论投入式液位检测系统的特点和创新改造方法

论投入式液位检测系统的特点和创新改造方法

柴志英1 张育明1 张忠强1 历艳龙3 程保江3 任延涛3 邢少敏2 张丹2

1邢台钢铁有限责任公司   2河北邢钢科技有限公司           3河北省线材工程技术创新中心

摘  要  简述投入式液位检测方法的原理及常见故障和缺点，改为压力式检测后的优点。

关键词  投入式液位计 压力式液位计 TRIZ理论 阿奇舒勒矛盾矩阵

一、问题描述

在工业生产中，需要对一些设备和容器中的液位进行检测和控制，目的有两个：一个是通过检测液位来确定容器内的数量，以保证能够连续供应生产中的个环节所需的物料或进行经济核算，另一个是通过液位检测，连接液位是否在规定的范围内，以便正常生产，从而保证质量、产量、和安全生产。投入式液位变送器，因为价格便宜、安装方便，被广泛用于测量各种液位，但由于其受介质密度和温度影响很大，所以常常精度比较差，而且温度不能过高，否则直接影响使用寿命。目前我厂共使用23套液位检测系统，因受外部环境影响，基本一年就需要更新一次，造成成本及劳动力的极大浪费。而且一旦在生产过程中突发故障，还会造成生产中断，每次损失生产成本近20万元。我厂曾计划改进为原装进口超声波液位计，虽然稳定性大幅提高，但每台液位计价格在20000元左右，如全部更新为进口液位计，将增加成本46万元。因此，如何达到提高液位检测精度和节省成本的双重目的。

二、问题分析

2.1、功能分析

投入式液位计工作原理采用用静压测量原理：

当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po

式中：

P ：变送器迎液面所受压力

ρ：被测液体密度

g ：当地重力加速度

Po ：液面上大气压

H ：探头投入液体的深度

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。

该液位检测系统作用对象是检测探头，各组件之间的相互关系以及作用为：接头固定电缆和支撑检测探头，被检液体和大气施加压力作用在备件探头上，探头将检测到的压力信号通过变送器转换为电信号进行输出。

2.2、因果分析

在使用投入式液位计检测过程中，造成液位检测不准的原因使用因果链分析，究其原因主要有三点

1、由于投入式液位计结构所致，总是存在特殊导气电缆通气不畅，致使与大气连通的检测探头负压腔压力不稳，检测压力差不稳定，导致传输给变送器的电压信号不稳定。

2、传输电缆的阻值受温度影响较显著，也会出现信号不稳现象。

3、有些环境对水质要求很高，液位计投入探头时难以避免会带入油污和灰尘，很容易对水质造成污染。

2.3、技术矛盾

技术矛盾1：使用投入式液位计安装方便但液位测量不准确

技术矛盾2：使用电缆传输信号提高传输可靠性但柔软易弯折断裂

技术矛盾3：使用投入式液位计便于更换但易污染水质

三、TRIZ 工具及解决方案

3.1、资源分析

（1）可利用物质资源：水箱、支架、电缆、变送器

（2）可利用能量资源：大气压、水压、电能

（3）可利用信息资源：水位高低的变化、信号传输的变化

（4）可利用空间资源：水箱的空间、安装支架到液面的距离

（5）可利用时间资源：预先作用

（6）可利用功能资源：支撑结构、力传递形式

3.2、矛盾分析

阿奇舒勒矛盾矩阵

【解决方法】

   改善的参数：27 可靠性       削弱的参数：17温度

   改善的参数：33  可操作性      削弱的参数：23 物质损失 28测量精度

将定义的技术矛盾涉及的工程参数，对照TRIZ矛盾矩阵表进行检索，获得多种创新原理的思路指引。

【抽取原理】

通过抽取原理，考虑将特殊导气电缆去除，改为一体化设计，大气压和水压直接作用在探头的正、负压腔。

【预先作用原理】

通过预先作用原理，可以提前设计、安装水箱与一体化仪表的连接装置，便于拆装和更换。

【反向作用原理】

通过反向作用原理，可以去除能够随时移动的探头和电缆，用固定安装方式的仪表来替代，能够避免由于电缆柔软易折而导致的导气堵塞和接触不良问题。

【中介物原理】

通过中介物原理，可以在一体化仪表和水箱之间增加不锈钢球阀，便于拆装和维护。

四、最终方案及效益评估

4.1、最终方案

矛盾分析及创新原理给予的思路提示组合起来，形成最终方案：

采用一体化液位变送器

根据ΡΡ1 = ρ .g.H1+ P0= ρ原理，利用水箱内的液位变化时压力变送器检测出的压力的变化，计算出液位实际高度H1，上位机显示的实际液位高度再加上变送器安装高度H2，即为实时的水箱液位值。

一体化液位检测示意图

4.2、效益评估

（1）经济效益：原计划将所有23台投入式液位计更新为进口品牌，每台2.1万元，2017年4月更新1台，质量稳定，但每年需更换，成本过高。2017年10月课题完工时，所有投入式液位计已经改造完成，每台改造成本1600元，共投入3.68万元。投入式液位计使用寿命为1年，一体化变送器生命周期为至少5年，以5年计算，共计可节约费用273.8万元。

（2）社会效益： 目前，投入式液位计广泛应用于城市供排水、污水处理、地下水、水库、河道、海洋、钢铁冶炼等液位监测领域。 假如按照河北省钢铁行业4亿吨年产量对应4万个投入式液位计预计，每年约可节约投资成本7.6亿元左右，以目前钢铁售价计算，相当于压减钢铁产量 18万吨，少消耗9万吨标准煤，折算为少排放33万吨二氧化碳等温室气体。

参考文献

创新方法教程（初级）     2012.5       高等教育出版社

仪表工手册               2004.1        化学工业出版社