【计为工业课堂】仪表诊断技术：从磁吸式自检到SIL安全认证

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液位测量是化工、石化、电力、水处理等连续工业过程中的关键环节，仪表的可靠性与安全性直接关系到生产工艺稳定性和人员、设备安全。

传统液位计采用内置永磁体，通过外部磁性指示机构实现功能检测和信号输出，其在线功能检测以“磁吸式自检”为主；

而现代功能安全（Functional Safety）要求更高，催生了多种全自动化、在线自诊断及冗余投票方案。

一

磁吸式功能检测

1、原理：

低端音叉开关或磁翻板液位计内装有一个可以磁性开启的测试开关。要测试仪表或者调整灵敏度时,只要将检验磁铁(配件)放在仪表壳体上的磁性符号上即可。

2、优点：

●在线无泄漏：无需停产、放空或拆卸，减少检修成本与工艺中断风险。

●操作简便：现场人员可在外部完成检测，无需接触高温高压流体；安全性高。

●对介质适应性好：不受高粘度、泡沫、结晶等干扰，只要磁性开关正常运行即可准确验证。

●预防性维护：定期人工自检可及时发现仪表、磁性衰减或密封失效等隐患。

3、局限性：

●人工依赖强：需现场人员手动操作，易受操作人员经验和专注度影响。

●检测范围有限：主要针对磁性开关灵敏度与磁耦合失效，对电子变送器信号链及电气故障覆盖不足。

●难以满足高SIL级别：无法提供足够的诊断覆盖（DC）率和自动化证明，难以满足 IEC 61508/SIL 2/3 的严格要求。

二

先进在线自诊断技术

下表比较了“传统磁吸式自检”与常用先进在线自诊断和冗余投票方案在SIL认证、安全性及自动化水平方面的差异：

1、雷达自诊断

●原理：

发送高频电磁脉冲，监测回波形状与时序，内部可自动比对标准回波曲线。

●优势：

无机械磨损，介质适应性强；

周期性自检无需外部干预；

厂商通常提供 SIL 2/3 级自诊断认证；

可实现方案全自动化集成。

2、超声波回波在线分析

●原理：

发射超声脉冲，分析回波延时、幅度及噪声特征，自动识别异常多重回波或信号丢失。

●优势：

无需外部附件；

内建回波信号处理算法，在线识别信号链路故障；

可通过 HART/FF 等协议输出健康诊断信息。

3、电容／导电式电桥自校验

●原理：

在传感端桥路回路中注入已知标准电容或电阻信号，监测差异以判断传感器、接线及转换器状态。

●优势：

完全在线、自动化；

对硬件断路、漂移具高覆盖率；

结合数字通讯可实现远程预警和维护规划。

4、智能变送器自校准与连续诊断

●原理：

利用微处理器定期执行零点／量程校验，监测桥路失衡、元器件漂移、电源与通讯状态。

●优势：

无需外部测试装置，自动在线完成；

实时推送多维度诊断数据，支持工厂级健康管理系统。

5、机械部分行程测试

●原理：

类似安全阀部分行程测试，通过远程驱动使浮球或闸板作小范围位移，验证机构灵活度。

●优势：

针对机械卡滞、沉积物附着更有效；

在不影响正常测量的情况下完成检测。

6、多传感器投票逻辑

●原理：

并联多台不同原理的液位仪表（如导波雷达+超声波），通过 2oo2、2oo3 投票逻辑判定真实液位并隔离故障。

●优势：

最高的容错性与可用性；

满足 SIL 3 级最高安全完整性要求；

在单点故障时仍能保持测量可靠性。

*SIL认证对比：

所有标注为SIL 2/3的在线自诊断与投票方案均通过IEC 61508标准的功能安全认证（认监委官网可查），提供更全面更高的故障检测覆盖率和自动化自检能力；而传统“磁吸式功能检测”不具备SIL认证，仅能作为辅助的人工预防性维护手段。

三

常用检测的综合优势

1、全自动化在线诊断

上述在线技术（尤其是导波雷达、智能变送器等）无需人工干预，内置定时自检或连续监测，真正实现“随时健康可见”。

2、更高的诊断覆盖率（DC）

对电子环节、信号链路、传感器漂移及环境干扰具备更全面的检测能力，诊断覆盖可达 90% 以上，满足 IEC 61508 中对 SIL 2/3 的严格要求。

3、无机械活动件、低维护

不再依赖浮子或机械传动部件，相对于磁吸检测的机械卡滞风险，电子式、固态式传感器更耐用、寿命更长。

4、支持远程与集成化管理

通过 HART、Fieldbus、WirelessHART 等协议，可将诊断状态、健康指数推送至 DCS/云平台，助力工厂级资产管理与预知维护（PdM）。

满足高安全等级应用感器投票逻辑及导波雷达等方案已被多家厂家认证至 SIL 3，可用于石化炼厂、核电、天然气输送等关键场合。

四

综合对比与应用建议

1、低成本、易维护场合：

采用磁吸式自检作为日常预防性维护手段，周期性人工检测即可。

2、中等安全等级（SIL 2）需求：

优选导波雷达或电容/电桥自校验技术，实现自动化在线自诊断。

3、高安全等级（SIL 3）关键应用：

建议多传感器冗余 + 投票逻辑，或导波雷达与智能变送器结合，确保故障自动隔离与无缝切换。

通过融合传统磁吸检测与先进在线自诊断和冗余投票策略，液位仪表可实现从被动检测到主动健康管理的飞跃，极大提升系统可靠性、安全性和维护效率。

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封面丨小黄

文字丨袁工

图片丨阿刀

审核丨小田