使用现状

外贴超声波液位开关通常应用于温度在-40℃~100℃之间、容器厚度5mm~60mm密实材料的储罐进行液位的测量与控制。由于外贴超声波液位开关在工作时与被测介质不接触,不需要为储罐定制仪表安装孔,对全密闭罐优势更加明显,因此,伴随着智能外贴超声液位开关新技术的应用与发展,在罐区将获得越来越广泛的应用。
目前,国外生产的超声液位开关品种不多,主要的产品如德国SONOTEC(索诺泰克)、美国FIL(费尔本)等公司的外贴超声波液位开关产品,其产品质量较好,获得了一定的应用,但价格较贵,服务滞后,无法定制,制约了市场的需求。国内生产的外贴超声波液位开关在罐区系统应用的主要为单、双探头外贴超声波液位开关,单探头外贴超声波液位开关在现场实际应用中,需要根据现场的实际工况(如针对不同的罐体材质、罐内介质、温度)进行有液和无液的标定和调试,无法进行自动校准:经过一段时间使用后,还要定期校准,液位开关标定后,判据或门槛值在使用过程中是不变的,在实测工况和标定工况的差别较大时,会出现误报现象,目前也有一些厂家通过软件及算法进行误报率的改进,但效果参差不齐。

一般的双探头外贴超声波液位开关为传感器一发一收,如果罐壁中间有焊缝,超声波信号无法传输,开关在安装时要避开储罐焊缝,同样双探头外贴超声波液位开关也不能避免工况变化的情况下,出现开关误报问题。
总的来说,目前国内生产的单、双探头外贴超声波液位开关在使用过程中,都存在不同程度的误报现象,部分产品目前还存在不同程度的缺陷;且两者均存在安装调试复杂,需要对设备表面进行仔细打磨,对安装、调试人员的素质要求高,需要定期校准来降低设备产生的误报率,维护工作量较大。

3 新型智能外贴超声波液位开关的技术特点和应用

在技术交流和项目应用过程中,发现多探头新型智能外贴超声波液位开关弥补了以前常用的单、双探头外贴超声液位开关的很多不足,其主要特点如下:

(1)增加(2个)校准探头,杜绝误报:在测量探头的基础上,增加了2个校准探头,所述校准探头安装在仪表工作时罐体上下液位不可能到达的位置,高低位测量探头与校准探头与智能外贴超声波液位开关主机连接,校准探头作为标准信号,利用测量探头与校准探头进行实时比较,进行仪表的自校准调整,实现自校准功能,杜绝误报。

(2)智能化程度高:具有自诊断和现场参数调整功能,当出现探头脱落、探头耦合程度不良、连接线缆断路等故障,这些故障会导致主机内置换能器测量信号发生变化,智能外贴超声波液位开关可通过自诊断算法判断出故障原因,表头显示故障代码,并输出故障代码与报警信号;另外,根据使用的情况可对仪表的设计参数进行修正与修改。

(3)交互界面良好:交互界面采用中文显示,直观便捷;为了用户的使用方便,交互界面采用遥控操作,实现不同的界面显示与参数的设置操作。交互界面包含由:主菜单界面、参数设置界面、测量参数图形显示界面、调试界面、校准界面等等。

(4)防爆的遥控操作功能:智能外贴超声波液位开关在进行防爆设计的同时,配备了不用开盖就可以实现符合防爆设计的红外遥控器,进行功能选择、观察、调试等遥控操作。

(5)安装简单:交互界面及模块化设计带来安装的便捷,考虑到示波器也不宜进入防爆区域,新型智能外贴超声波液位开关主机控制表头可显示探头接收的波形,直观了解信号真实程度和信号强弱程度,无需安装时使用示波器辅助调试;另外,通过红外遥控器可以实现菜单选择与参数调试功能,现场调试安全、方便,为安装提供了便利;针对探头的安装,排除了外部影响,探头贴合部分不用打磨,不破坏漆面,无需躲避焊缝。

(6)调试方便:校准探头的使用让调试更加方便,相对典型的单、双探头液位开关,安装调试时必须进行有液和无液状态校准,特别是高位校准非常困难,因为一般罐区系统液位很难达到高位。新型智能外贴超声波液位开关的校准探头十分巧妙的解决这个难题,校准探头信号作为标准信号,利用测量探头与校准探头比值进行实时比较,判断容器是否有液,使得安装时无需真实液位。新型智能外贴超声波液位开关采用的校准探头与测量探头的比较,可以减少罐区系统环境温度、信号干扰、探头耦合程度等因素影响导致的误动作,还可以降低液位开关的误报率;

(7)维护简易:自诊断功能让维护更简单,通常外贴超声波液位开关出现误报和故障,只能靠运维人员判断及仪表维护人员巡检发现获知,新型智能外贴超声波液位开关主机具有中文界面,实时显示液位状态,同时具有维护诊断代码显示功能,当出现故障,液位开关可通过自诊断功能判断故障原因,显示并可输出故障代码及报警信号,及时通知维护人员,修理,且故障期间不误动作。

外贴超声波液位开关的不足表现在液位开关的探头离散性较大,互换性较差,当罐壁发生腐蚀以后对测量结果具有影响。

4外贴超声波液位开关的发展方向

危化品储罐储存的都是易燃、易爆、有毒、腐蚀性液体,储罐系统通常不方便清罐和开孔,工作在危化品储罐液位控制中的液位开关的工作正常与否对危化品灌区的安全工作具有重要的影响,研究与开发使用方便、性能稳定可靠的液位开关对保证危化品罐区的安全运行具有重要的意义。从应用的角度分析液位开关的发展趋势为:

(1) 高可靠性

液位开关的工作正常与否,影响到系统的安全,因此,提高液位开关的可靠性是液位开关设计的永恒话题。

外贴超声波智能液位开关具有不用清罐开孔,不影响罐区正常运行的条件下,作为液位控制和联锁的关键部件,便捷安装,维护方便,多探头的智能检测方法防止了误报的发生,在现有罐区系统内改造或者增上紧急切断系统中,是目前罐区智能液位开关首选设备,随着产品的发展将在罐区液位控制中发挥越来越重要的作用。

(2) 智能化

对智能液位开关的高可靠性要求和使用环境的复杂与恶劣对液位开关的功能与性能提出更高的要求,随着罐壁的变化要求液位开关必须有自诊断与修正功能的智能化仪表才能实现,随着使用条件与环境的变化,对液位开关的智能化要求也越来越高。

(3) 网络化

液位开关作为系统中的一个测量节点对系统的稳定运行具有重要的影响,作为整个罐区的一个测量节点实现测量数据的上传对整个系统的管理维护具有重要的意义,因此,液位开关的网络化通信功能是液位开关的发展趋势。

5 总结

化学品储罐液位测量的安全性对液位开关的性能要求越来越高,其方便使用、快捷安装、便捷调试,维护简单、智能诊断处理、自校准功能等方面的要求是用户采购与使用综合考虑的重要因素。伴随着新型智能外贴超声波液位开关在危化品储罐液位控制的逐渐大量的应用,相信在国内这一类新型智能液位开关的新技术和新概念引领下,国内智能液位开关的性能将迈上一个新台阶,将有越来越多的高性能智能化液位开关为罐区安全保驾护航。

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