摘 要：基于吹氣式液位計(jì)的工作原理，分析了引起吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差的外界因素，并針對(duì)這些因素提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明: 吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡被消除后，其測(cè)量誤差被控制在 3% 以內(nèi)，且液位顯示平穩(wěn)。
  吹氣式液位計(jì)是一種非接觸式液位測(cè)量?jī)x表，其輸出壓力能夠自動(dòng)跟隨吹氣管出口壓力的變化而變化，并保持輸出氣體流量穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)量吹氣管間的壓差而測(cè)量出被測(cè)量罐的液位［1］。吹氣式液位計(jì)適用于高溫、高真空、高粘度、強(qiáng)腐蝕性、易凝固、易結(jié)晶或含懸浮顆粒聚合物的高溫熔體等各種惡劣工況。
  反應(yīng)器是一種重要的化工機(jī)械設(shè)備，而化工機(jī)械設(shè)備是化工企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)正常進(jìn)行的基本物質(zhì)保障，它直接影響著企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品交貨期的制定，一旦發(fā)生液位測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障，就會(huì)影響企業(yè)預(yù)期生產(chǎn)計(jì)劃的完成［2］。目前，吹氣式液位計(jì)普遍應(yīng)用于對(duì)化工行業(yè)中反應(yīng)器液位的測(cè)量，因此，為保證吹氣式液位計(jì)的測(cè)量度，對(duì)減小吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差的方法進(jìn)行探索是十分必要的。在此，筆者對(duì)引起吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差的外界因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以減小吹氣式液位計(jì)的測(cè)量誤差。

1、吹氣式液位計(jì)的工作原理：
  ①一定高度的液體在自身重力的作用下，它作用于底面積上的壓力與液體高度有關(guān)。如圖 1 所示，取液柱的上表面在液面上，液面上方的壓強(qiáng)為p0; 取下底面在距離液面 h 處，作用在它上面的壓強(qiáng)為 p，則有:
  p = p0+ ρg H ( 1)式( 1) 表明，液體內(nèi)部壓強(qiáng) p 隨著 p0和 H 的改變而改變。式( 1) 又可改寫(xiě)為:
  H = ( p － p0) /( ρg) ( 2)式中 g ———重力加速度;H ———液位高度;ρ ———液體密度。

圖 1 差壓變送器測(cè)量液位的原理
   吹氣式液位計(jì)利用靜力學(xué)原理，通過(guò)差壓變送器正負(fù)壓側(cè)的壓力不同，形成一定的壓差，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器中溶液密度和液位的測(cè)量。吹氣式液位計(jì)的工作原理如圖 2 所示。一定量的干燥氫氣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入 9 /16 寸( 1 寸 = 33． 333mm) 的正壓側(cè)毛細(xì)管內(nèi)，使得管內(nèi)有微量氣泡溢出，然后根據(jù)式( 2) 即可計(jì)算出反應(yīng)器的液位。同時(shí)，在具體的化工生產(chǎn)中使用吹氣式液位計(jì)測(cè)量反應(yīng)器液位時(shí)，吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)毛細(xì)管內(nèi)應(yīng)避免有液體進(jìn)入，否則會(huì)造成假液位現(xiàn)象或液體進(jìn)入變送器的現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差甚至損壞儀表。

圖 2 吹氣式液位計(jì)的工作原理
2、吹氣式液位計(jì)的測(cè)量誤差分析：
  在化工生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)儀表的測(cè)量度要求很高。而吹氣式液位計(jì)在使用過(guò)程中，由于一些外界因素將導(dǎo)致其測(cè)量出現(xiàn)誤差。

2． 1、溶液氣泡：氣泡是由氣液兩相組成的分散系，在工程上一般是由氣體通過(guò)小孔進(jìn)入液層分散而成的。在固定床反應(yīng)器中，氣體通過(guò)反應(yīng)器底部氣體分布器與溶液接觸，通過(guò)溶液層分散形成氣泡。氣泡的形成分為孕育階段、長(zhǎng)大階段和脫離階段。在孕育階段，氣體壓力有一個(gè)積聚過(guò)程，當(dāng)達(dá)到毛細(xì)壓力后才能形成氣泡［3］。氣泡有一個(gè)氣液接觸界面，在這個(gè)界面上有特定的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)氣泡溶解或長(zhǎng)大時(shí)，氣液界面會(huì)發(fā)生傳質(zhì)，而氣泡大小發(fā)生變化會(huì)驅(qū)動(dòng)周?chē)芤毫鲃?dòng)。這 3 個(gè)過(guò)程會(huì)相互影響，因此氣泡是一個(gè)界面 － 傳質(zhì) － 流動(dòng)相互耦合的動(dòng)態(tài)體系。
  由于反應(yīng)器中的溶液含有大量的水，當(dāng)未達(dá)到反應(yīng)溫度或溫度不適時(shí)在油狀溶液、水和流動(dòng)氣體共存的狀態(tài)下，極易產(chǎn)生氣泡。氣泡經(jīng)過(guò)從下而上流動(dòng)的氣體的攪動(dòng)，不斷上升，并在測(cè)量液位的負(fù)壓側(cè)管口處大量積聚，進(jìn)入管內(nèi)，從而使得管內(nèi)有大量氣泡存在。大量氣泡聚集后進(jìn)入水平管內(nèi)，無(wú)法排出，將造成假液面現(xiàn)象，***終導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，產(chǎn)生測(cè)量誤差。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)器一般以第二個(gè)液位計(jì)( 雷達(dá)液位計(jì)) 作為參照組，通過(guò) DCS 監(jiān)控對(duì)比，判斷吹氣式液位計(jì)測(cè)量是否準(zhǔn)確。當(dāng)吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)有大量氣泡存在時(shí)，其測(cè)量數(shù)值波動(dòng)較大，無(wú)任何規(guī)律可循，顯示的液位增長(zhǎng)或降低數(shù)值也無(wú)任何趨勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)從當(dāng)前液位顯示值直接跳至 100% 或 0% ，給化工生產(chǎn)造成極大危險(xiǎn)，降低生產(chǎn)效率。

3、減小吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差的方法：
3． 1、消除氣泡的方法：
3． 1． 1、熱力學(xué)定律：
  氣泡的穩(wěn)定性可以通過(guò)相平衡方程表示:ＲTln(patm+ 2γrkBxB) = 0 ( 3)式中 kB———玻爾茲曼常數(shù);patm———大氣壓強(qiáng);r ———氣泡的曲率半徑;Ｒ ———氣體常數(shù);T ———溫度;xB———氣體在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù);γ ———氣液界面的界面能。

3． 1． 2、牛頓定律：
  當(dāng)氣泡與反應(yīng)器中的吹氣式液位計(jì)管口接觸時(shí)，氣泡與固體壁面的附著分為 3 個(gè)階段: 接近與接觸階段; 固體壁與氣泡之間水化膜變薄和氣泡破裂階段; 氣泡附著在固體壁上，克服脫落力影響的階段［5］。當(dāng)氣泡附著在吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管壁上時(shí)，由于氣泡表面張力的作用，氣泡被束縛，導(dǎo)致氣泡大量積聚，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)上升的氣體帶動(dòng)氣泡，使得大量氣泡進(jìn)入負(fù)壓側(cè)水平管內(nèi)，并存留在管內(nèi)，無(wú)法排出［6］。為解決這一問(wèn)題，利用力學(xué)原理，對(duì)吹氣式液位計(jì)進(jìn)行改造。改造后的吹氣式液位計(jì)工作原理如圖 3 所示，將吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)的水平管線改為有一定傾斜角度的管線，這樣，利用氣泡自身重力即可克服氣泡與管壁之間的表面張力，使氣泡降落進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。

圖 3 改造后的吹氣式液位計(jì)工作原理

表 1 不同傾斜角度下所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離值

  由于各廠安裝吹氣式液位計(jì)儀表的管線位置不同，在改動(dòng)管線時(shí)，傾斜角度會(huì)有所差異，因此應(yīng)根據(jù)管線所處的***大距離，選擇***大傾斜角度。
  對(duì)吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)豎直管線上能承受的***小距離，進(jìn)行傾斜角度改造，將原 90°的水平管線改為 120°，則根據(jù)勾股定理有:X2+ Y2= Z2式中 X ———吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器頂端的垂直管線距離;Y ———吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器的水平管線距離;Z ———吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器頂端的斜邊距離。

  Q損=2πλ( t1－ t2)ln［( d + 2δ) / d］( 4)式中 d ———管道外徑;t1———管道介質(zhì)溫度;t2———較低環(huán)境溫度;δ ———保溫層厚度;λ ———保溫材料的熱導(dǎo)率。
  在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)式( 4) 進(jìn)行計(jì)算，使電伴熱的功率大于管線的熱量損失。同時(shí)，也需要給管線涂抹保溫涂料。保溫涂料一般為纖維稠狀膏體，它綜合了涂料和保溫材料的雙重特點(diǎn)，涂抹在要求保溫的設(shè)備和管道表面，干燥后即形成具有一定強(qiáng)度和彈性的保溫層，且在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或振動(dòng)時(shí)不會(huì)開(kāi)裂脫落［10］

4、實(shí)踐效果：
  通過(guò)改造吹氣式液位計(jì)，利用溫度因素消除反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的大量氣泡，利用力學(xué)因素使吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡消除，以達(dá)到提高吹氣式液位計(jì)測(cè)量度的目的。再次投用吹氣式液位計(jì)，從化工廠的 DCS 監(jiān)控畫(huà)面中可以看出，在同一時(shí)刻，當(dāng)雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量值分別為45% 、47% 、44% 、42% 、49% 時(shí)，吹氣式液位計(jì)測(cè)量值分別為 43% 、44% 、41% 、40% 、46% 。從這些數(shù)據(jù)可以看出，吹氣式液位計(jì)與雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量值趨勢(shì)一致，同升同降，兩者之間的測(cè)量值差距明顯減小，且吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差控制在 3%以內(nèi)，液位值顯示較平穩(wěn)，無(wú)大幅波動(dòng)。5 結(jié)束語(yǔ)筆者針對(duì)引起吹氣式液位計(jì)測(cè)量誤差的外界因素，利用熱力學(xué)定律和牛頓定律研究了消除管內(nèi)氣泡的方法，并對(duì)原吹氣式液位計(jì)進(jìn)行了改造; 同時(shí)提出對(duì)管線采取電伴熱措施以防止冬季管線凍裂的發(fā)生。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡被消除，其測(cè)量誤差控制在 3% 以內(nèi)，液位顯示平穩(wěn)，有效減小了吹氣式液位計(jì)的測(cè)量誤差，為化工生產(chǎn)中反應(yīng)器的正常運(yùn)行提供了保障。