浮筒液位计关于比密度及选型问题

王博(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075)

0 引言

在化学工业的生产过程中，常常需要测量某些设备(容器)内液位高度或者液体-液体间的界面高度。这些液位、料位、界面的测量统称为物位测量，最常用的是液位测量。物位测量的方法很多，常见的有：直读式、浮力式、静压式、电气式、声波式、核辐射式等。其中浮力式液位计是应用最早的物位测量仪表，包括恒浮力式、变浮力式两大类，应用阿基米德原理。恒浮力式都是维持浮力不变，浮标或浮球漂浮在液面上，其位置随着液位高低而变化，当测出浮标的位置时，就能确定液位的高低或发讯报警。如浮标液位计(浮子钢带式)、浮球液位计或液位开关(浮子杠杆式)、磁翻板液位计(浮子磁耦合式)。变浮力式液位计主要是浮筒液位计(变送器)，利用浮筒沉浸在液体里，根据浮筒被浸的程度不同，排开液体的体积不同，则浮筒所受的浮力不同，只要检测出浮筒所受浮力的变化，就可知液位的高低。对于变浮力式测量方法的浮筒液位计，由于浮筒本身构造和材质的限制，在选择浮筒液位计作为液位或界面测量仪表时，对被测液体介质的密度就有了相应的要求。

1 基本概念及原理

1.1 浮筒液位计工作原理

浮筒液位计是根据阿基米德定律原理设计而成的液位测量仪表，仪表可用来测量液位、界位，如图1所示。

图1 浮筒液位计测量原理图

浮筒液位计从原理结构上来说，检测的是浮筒在浮力作用下重量G，即：

其中：

式中：G为浮筒在浮力作用下重量；G1为浮筒自身重量；G2为浮筒所受浮力；V1为浮筒体积；V2为浮筒排开液体的体积；ρ1为浮筒密度；ρ2为液体密度；g为重力加速度。

当液位在零位时，扭力管受到浮筒重量所产生的扭力矩(这时扭力矩最大)，扭力管转角处于“零”度，当液位逐渐上升到最高时，扭力管受到最大的浮力所产生的扭力矩的作用(这时扭力矩最小)，转过一个角度Φ，变送器将转角Φ转换成4～20mA直流信号，这个信号正比于被测量液位。弹簧式浮筒液位计原理同扭力管式，只是将扭力换为弹簧弹力。由于浮筒G的测量范围是一个有限值，通常对厂家的同一系列产品来说，基本就是一个固定值(重量)，所以会对测量介质提出要求。在这里，密度ρ×重力加速度g即为重度r，由于在不同纬度和海拔高度下重力加速度g有所不同，所以重度r也不是一个常量。

1.2 基本概念

由于g同时作用在浮筒和液体上，实际上g的变化对于浮筒在浮力作用下重量G的影响可以忽略，但在讨论浮筒以及相关计算时又不能直接把g扔掉，否则有悖原理。所以在讨论浮筒以及相关计算时采用了抵消了所有单位的无单位数值“相对密度”。

相对密度，是在给定条件下，某种物质的密度ρ与参考物质的密度ρr之比，用d表示，即：

相对密度是无量纲量，通常情况下固体和液体的相对密度是该物质的密度与标准状况下水的密度比值。气体的相对密度是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。过去也将相对密度称为“比重”。在实际运用中，直接使用密度或密度差不会对应用带来误差，但使用相对密度既不会对原理的公式推导产生误解，应用起来也很方便。

1.3 仪表选型规范概念解释

1.3.1 石油化工自动化仪表选型设计规范

石油化工自动化仪表选型设计规范(SH/T 3005—2016)中第8.2.2条规定。

浮筒式液位计的选用，应符合下列规定：对于测量范围再2000mm或以内，比密度为0.5～1.5的液位连续测量或位式测量；比密度差为0.2或以上的界面连续测量或位式测量，宜选用浮筒液位计或开关；对于真空、负压或液体易气化的液位或界面测量，宜选用浮筒液位计或开关；对于易凝结、易结晶、强腐蚀性、有毒性的介质，应选用内浮筒式液位计；此规范中所定义的比密度实际上就是我们所说的相对密度，但是由于这里将差值统一作为液体液位和液体界面两种测量方式的参考范围值，因此参考物质的密度统一定为标准状况下的水，而被测物质不分气体和液体，所以此标准也采用了比密度的叫法，即

对于液位测量：比密度差=被测液体密度/水的密度-气体密度/水的密度

对于界面测量：比密度差=被测液体1密度/水的密度-被测液体2密度/水的密度

1.3.2 化工部自动化仪表选型设计规定

原化工部自动化仪表选型设计规范(HG/T 20507—2014)中第7.2.4条规定。

清洁液体的液位、界面测量，可选用浮筒式液位计。浮筒式液位计选型应符合下列要求：测量范围2000mm 以内，密度范用为0.5g/cm3～1.5g/cm3的液体液位连续测量，可选用浮筒式液位汁。测量范围1200mm以内，密度差范围为0. 19/cm3～0.5g/cm3的液体界面连续测量，可选用浮筒式界面计。使用外浮筒式界面计测量、液体界面时，容器内上部液面应始终高于上部取压口。真空对象、易气化的液体的液位测量宜选用浮筒式液位计。此规范采用了密度与密度差的叫法，但是这里对液体液位和液体界面这两种测量方式的仪表选型采用了不同的参考范围值，即液体液位测量采用单纯的密度值，而液体界面测量采用了密度的差值，这一点上，相对于老规范(HG/T 20507—2000)中第4.2.2条规定做了升级修改，不再使用比重的说法。

老规范中要求对于测量范围2000mm以内，比重为0.5～1.5的液体液面连续测量，以及测量范围1200mm以内，比重差为0.5～1.5的液体界面连续测量，宜选用浮筒式仪表。

对于液位测量：比重=被测液体密度/水的密度

对于界面测量：比重差=被测液体1密度/水的密度-被测液体2密度/水的密度

老规范这里参考物质的密度也统一定为标准状况下的水，只是对于液位测量不再考虑气体因素，而只单纯考虑被测液体介质的密度。

2 测量应用

2.1 液体界面测量

对于界面测量，是针对两种液体介质来说，因此需要两种液体介质有明显的分界面，若分界面不明显，则测量精度会变的很低，甚至无法测量。通常只要两种液体介质的比密度差大于0.2时，测量范围就能够满足，因此石化规范中要求比密度差的值需大于0.2。当两种液体介质的比密度差大于0.5时，两种介质的浮力影响差别就会变大，对于有限的浮筒条件来说，会造成浮筒成本提高和精度的降低。虽然石化规范中并没有对此做要求，但是化工部规范中仍保留了0.5g/cm3的上限推荐要求，因此就性价比而言，这种情况可以考虑选别的测量方式的液位计。通常不同的生产厂家都会在样本里注明界面测量时的密度差需大于0.1，也有些可能会更小点。

2.2 液体液位测量

对于液面测量，是针对气体和液体来说，所以通常比密度差会在0.5～1.5之间。在此，若我们粗略的认为气体的密度非常小，相对液体可忽略时，密度差的值基本与液体的密度值大小相等，因此原化工部的规范中对液位测量的参考范围值使用的是液体的密度。当密度小于0.5时，液体属于非常轻的液体，由于浮筒的重量是一定的，测量范围一般通过改变其直径、长度及密度来实现，而直径、长度等的改善是有限的，因此对材质会有特殊的要求，造价就会很高，已不经济实用。通常生产厂家会在样本上注明适合的密度或比密度范围，大部分大于0.45或0.5，也有个别厂家样本上密度可以达到0.2，若这样，那么浮筒的材料会非常的轻，同时还要满足工艺的复杂工况，成本和维护也早已超出实际要求。当密度大于1.5时，液体属于比较重的液体，甚至粘稠，不但浮力会特别大，还可能会吸附在浮筒上。但同样，浮筒的直径、长度、材质等改善是有限的，因此超过1.5时也不宜再使用浮筒。很多厂家样本上比密度或密度的最大值都是1.5，也有达到3.0的，随着现代技术的发展，液体介质比密度值在2.0左右的工况目前遇到的情况还是比较多的。

2.3 厂家应用

目前大部分浮筒液位计生产厂家在样本中都是以密度和密度差作为液位测量和界面测量的参考范围，其值大小上和无量纲量比密度和比密度差很接近。通常对于液位测量的液体密度要求为0.5～1.5g/cm3,对于界面测量则要求两种介质的密度差应大于0.1g/cm3。

2.4 浮筒液位计的选用

由于浮筒液位计现场使用和校验比较麻烦，即使是智能式的也是这样。随着智能式差压变送器尤其是智能式法兰液位变送器的出现，我国浮筒液位计的市场被压缩了很多。但也正由于它现场校验的准确和不可替代，使它仍然在过程工业中测量2000mm尤其是1200mm以下液位或界面时作为重要的可选仪表，特别是国外的工程公司，常常作为首选推荐给用户。

3 结语

虽然目前浮筒液位计产品可达0～3000mm(液面)、0～1500mm(界面)，但是外浮筒越大，体积和重量也就越大，安装及维护也越不利，因此，从安装、维护方面考虑，测量范围原则规定为0～2000mm，而大测量范围的外浮筒如无必要时尽量不使用。

比密度差0.5这个值是目前总结出来的一个最基本的满足浮筒“浮”起来并且保证测量精度的值。例如：对于界面测量，若两种液体介质的比密度都小于0.5，一个为0.3，一个为0.4，已满足密度差0.1的要求，但是对于浮子的材质要求就非常特殊了。因此，对于两种比密度均小于0.5的液体介质的界面测量和密度小于0.5的液体介质的液面测量，浮筒液位计也尽量不使用。