雙法蘭差壓變送器液位測量校驗全面解析

1 問題的提出

液位是石油化工生產過程中的重要參數之一。精確可靠地測量介質液位是工業生產的需要, 也是從事儀表自動化維護工作的職責。液位測量的技術和方法有很多, 如直讀法、浮力法、靜壓法、電容法、放射性同位素法、超聲波法、微波法以及雷射法等[ 1] , 而利用靜壓原理的雙法蘭差壓變送器測量液位是石油化工生產中經常採用的液位測量方式。
當需要將變送器和工藝測量介質隔離開時, 可以選用雙法蘭差壓變送器。 如: 當過程介質溫度超出變送器的正常工作溫度範圍, 並且用引壓管也不能將溫度降至變送器的正常工作溫度範圍內時; 當過程介質有腐蝕性, 需要經常更換或需要使用特殊的防腐蝕材料時; 當過程介質中有很多固體顆粒或過程介質凝固點為常溫, 無法用引壓管引出時; 當飲食行業需要方便地清洗, 防止批量之間汙染時;當進行密度或界面測量等各種情況時, 均可以選用雙法蘭差壓變送器[3] 。作為敏感的金屬膜盒通過鎧裝毛細管與變送器的測量室相連接,在膜盒、鎧裝毛細管和測量室所組成的封閉系統內充有密封液體（ 一般為矽油） 作為傳壓介質。為使毛細管經久耐用, 其外部均套有金屬蛇皮管保護。本文針對在大量程、高溫、高黏度、易結晶及強腐蝕情況下使用雙法蘭差壓變送器測量液位的系統, 對其不同的安裝位置和形式, 如就計算遷移量及校驗的問題作系統的全面解析。
2 雙法蘭差壓變送器的安裝方式和計算[2]
雙法蘭差壓變送器可以安裝在任何高度和位置。但是用於真空場合時, 雙法蘭差壓變送器的安裝高度不能高於低壓室法蘭的水平線, 此時最好採用微波液位計來測量液位最為合適,本文在此不再探討微波液位計測量液位的安裝方式和運用等。
在液位測量中, 雙法蘭差壓變送器通常用於密閉容器, 可以消除密閉容器中氣體壓力變化的影響。當用於開口容器時, 則高壓側法蘭與容器低端法蘭連接, 而低壓室法蘭應置於大氣中, 但可以有置放位置的變化。
2.1 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器上
1） 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線上, 且高低壓室法蘭與容器低端法蘭在一條水平線上。如圖1所示, 高壓室法蘭與容器低端法蘭相連接, 並且高壓室法蘭、低壓室法蘭與容器低端法蘭在一條水平線上。
則變送器量程為L = Hρ1 , 零點遷移量為A1 =h1 ρ1 , 最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1 ρ1=A1
最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1=Hρ1+A1
式中 H-最低測量液位到最高測量液位之間的高度;h1-最低測量液位到容器低端法蘭中心線之間的高度;ρ1-被測液體介質的密度。
變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A1~（Hρ+A1）對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用）為4~ 20mA.
2） 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以上, 且低壓室法蘭與容器低端法蘭在一條水平線上。如圖2 所示, 高壓室法蘭與容器低端法蘭相連接, 並且高壓室法蘭、低壓室法蘭與容器低端法蘭在一條水平線上。但是雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以上。

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則變送器量程, 零點遷移量, 最低測量液位時作用於變送器上等效靜壓差, 最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差, 變送器檢驗範圍均與本節
1） 相同。對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~ 20 mA 。
3） 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以上, 且低壓室法蘭與容器低端法蘭不在一條水平線上, 如圖3 所示。雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以上, 高壓室法蘭與容器低端法蘭相連接, 低壓室法蘭與容器低端法蘭不在一條水平線上。
則 變送器量程為L=Hρ1,零點遷移量為A2=h1ρ1-h2ρ0（ρ0為毛細管中矽油密度）。為了避免變送器在測量過程中出現死區, 必須使h1ρ1≥h2ρ0, 否則將會出現實際測量範圍小於變送器檢驗範圍的現象。最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1ρ1-h2ρ0=A2最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1-H2ρ0=Hρ1+A2變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A2~（Hρ1+A2）, 對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4 ~ 20 mA。
4） 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以下, 高壓室法蘭與容器低端法蘭相連接, 低壓室法蘭與容器低端法蘭在一條水平線上,如圖4 所示。則變送器量程, 零點遷移量, 最低測量液位時作用於變送器上等效靜壓差, 最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差, 變送器檢驗範圍均與本節1） 相同。對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 也為4 ~ 20 mA。
5） 雙法蘭差壓變送器安裝在開口容器低端法蘭水平線以下, 且低壓室法蘭與容器低端法蘭不在一條水平線上, 如圖5 所示。高壓室法蘭與容器低端法蘭相連接, 低壓室法蘭與容器低端法蘭不在一條水平線上。

則 變送器量程為L=Hρ1,零點遷移量為A3=h1ρ1+h2ρ0, 最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1ρ1+h2ρ0=A3最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1+h2ρ0=Hρ1+A3變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A3~（Hρ1+A3）對應於變送 器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~20 mA 。
2. 2 雙法蘭差壓變送器安裝在密閉容器上
1） 雙法蘭差壓變送器安裝在密閉容器低端法蘭水平線上, 且高低壓室法蘭與容器高低端法蘭相連接, 並且變送器與容器低壓法蘭在一條水平線上, 如圖6 所示。

則 變送器量程為L=Hρ1, 零點遷移量為A4=h1ρ1-h3ρ0（ρ0為毛細管中矽油密度） , 最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1ρ1-h3ρ0=A4, 最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1-h3ρ0=Hρ1+A4式中 h3-容器高低端法蘭中心線之間的距離。
變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A4~（Hρ1+A4）,對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~20mADC。
2） 雙法蘭差壓變送器安裝在密閉容器低端法蘭水平線以下, 且高低壓室法蘭與容器高低端法蘭相連接, 並且變送器安裝在密閉容器低端法蘭水平
線以下, 如圖7所示。則變送器量程, 零點遷移量, 最低測量液位時作用於變送器上等效靜壓差, 最高測量液位時作用於變送器上等效靜壓差, 變送器檢驗範圍, 均與本節1） 同。
對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~20mADC。

3） 雙法蘭差壓變送器高低壓室法蘭與容器高低端法蘭相連接, 並且變送器安裝在密閉容器高低端法蘭水平線之間, 如圖8所示。
那 麼變送器量程為L=Hρ1, 零點遷移量為A4=h1ρ1-h3ρ0.為了避免變送器在測量過程中出現死區, 必須使h1ρ1≥h3ρ0, 否則將會出現實際測量範圍小於變送器檢驗範圍的現象。最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1ρ1-h3ρ0=A4

最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1-h3ρ0=Hρ1+A4變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A4~（Hρ1+A4）, 對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~20 mA。
4） 雙法蘭差壓變送器安裝在密閉容器高端法蘭水平線以上, 且高低壓室法蘭與容器高低端法蘭相連接, 如圖9 所示。

則 變送器量程為L=Hρ1,, 零點遷移量為A5=h1ρ1-（h5-h4）ρ0.為了避免變送器在測量過程中出現死區, 必須使h1ρ1≥（h5-h4）ρ0,否則將會出現實際測量範圍小於變送器檢驗範圍的現象。最低測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ1=h1ρ1-（h5-h4）ρ0=A5最高測量液位時, 作用於變送器上等效靜壓差為△ρ2=（h1+H）ρ1-（h5-h4）ρ0=Hρ1+A5式中 h4-變送器正、負壓室中心線到容器高端法蘭中心線之間的距離;h5-變送器正、負壓室中心線到容器低端法蘭中心線之間的距離。
變送器檢驗範圍為△ρ=△ρ1~△ρ2=A5~（Hρ1+A5）, 對應於變送器的輸出（ 若變送器為正作用） 為4~20 mA。
3 結束語
綜上所述, 在利用雙法蘭差壓變送器測 量液位時, 由於毛細管中填充液體的密度是已知的, 因此只要確定了變送器的安裝位置和形式以及H,準確地量取變送器的安裝數據（h1,h2,h3,h4,h5）,就可以很方便地分析計算出變送器量程L,零 點遷移量A ,△ρ1 和△ρ2,再校驗△ρ,對應於4~20mA就可以了。安裝時應注意導壓管要固定牢靠, 避免管路晃動引起信號波動; 導壓管的彎曲半徑不應小於150mm, 免得致使管截面變小阻塞, 妨礙壓力傳播; 要特別注意磕碰感測膜片, 砸傷, 踩斷導壓管, 確保儀表內部始終處在充滿矽油, 嚴格密封下正常進行。然後在現場把校驗好的變送器按要求安裝在容器上, 就可以準確地測量出容器內液體的液位了。