Enraf伺服液位计的测量原理及应用

黄红星

（洛阳三隆安装检修有限公司 ，河南 洛阳 471012）

1 前言

液位是油品储罐最重要的仪表参数之一，通过对液位的测量和监控，可以掌握物料进出情况，科学、合理的进行储运生产调度和管理，并避免作业中将罐抽空或冒罐等事故的发生，保证安全生产。随着油品罐区自动化管理系统的实施，大型油品储罐必须使用具有较高精度和远程通讯功能的液位测量仪表，实现液位的不间断的实时集中监控。

Enraf（恩拉福）公司是世界上历史最悠久的专门制造液位计的著名公司，其伺服液位计的精度能达到±0.7mm，取得了国际和中国的防爆认证及计量认证，被誉为“油罐计量领域的专家”，在世界各地有许多成功的应用，洛阳石化选用的854ATG/XTG型伺服液位计是其成熟产品，目前为止，已经在36座储罐上得到了应用，占储罐液位计总数的四分之一，本文旨在介绍其结构特点和液位测量的工作原理，结合实际应用情况，总结使用和维护经验，提出在设计、安装和维护等方面的注意事项，以便充分发挥Enraf伺服液位计安全可靠、测量准确的优点，确保安全生产。

2 Enraf伺服液位计的结构特点和工作原理

2.1 结构特点

Enraf伺服液位计是由微处理器控制的智能化仪表，属于接触型浮子液位计。在结构上由线鼓室、电子部分室和接线端子室三个相互独立的腔体组成，并利用线鼓罩将线鼓室和电子部分室完全隔开，从结构上保证了隔爆安全。线鼓室包含由浮子、测量钢丝、测量磁鼓组成的测量机构，浮子通过缠绕在精密加工过的线鼓上的测量钢丝被悬挂在仪表外壳内，线鼓室密切接触介质。电子部分室包含液位计的电源板、力传感器和伺服机构及控制单元，必须完全隔离易燃、易爆的被测介质。线鼓与伺服电机的传动突破了传统的轴连接或齿轮连接等直接连接方式，创新地利用磁耦合来实现间接连接，将一对环型强磁铁分别安装在两室内，外磁子嵌在线鼓内组成测量磁鼓，内磁子固定在伺服电机的转动轴上。这样的结构不仅保证了伺服电机对浮子的精确控制，而且使电气部件和易燃、易爆的被测介质完好隔离，达到了使用中的隔爆安全。

2.2 工作原理

2.2.1 基本原理

Enraf伺服液位计的液位测量基于阿基米德浮力原理、力平衡原理和力矩平衡原理，是通过伺服电机带动浮子自动跟踪液面变化进行的。测量浮子漂浮在液体介质的表面，其底部通常沉入液面1～2mm，此时浮子受到测量钢丝的拉力（F）、重力（G）和液体介质的浮力（f）三个力的作用。测量钢丝始终是绷紧的，当拉力、重力和浮力构成力平衡，即F＝G－f时，浮子稳定的漂浮在液面上，能够藉此确定液面的位置。同时，钢丝的张力、测量磁鼓和内磁子及伺服机构构成力矩平衡，伺服电机不转动。已知浮子的质量为223g，浮子漂浮在液面上所受浮力约为15g，则浮子平衡在液面上受到的拉力，等于测量钢丝上的张力F为208g，将平衡张力F＝208g作为伺服控制单元的设定值S1。伺服液位计的核心是一个精密的力传感器，这个装置会不停顿地连续测量钢丝的张力，当液位上升或下降时，浮子受到的浮力发生变化，使测量钢丝上的张力随之变化，控制单元将力传感器检测到的张力数值与设定值（S1＝208g）进行比较，比较的结果驱动伺服电机带动内磁子转动，通过磁耦合作用，外磁子带动线鼓同步转动，测量钢丝拉上或放下浮子，实现伺服电机对浮子的精确控制。

2.2.2 液位测量过程

在平衡状态下，由力传感器所检测到的测量钢丝张力和控制单元的设定值是相等的。当液面下降时，测量浮子的浸没体积减小，其所受的浮力减小，则测量钢丝上张力F＞208g，张力的改变立即被力传感器检测到，控制单元对测量值和设定值进行比较后发出命令，启动伺服电机，通过磁耦合作用带动线鼓逆时针转动，以0.05mm的步幅放下浮子，增加浮子浸没深度，浮子所受浮力增大，直到液面恢复平静，浮子漂浮在液面上获得新的力平衡，力传感器所检测到的钢丝张力等于控制单元的设定值，停止伺服电机。这是一个闭环负反馈无差控制过程，保证了液位测量的高精度和高分辨率。浮子在不断地跟踪液面变化的同时，计数器记录了伺服电机的转动步数，微处理器计算出测量浮子的位移量，即液面的变化量，并远传到中央控制室，实现储罐液位的集中实时监控。当液面上升时，这个过程正好相反。

3 Enraf伺服液位计的故障分析及处理

自1999年首次安装使用12台以来，到2010年洛阳石化已有36台Enraf伺服液位计在用。该液位计测量准确、运行可靠，得到了操作人员的很高评价。但是在 G1503、G1505、G1507、G501－G508以 及G1412等储罐上出现了多次故障。总结起来主要有以下几种。

3.1 “浮子卡”故障

3.1.1 故障现象及原因分析

在进出物料作业中，液位显示值长时间为某个固定的数值，原因是浮子在导向管内上下移动过程中，在某位置受到了附加力（除重力、浮力、拉力外）的作用，并且达到了力平衡，使伺服电机停止转动，液位计输出值保持。实际上浮子没有漂浮在液面上，而是停留在某处了，形成“浮子卡”故障。

这种故障均发生在有导向管的浮顶罐应用上，由于导向管不是液位计厂家配套供货，多由用户根据厂家建议设计、预制和安装，因此发生了G1503、G1505、G1507等罐的浮子与导向管内壁的间距过小，导向管内有焊渣、有变径或开孔时留有毛刺等情况，容易造成“浮子卡”故障。

3.1.2 故障处理

对于多次发生“浮子卡”故障的Enraf伺服液位计，在用便携操作器PET进行故障处理时，不能仅仅命令伺服电机提升或下降浮子，使其脱离被卡处，而要执行提升和下降两种过程，并保证浮子不被卡在另一处。具体操作如下：第一步，发出LT命令提升浮子，用1A观察液位值增加约20cm后，发出FR命令停住浮子，再用UN命令浮子寻找液面，出现INN标记后记录示值L1。第二步，发出I2命令使浮子下沉，用1A观察示值减少约20cm后，用I1命令浮子寻找液面。出现INN标记后记录示值L2。只有当L1＝L2时，才能确定浮子在液面上。在实际维护工作中，还可以尝试下列四种解决办法：①把表头转向90度重新安装。②把磁鼓上的钢丝剪掉一截，使浮子落到罐中心高度的时候，钢丝也恰好缠绕在磁鼓中间的槽上。③校验力传感器，测量浮子重量，重新设置合适的S1值。④把浮子更换为45mm直径的浮子。Enraf伺服液位计浮子的直径有45mm、90mm、110mm三种尺寸，为了增大导向管与浮子的间隙，只能使用最小的浮子。实践证明，前三种方法可以降低故障频度，只有第四种方法才能从根本上杜绝“浮子卡”故障。

3.2 进料时液位示值下降，出料时液位示值上升

在G501－G508柴油和石脑油储罐上，曾发生进料时液位示值下降，出料时液位示值上升的反常现象，经检查发现浮子上堆满锈渣，使浮子重量大大增加，被浸没在油品中，浮子（含锈渣）的重力、钢丝拉力、油品对浮子的压力及浮力构成力平衡。液面升高压力增大，浮子下降；液面降低压力减小，浮子降低。主要原因是油品腐蚀性强，使导向管内壁锈蚀较严重。将浮子上锈渣清理后，仪表测量正常。

3.3 浮子丢失故障

应用在G1412醋酸罐的Enraf伺服液位计曾发生测量失灵故障，经检查发现浮子丢失。原因是测量钢丝被腐蚀性介质腐蚀，失去了刚性而被浮子拉断。这是选型不当造成的，重新选型、订货，更换为抗腐蚀的浮子和测量钢丝后，投用正常。

3.4 测量钢丝被粘在线鼓上

测量值不跟随液位的变化而变化，有时液位没变化指示值却突变。原因是被测介质发生结晶，将测量钢丝粘滞在了线鼓上。增加表头的伴热和保温，并保证壳体的良好密封，能够解决。另外，线鼓上也可能粘上了铁锈屑等，必须进行清洗。

4 正确的设计选型和安装使用

总结在使用中发生过的各种故障，认真分析后可以得出结论，虽然Enraf伺服液位计属于机械式仪表，但是测量精度非常高、运行很稳定、可靠性极高，曾经发生的故障都是设计选型、安装等方面的原因，尤其是导向管造成的。因此必须重视设计选型和安装使用。

4.1 设计选型注意事项

Enraf伺服液位计属于浮子接触式测量仪表，测量非黏稠的被测介质才能选用。当介质的腐蚀性较强时，必须选择抗腐蚀的浮子和钢丝。对于浮顶罐可以安装在导向管上，将浮子置于导向管中进行测量，对于拱顶罐要使浮子避开罐内加热盘管等干扰物，如果液面波动较大，则要使用稳液管安装。设计中对导向管（稳液管）必须有明确的要求。第一：导向管材质要耐腐蚀。第二：导向管必须准直，如果是用多节钢管焊接构成，则不得存在变径和弯曲。第三：导向管内部必须光滑没有毛刺，焊缝必须清除干净；应两面对称开孔，孔距300mm，孔径25mm，开孔后必须将毛刺清除干净。第四：导向管的底部要安装挡板，防止浮子沉到底再提升时被卡在管口，损坏液位计。在确定浮子的直径时，要根据导向管的直径选择。建议DN150的导向管选用45mm的浮子，DN200的导向管选用90mm或110mm的浮子。

4.2 正确的安装

仪表测量准确、可靠，运行稳定良好、故障率很低，基于正确的机械安装。Enraf伺服液位计在安装时必须做到以下几点：第一，安装液位计的法兰必须尽可能水平，水平度不大于2度，否则可能造成测量误差。第二，导向管必须竖直，从顶部吊挂重锤到管底，锤心距离中心偏差不超过5mm，否则液位计可能无法正常工作。

4.3 维护要求

Enraf伺服液位计只要安装符合要求，投用、运行正常，日常维护量很低，仅需每年检查一下轮鼓、测量钢丝和浮子，清理掉可能有的污物。需要特别注意的是，在储罐清罐、防腐时，必须提前将浮子提升到标定腔中，再切断液位计的供电。施工中严禁敲击及剧烈震动液位计表头，避免损坏力传感器、磁铁、测量钢丝和浮子等。