雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的比較

摘要：從測量原理、零點(diǎn)與量程的計算方法、測量精度、測量穩定性、價(jià)格及維護成本等方面對雙法蘭差壓液位變送器與浮簡(jiǎn)液位計進(jìn)行了比較。結果表明:除了雙法蘭差壓液位變送器的追用介質(zhì)溫度范圍小于浮簡(jiǎn)液位計外,在測量精度、測量范圍、穩定性、調校方法及價(jià)格等方面均優(yōu)于浮簡(jiǎn)液位計。而且,在一定的測量范圍內，可以用雙法蘭差壓液位變送器替代浮筒液位計獲得被測容器的真實(shí)液位。
　　在煉油石油化工、煤化工及煤制油等工業(yè)領(lǐng)域,液位是重要的工藝參數之一。測量液位的儀表種類(lèi)繁多，如伺服液位計、差壓式液位變送器、超聲波液位計、雷達液位計.鋼帶液位計及浮簡(jiǎn)液位計等1,需依據工藝的實(shí)際工況,選用不同類(lèi)型的液位計。較為常用的液位測量?jì)x表是雙法蘭差壓液位變送器和浮簡(jiǎn)液位計,將從雙法蘭差壓液位變送器與浮簡(jiǎn)液位計的測量原理、維護調校方法、測量精度、穩定性及零點(diǎn)與量程的計算方法等方面對二者進(jìn)行比較。
1問(wèn)題的提出
　　一般來(lái)說(shuō),在工程的《儀表專(zhuān)業(yè)工程統一規定》或裝置的《儀表說(shuō)明書(shū)》中,液位儀表的選型原則是:對于測量范圍在2000mm以?xún)?、比重?.5-1.5的液體液面測量，與測量范圍在1200mm以?xún)?、比重差?.5-1.5的液體界面測量,優(yōu)先選用外浮簡(jiǎn)液位計。對雙法蘭差壓液位變送器進(jìn)行分析后認為此原則定值得商榷。實(shí)踐表明:利用雙法蘭差壓液位變送器不僅可以在大的測量范圍內正確地測量液位,在小測量范圍內也同樣可以正確測量。因此,在液位測量與界面測量中,只要利用就地液位計或其他手段能獲得在一定測量范圍內被測容器的真實(shí)液位,原則上可以用雙法蘭差壓液位變送器來(lái)替代浮筒液位計。
2雙法蘭差壓液位變送器
2.1測量原理
　　雙法蘭差壓液位變送器的安裝方式如圖1所示,其中LT為測量容器V的液位的雙法蘭差壓變送器,LG為與被測容器相連接的就地液位計。就地液位計LG通常是玻璃板(管)液位計,采用連通器原理,在保溫完好的情況下,可以直接觀(guān)察現場(chǎng)被測容器的實(shí)際液位。
 
式中g(shù)---重力加速度,9.80m/s2;
H1---雙法蘭差壓液位變送器到被測容器正取壓點(diǎn)的高度,m;
H2---雙法蘭差壓液位變送器到被測容器負取壓點(diǎn)的高度,m;
H3--被測容器正、負取壓點(diǎn)之間的高度
(H3=H2-H1),,m;
△p---雙法蘭差壓液位變送器正、負壓室之間的壓差,kPa;
△2---雙法蘭差壓液位變送器產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移;
ρ---在設計溫度和壓力下,被測容器內介質(zhì)的密度,kg/m³;
ρ1---雙法差壓液位變送器正取壓毛細管硅油密度,kg/m³;
ρ2---雙法差壓液位變送器負取壓毛細管硅油密度(通常情況下與ρ1的值相等),kg/m³;
ρ3---在設計溫度和壓力下,被測容器內液體上部氣體介質(zhì)的密度,kg/m³。
　　零點(diǎn)漂移△Z具體包括:由雙法蘭膜片接觸不同的介質(zhì)(被測容器內液體與液體上部的氣體)所產(chǎn)生的溫度差造成的雙法蘭差壓液位變送器零點(diǎn)漂移;由于環(huán)境溫度對毛細管內硅油的影響所引起的雙法蘭差壓液位變送器零點(diǎn)漂移;由于安裝引起的雙法蘭差壓液位變送器零點(diǎn)漂移;其他原因引起的雙法蘭差壓液位變送器零點(diǎn)漂移。
　　從式(1)可以看出,雙法蘭差壓液位變送器正.負壓室間的差壓△p是隨著(zhù)被測容器內介質(zhì)高度h變化而變化的,此壓差被轉換為4~20mA.后輸出。
2.2零點(diǎn)與量程的計算
　　根據式(1),當h=0時(shí):
△p0=ρ3gH3、ρ2gH3+△Z(2)
當h=H3時(shí):
△p100=pgH3-ρ2gH3+△Z(3)
　　其中,△p。和△p100分別為雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)和量程。
　　式(1)是計算差壓液位變送器零點(diǎn)與量程的常規關(guān)系式。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,被測容器內的溫度、壓力與設計給定的溫度、壓力均有偏差,這就使得無(wú)法正確得知被測容器內的液體密度ρ,被測容器內液體上部的氣體密度ρ3和差壓液位變送器所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移△Z。由于上述原因，在實(shí)際應用中計算雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)時(shí),忽略了被測容器內液體上部的氣體與變送器的零點(diǎn)漂移;在計算雙法蘭差壓液位變送器的量程時(shí),將設計給定的被測容器介質(zhì)密度直接代人式(3)且忽略了被測容器內液體上部的氣體與變送器的零點(diǎn)漂移。由此計算的差壓液位變送器零點(diǎn)與量程必然導致液位測量不準,因此無(wú)法按式(2).(3)正確計算雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程。
　　分析式(1),當雙法蘭差壓液位變送器按設計要求安裝后,變送器到正、負取壓法蘭間的距離H1和H2可以用直尺正確測量,即H1和H2是定值;H,是正.負取壓法蘭之間的距離，也是一個(gè)定值;g是重力加速度。盡管在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中很難獲取ρ與ρ3的正確值,但在相對穩定(被測容器內的溫度、壓力相對穩定)的情況下,ρ、ρ1、ρ2與ρ3的數值是相對固定的,也可以看成常數;△Z是由各種因素產(chǎn)生的變送器零點(diǎn)漂移,很難正確得知△Z的數值,但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相對穩定的情況下,△Z是一個(gè)定值。從式(1)可以看出,差壓液位變送器正、負壓室的壓差△p與被測容器的液位h之間是線(xiàn)性關(guān)系,除了被測容器液位h是變量外,其余參數均可以看成常數。由此可見(jiàn),差壓液位變送器正、負壓室的壓差△p是被測容器液位h的一次函數,其表達式為:
△p=Kh+C(4)
　　其中,h為差壓液位變送器的指示液位,此值為與變送器相連接的DCS或其他儀表的顯示值,即由差壓液位變送器的輸出(4~20mA)轉換成的液位顯示值;K和C分別為△p一次函數的斜率和截距,均為待求常數。
　　利用差壓液位變送器測量液位的目的就是要使差壓變送器的測量輸出值h與被測容器內的實(shí)際液位h'的值相一致,即h=h'。則式(4)可以改寫(xiě)成:
△p=K'h'+C'(5)
　　對于智能差壓變送器，可以通過(guò)375或BT200等智能通信器直接讀出與實(shí)際液位相對應的△p;h'的值可以通過(guò)安裝在被測容器上的就地液位計觀(guān)測;K'、C'分別為△p一次函數的斜率和截距，為待求常數。
　　由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不允許出現實(shí)際液位為最低或最高的工況,因此,不能直接觀(guān)測差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程。筆者利用式(5)間接地計算出了差壓液位變送器的正確零點(diǎn)與量程,具體.步驟如下:
a.在生產(chǎn)過(guò)程相對穩定的情況下,當被測容器就地液位計指示為h,'時(shí),利用與差壓液位變送器相連接的手操器(375或BT200等)觀(guān)測與h1'相對應的差壓液位變送器正、負壓室的壓差△p1，即可得Sp與h'的一次函數的一個(gè)坐標點(diǎn)(△p1,h,');
b.一段時(shí)間后,當被測容器就地液位計指示為h2'時(shí),觀(guān)測△p與h'的一次函數的另一個(gè)坐標點(diǎn)(△p2,h2'),且h1'不等于h2';
c.確定被測容器液位與差壓液位變送器正、負壓室間的壓差關(guān)系式。
將以上兩個(gè)坐標點(diǎn)代人式(5)可得:
△p1=K'h1,'+C'(6)
△p2=K'h2'+C'(7)
 
　　其中,△p0,△p100分別為雙法蘭差壓液位變送器的正確零點(diǎn)和量程。將差壓液位變送器的零點(diǎn)和量程分別調整為△p。、△p100,則變送器的指示值與被測容器上的就地液位計指示值在整個(gè)測量范圍內完全一致。
3浮筒液位計
3.1測量原理
　　浮簡(jiǎn)液位計是利用變浮力原理來(lái)測量液位的,其敏感元件是浮簡(jiǎn),根據浮簡(jiǎn)被液體浸沒(méi)高度不同導致所受浮力的不同來(lái)檢測液位的變化,如圖2所示。
 
　　將一橫截面積為A,質(zhì)量為m的圓柱形空心金屬浮簡(jiǎn)懸掛在彈簧上,由于彈簧的下端被固定,因此彈簧因浮筒的重力被拉伸。當浮筒沒(méi)有浸沒(méi)在液體中時(shí),浮筒的重力與彈簧的拉力達到平衡，此時(shí)有:
W=F
mg=Cx0.(11)
式中
C----彈簧的剛度;
F----彈簧的拉力;
W-----浮簡(jiǎn)的重力;
X0----彈簧由于重力被拉伸所產(chǎn)生的位移。
　　此時(shí)杠桿作用在扭力管上的扭力最大,使扭力管產(chǎn)生最大的扭角。當液體浸沒(méi)浮筒的高度增加時(shí),浮簡(jiǎn)受到液體浮力的作用而向上移動(dòng),當彈簧的拉力與液體對浮簡(jiǎn)的浮力之和與浮簡(jiǎn)的重力平衡時(shí),浮簡(jiǎn)停止移動(dòng)。設液位高度為H,浮簡(jiǎn)由.于向上移動(dòng)實(shí)際浸沒(méi)在液體中的長(cháng)度為h,浮簡(jiǎn)移動(dòng)的距離即彈簧的位移量為△x,則有:
H=h+△r(12)
根據力平衡原理可得:
C(x0-△x)+Ahρg=mg(13)
其中,ρ為浸沒(méi)浮簡(jiǎn)液體的密度?！?br /> 綜合式(11)~(13)可得:
 
　　由式(14)可知,當液位h發(fā)生變化時(shí),浮簡(jiǎn)產(chǎn)生位移△x,由此可見(jiàn),浮簡(jiǎn)液位計的檢測原理實(shí)質(zhì)上就是將液位轉換成敏感元件的位移。當浮簡(jiǎn)杠桿的拉力發(fā)生變化,扭力管的扭矩也發(fā)生變化,進(jìn)而導致扭力管的角位移發(fā)生變化,由振蕩器、渦流差動(dòng)變壓器、直流放大器和解調器組成的轉換器將扭力管輸出的角位移轉換成4~20mA電流輸出口,實(shí)現液位的測量。
3.2零點(diǎn)與量程的計算
根據浮簡(jiǎn)受力平衡可得:
F=mg-Ahρg(15)
　　當浮簡(jiǎn)中沒(méi)有液體(即h=0)時(shí),浮簡(jiǎn)杠桿的拉力與浮簡(jiǎn)的重力平衡:
F0=mg(16)
其中,F0為浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn)。
　　當浮簡(jiǎn)中充滿(mǎn)液體(即h=H-△x)時(shí),浮簡(jiǎn)杠桿的拉力與浮筒的重力和浮簡(jiǎn)所受浮力之差相平衡,即:
F100=mg-Ahρg=mg-A(H-△r)ρg(17)
其中,F100為浮簡(jiǎn)液位計的量程。
       由式(16)可知,浮筒液位計的零點(diǎn)只與浮簡(jiǎn)的重力有關(guān)。由式(17)可知,浮簡(jiǎn)液位計的量程不僅與浮簡(jiǎn)的重力有關(guān),還與被測容器內的液體密度及彈簧的位移等有關(guān)。
4雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的比較
4.1測量原理
       利用雙法蘭差壓液位變送器測量液位時(shí),被測容器內液體高度的變化引起變送器正、負壓室間的壓差變化,雙法蘭差壓液位變送器將其正、負壓室間的壓差轉換成4~20mA電流信號輸出。浮筒液位計是利用被測容器內液體高度的變化引起浮簡(jiǎn)液位計的杠桿拉力變化，進(jìn)而扭力管的扭矩發(fā)生變化,導致扭力管的角位移發(fā)生變化，由振蕩器、渦流差動(dòng)變壓器.直流放大器和解調器組成的轉換器將扭力管輸出的角位移轉換成4~20mA電流輸出。
       雙法蘭差壓液位變送器與浮簡(jiǎn)液位計均可以測量液位。
4.2零點(diǎn)與量程計算方法
4.2.1傳統計算方法
       按照式(2)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn),按式(3)計算其量程;按式(16)計算浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn),按式(17)計算其量程。
       從式(2)可以看出,按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)不僅受被測容器內液體上部氣體密度的影響,同時(shí)也受變送器零點(diǎn)漂移的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,很難得知被測容器內液體.上部氣體的正確密度,也很難得知變送器零點(diǎn)漂移的正確值,因此,按式(2)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)是不正確的。從式(16)可以看出,浮筒液位計的零點(diǎn)僅是浮簡(jiǎn)的重力,是一個(gè)正確的數值。
由式(3)可知,按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不僅受被測容器內液體密度的影響,同時(shí)也受變送器零點(diǎn)漂移的影響,因此，按式(3)計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程也是不正確的。由式(17)可知,浮簡(jiǎn)液位計的量程僅受被測容器內液體密度的影響。
      綜上所述,按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程比計算浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn)與量程的正確性要差。由于在測量取源間距較小時(shí),浮簡(jiǎn)液位計的重量、價(jià)格與維護成本相對較低,且浮簡(jiǎn)液位計的測量正確性較高。因此,一般取源間距在2000mm以下時(shí)，可選擇浮筒液位計來(lái)測量液位;當取源間距大于2000mm時(shí),盡管雙法蘭差壓液位變送器測量正確性低于浮簡(jiǎn)液位計,由于取源間距(測量范圍)增大,使得浮簡(jiǎn)液位計的重量、價(jià)格與維護成本增加,綜合考慮選擇雙法蘭差壓液位變送器測量液位。
4.2.2新計算方法
       按式(9)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn),按式(10)計算其量程;按式(16)計算浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn),按式(17)計算其量程。
       從式(9)可以看出,按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器零點(diǎn)不會(huì )受到被測容器內液體上部氣體密度的影響,同時(shí)也不會(huì )受到其零點(diǎn)漂移的影響。在生產(chǎn)過(guò)程相對穩定的情況下,只要讀取的實(shí)際液位與相對應的差壓變送器正、負壓室間的壓差是正確的,則按照式(9)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)就是正確的。從式(16)可以看出,浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn)僅是浮簡(jiǎn)的重力,是一個(gè)正確的數值。
       從式(10)可以看出,按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不會(huì )受到被測容器內液體上部氣體密度的影響,同時(shí)也不會(huì )受到其零點(diǎn)漂移的影響,也不需要知道被測容器內液體的正確密度。在生產(chǎn)過(guò)程相對穩定的情況下,只要讀取的實(shí)際液位與相對應的差壓變送器正、負壓室間的壓差是正確的，則按照式(10)所計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程就是正確的。從式(17)可以看出,浮簡(jiǎn)液位計的量程受到被測容器內液體密度的影響。因此,按照新的計算方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程比浮簡(jiǎn)液位計的量程要正確。
      綜上所述,按式(9).(10)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程,其測量液位的正確度
4.3測量范圍
       從式(9).(10)可以看出,不論法蘭取源間距是大還是小，,按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程都不受被測容器內液體密度的影響,也不會(huì )受到被測容器內液體上部氣相介質(zhì)密度的影響，同時(shí)也有效地克服了雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)漂移。即按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程在測量液位時(shí)不受測量范圍的影響。
      從式(17)可以看出,浮簡(jiǎn)液位計的量程受到被測容器內液體密度的影響,且法蘭取源間距越大,浮筒液位計的量程所受到的影響也越大;此外,在相同的壓力等級條件下,法蘭取源間距越大,浮簡(jiǎn)的重量也越大。因此,浮簡(jiǎn)液位計的量程受限取源間距。
綜上,雙法蘭差壓液位變送器測量液位的范圍比浮簡(jiǎn)液位計寬。
4.4測量精度、穩定性與介質(zhì)溫度
       目前，主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的測量精度可達0.065%,高精度的測量精度可達0.025%;主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的穩定性可達±0.1%/3年(即三年不用校驗),高穩定性的可達±0.1%/5年。若雙法蘭毛細管內填.充低溫硅油,其所接觸的介質(zhì)溫度范圍在-130~132C;若填充高溫硅油,其所接觸的介質(zhì)溫度范圍為20~350℃。
       主流的普通浮簡(jiǎn)液位計的測量精度為1.0%，精度的為0.5%;普通的浮簡(jiǎn)液位計所測介質(zhì)溫度范圍為-110~400℃,特殊的所測介質(zhì)溫度范圍為-196~400℃。目前主流浮簡(jiǎn)液位計還沒(méi)有穩定性指標。
       綜上,雙法蘭差壓液位變送器的測量精度高于浮筒液位計,雙法蘭差壓液位變送器的測量介質(zhì)溫度適用范圍小于浮簡(jiǎn)液位計,雙法蘭差壓液位變送器的穩定性遠高于浮簡(jiǎn)液位計。
4.5校驗方法
4.5.1雙法蘭差壓液位變送器
       雙法蘭差壓液位變送器的校驗就是調整變送器的零點(diǎn)與量程,使其在允許的誤差范圍內。按式(10).(11)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點(diǎn)與量程。用0%.25%.50%.75%和100%的壓力進(jìn)行校驗,當壓力穩定后記錄標準電流表上顯示的電流值并做回程誤差校驗,如果誤差超過(guò)允許誤差范圍,應重新調整校驗”。實(shí)際應用表明:目前主流的智能雙法蘭差壓液位變送器僅利用HART或BT200手操器就能完成變送器的校驗，其校驗結果完全能夠滿(mǎn)足測量精度的要求。
4.5.2浮筒液位計
       浮簡(jiǎn)液位計在生產(chǎn)運行過(guò)程中,其測量精度對測量結果有著(zhù)較大的影響,因此,需要對其精度進(jìn)行校驗和標定。浮簡(jiǎn)液位計的校驗通常使用灌液法和掛重法。
       灌液法適用于浮簡(jiǎn)安裝在現場(chǎng)不方便拆裝，并且對儀表的精度要求不高的情況,一般用水作為標準液體進(jìn)行校驗。在校驗時(shí)根據實(shí)際測量介質(zhì)的工作密度和刻度,換算為用水校驗的刻度值，即首先在外浮筒標記零點(diǎn)(一般是下法蘭中心線(xiàn))、量程位置(灌水高度=介質(zhì)比重/水比重x浮簡(jiǎn)法蘭間距)和中間各點(diǎn)位置(25%、50%和75%)。一般由外筒的排空閥連接軟管至量程處,往浮簡(jiǎn)里注水到0%、25%、50%.75%和100%,分別觀(guān)察變送器顯示是否對應每點(diǎn)數值,并根據顯示數值,分別調整浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn)與量程。對于利用比水密度大的工作液體的浮筒,不能校驗100%時(shí)的刻度。
       掛重法先根據不同高度的液位計算對應的掛重(掛重=mg-πD2/4(H-△x)px)。準備好砝碼和砝碼盤(pán),將砝碼盤(pán)掛在懸掛浮筒的位置.上,根據計算的0%、25%、50%.75%和100%掛重,分別在砝碼盤(pán)中碼放砝碼,觀(guān)察并記錄浮簡(jiǎn)液位計的輸出,并根據顯示數值分別調整浮簡(jiǎn)液位計的零點(diǎn)與量程。該校驗方法需要拆卸浮簡(jiǎn),比較麻煩且費時(shí)、費力。
      浮簡(jiǎn)液位計的校驗不論采用灌液法還是掛重法,都會(huì )直接或間接地受到介質(zhì)密度的影響,由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中很難得到被測介質(zhì)的正確密度,因此不論怎樣校驗浮簡(jiǎn)液位計,其測量精度都較差。而且通過(guò)實(shí)際應用表明:浮筒液位計的校驗比雙法蘭差壓液位變送器的校驗正確度低且費時(shí)、費力。
4.6費用
      對于類(lèi)似的溫度、壓力與相近的取源間距,一般來(lái)講,主流浮簡(jiǎn)液位計的采購價(jià)格是雙法蘭差壓液位變送器的兩倍以上。而且由于浮簡(jiǎn)液位計的調校費時(shí)、費力,使得浮簡(jiǎn)液位計的維護成本也高于雙法蘭差壓液位變送器。
根據上述分析,雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的綜合比較見(jiàn)表1。
 
5結束語(yǔ)
      從測量原理來(lái)說(shuō)，雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計都可以測量液位,除了雙法蘭差壓液位變送器的適用介質(zhì)溫度范圍小于浮筒液位計外,其余方面,雙法蘭差壓液位變送器均優(yōu)于浮簡(jiǎn)液位計。在煉油、石油化工、煤化工及煤制油等行業(yè)的液位測量與界面測量中,只要能利用就地液位計或其他手段獲得在一定測量范圍內被測容器的實(shí)際液位,原則上可以利用雙法蘭差壓液位變送器來(lái)替代浮簡(jiǎn)液位計。