静压法液位测量及仪表

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差压(静压)法液位测量及仪表
徐洪
二〇一二年二月
差压(静压)法液位测量及仪表
一、差压(静压)法测量原理
差压法测量液位,是基于流体静力学的原理进行的。

其原理如图所示:
P
A 为密闭容器中A点的静压(气相压力);P B为密闭容器中B
点的静压;H 为液位高度;γ为液体重度。

根据流体静力学的原理可知,A、B两点的压差为
ΔP = P B- P A= Hγ
如果是敞口容器则
P = P B = Hγ
式中 P ─ B点的表压(以大气压力为参照的压力)。

在测量中,如果γ为常数,则在密闭容器中 A、B 两点压差与液位高度成正比;而在敞口容器则 P 与 H 成正比。

也就是说只要测出 P 或者ΔP 就可以知道敞口容器或密闭容器中的液位高度。

因此,凡是可以测量压力或者差压的仪表,只要量程合适,都可以用来测量液位。

二、差压法液位测量的实际应用
1、差压测量及差压变送器
测量差压理论上是可以分别测出两个压力再通过比较运算获得压力差,但在实际运用中常常行不通。

因为除了需要测量的差压外,设备中往往还带有相对于要测量的
差压来说有几十上百倍的静压力,使得差压信号的分
辨难以进行。

实际上测量两个压力的差值,最理想的办法是直
接比较两个压力,差压变送器就是根据这个需要设计
制造的。

右图是一个典型的差压变送器测量元件结构示
意。

当两侧的压力分别作用在两侧的隔离膜片上时,
压力通过硅油传导到测量膜片两侧,当两侧压力不等
时,测量膜片会向一侧偏移,通过电子电路检测出这个位移就可以知道两侧的压力差。

2、差压液位测量的常见方式
下图是几种比较典型差压法液位测量方式:
图3-1是最为常见的测量方式,特点是变送器正压室与储罐下取压口等高。

有些变送器厂家将差压变送器的正压室做成法兰形式直接与设备连接,并可根据需要通过引压管将负压侧与设备连接,并且将这种差压变送器命名为(差压式)液位变送器。

图3-2中的变送器安装位置低于储罐下取压口,这会对测量带来影响,但这种影响是可以消除的。

另外图3-2中的两个隔离/凝液罐以及一个凝液收集罐是需要根据不同情况选用或不用的。

当然图3-1中也可以根据需要选择使用。

图3-4是使用毛细管法兰变送器进行测量,它相当于将变送器测量元件中的隔离膜
片延长到设备开口处,可以有效的消除粘稠、腐蚀或存在严重相变的介质对测量带来的影响。

图3-5为吹气法液位测量,它通过稳定的向引压管内导入空气或惰性气体的方法,使引压管内传导压力的介质为气体。

从而避免了变送器与介质的接触,在高温、强腐蚀的介质测量中常常用到。

图3-6中采用了平衡容室作为测量附件,这种方式可以有效的减轻由温度、压力变化带来的介质重度变化对测量的影响。

图4 是几种敞口容器的测量形式,需要说明的是,上图中除图3-5外,如果将差压变送器负压侧的管线等取消,改为直通大气。

(对于压力变送器来说,其结构和差压变送器是基本一样的,只不过它的负压侧没有管接头)就是差压法测量敞口或常压容器液位的应用形式。

所谓“差压”,其中的一个压力(P A)可以是大气压。

三、差压法液位测量中的问题及解决方法
1、测量原理带来的问题
前面所说差压法液位测量的原理中,有一句非常重要:“如果γ为常数,则在密闭容器中 A、B 两点压差与液位高度成正比”,也就是说差压法液位测量是建立在介质重度不变的基础上的。

严格的说,差压法液位测量实际上测的是容器下部单位面积上介质的重量,而不是直接测量介质表面的位置。

这一点是选择测量方式、判断仪表是否工作正常的重要依据。

一般来说当介质组分、温度、压力存在较大变化的场合、介质的重度也会发生变化,如果这种变化超出了可以接受的范围,差压法液位测量就不再适用,而应当采用其它测量方式。

但这不是绝对的。

例如,锅炉汽包的液位测量。

锅炉中的水,在温度、压力变化时内部会产生大量气泡,整体重度发生很大的改变,使得差压液位计显示的液面和实际液体表面有很大的误差。

但是,锅炉观察汽包液面的根本目的不是看液体表面的位置,而是看汽包中有多少水,这时差压法液位测量反而能更准确的反映水量的多少。

所以经常看似“不准确”的差压液位计反而成为许多锅炉生产厂家的标准配备。

2、测量方法带来的问题
采用差压变送器进行液位测量,通常需要使用引压管线来将容器内的压力引到变送器,而进入引压管的被测介质也将作用在变送器两侧影响测量结果,所以不同的测量(安装)形式,会对测量带来不同的影响。

这种影响表现在引压管中的介质所形成的压力与测量信号形成的叠加,并且可以通过对变送器的“迁移”操作进行消除
3、被测介质带来的问题
前面说过,介质的重度不变是采用差压法进行液位测量的基本前提条件。

然而对于液体来说,温度、压力、相变(物体在气态、液态、固态之间的转变)都会影响到介质的重度,所以能否持续、稳定的保持介质状态的稳定,是决定是否采用差压法进行液位测量的基本条件。

特别需要指出的是,容器内的介质状态通常是处在工艺条件的控制之下,其状态可以保持稳定,但对于测量中使用的引压管来说,则往往不在控制范围之内,温度变化以及由温度引起介质相变,是实际应用中导致测量问题的主要原因之一。

要对不同的介质在不同情况下对引压管的影响分别进行讨论会花费较大的篇幅,这里只对介质在引压管中可能产生的几种影响作一些分析:
冷凝和汽化介质在一定温度和压力条件下会汽化或冷凝,更有一些介质在一定
温度和压力条件下汽化或冷凝会同时发生。

对于正压管(正压侧引压管)来说,只有当内部发生较强汽化时才会对测量产生影响。

而对于负压管(负压侧引压管)来说,如果汽化的强度始终大于冷凝的强度或介质不具备冷凝条件,引压管会始终保持没有液体的状态,这时测量中就无需考虑负压管液柱的影响;如果冷凝的强度始终大于汽化的强度,引压管中会始终保持有液体的状态,这时测量中就必需考虑负压管液柱的影响;如果冷凝的强度和汽化的强度处于比较接近的状态,引压管中会产生液体时有时无的状框,这时为了消除负压管液柱的影响可以采取灌隔离液的办法来保持负压管液柱的稳定。

图3-3中有几种凝液、隔离罐的结构形式。

其中 1 为高进低出型,用于冷凝或隔离液比重大于介质的情况,之所以要用这么个罐子除了提供一个灌注隔离液的位置外,主要是为了负压管容积或内部液体在环境影响下发生变化时有一个较大的缓冲来减少引压管内液面的变化。

2 用在冷凝和汽化的强度变化较剧烈的场合,冷凝和汽化都在中心管外的空间发生,而中心管内的隔离液高度不变。

3 为低进高出型,用于所灌隔离液比重小于介质的情况。

图3-2中有一个凝液收集罐,当介质会偶尔产生少量凝液、凝液或隔离液中有少量水分析出时可以选用。

个人经验:引压管上增加的各种罐罐,以及灌隔离液的方式,会成倍增加维护工作量。

能使用其它方法避免的话,尽可能不用。

凝固对于蜡膏之类的介质,可以通过对引压管加伴热的办法防止其凝固,也可以在尽量靠近设备的位置就加装隔离灌,用隔离液隔离。

结垢严格来说容易产生结垢的介质不适宜使用引压管,但在一定条件可参照图3-5、图4-3的形式,以和充气差不多的方法向引压管内注水,达到用连续冲洗的目的来防止结垢。

分馏象液化石油气之类的组分比较复杂同时沸点较低的介质,在进入引压管后其成分会不断变化,轻组分不断挥发,重组分不断冷凝,造成引压管内液柱的重度和液面不断变化严重影响测量,解决的办法一是采取强伴热,使引压管内保持气相,二是使用隔离液。

温度和压力的较大改变会使引压管内的液体发生压缩、膨胀、沸腾、汽化等现象,在某些应用场合,特别是容器内介质本身处于剧烈相变的条件下会严重影响测量结果。

解决方法是尽可能使两根引压管处于相同的环境,例如将两根引压管紧靠在一起排管、使用双室或单室平衡容器。

4、工艺条件改变带来的问题
比较常见的是没有负压管的测量系统的常压或定压容器上部压力改变。

例如依靠顶部呼吸阀联通大气的容器,如果呼吸阀堵塞或不畅,则在进出料操作时上部压力会发生很大变化而影响测量。

5、法兰式差压变送器的应用
图5左侧是双法兰变送器的测量原理,它是通过毛细管将图2中的隔离膜片延长到一定距离以外,直接通过法兰连接到设备进行测量。

它的毛细管相当于引压管,填充的硅油相当于隔离液并且与介质完全隔离开来。

从这种结构可以看出,以上所说的被测介质通过引压管对测量所产生的不利影响双法兰变送器都可以克服,从而大大扩展了差压法液位测量的应用范围。

但是双法兰变送器也不是万能的,它也有自己的局限性。

首先是因为填充的硅油与介质有较大的热交换面,长时间处
于高温状态下硅油质量很容易发生变
化,通常工作温度超过100℃就需要特
殊订货,虽然理论上双法兰的工作温
度可以做到300~400℃,但凡需要因
温度原因特殊订货的双法兰使用寿命
都不长;其次,当遇到量程很小或者
被测介质的重度远小于硅油重度的情
况时,会发生差压变送器所需要的迁
移量超过量程很多,超出差压变送器技术指标允许范围。

(通常要求变送器的最大迁移量不小于量程的100%,目前多数变送器最大迁移量可以做到量程的400%左右,但做成双法兰后往往达不到这个要求)。

另外,个人经验:负压场合对双法兰变送器的质量要求很高,建议负压场合避免使用双法兰变送器。

图5右侧是单法兰变送器的测量原理,它是将图2中的正压侧隔离膜片以法兰形式直接连接到设备上,完全消除了正压侧引压管线的影响,另一侧通过管道接头直通大气,需要时也可以用管道连接到设备上部。

图4-2是它在敞口容器上的安装形式。

单法兰变送器可以很大范围内适用于液位测量。

同时它和设备直接连接的方式,大大简化了安装。

是一种专门用于液位测量的差压变送器,所以也被称为液位变送器,差压液位计。

其缺点是应用范围受到膜片材质对介质的适应性和硅油耐温的限制。

6、吹气法液位测量的应用
图6是吹气测量法的基本形式。

它是通过向引压管内充入气体,使气体成为引压管中的传导介质,由于空气的重度在测量中可以忽略不计,而且由于安装形式,在持续充气的条件下被测介质很难进入引压管,对测量的影响可以忽略。

相对于其
它方式来说,
吹气法无需考
虑介质通过引
压管对测量的
影响,相关设
备的安装位置
选择余地较大,只要插入管的材质能够适应工艺环境的就能对各种介质液位进行有效的测量。

它的主要缺点是设备复杂。

容器内静压较高或工艺对进入容器的物质有要求时应用受到限制。

四、差压液位测量中的参数计算
图7是一套比较完整的差压(静压)法液
位测量示意图,各种不同的安装结构形式都可
以看做是在它的基础上增、删、变形。

在这里
就以这张图来说明差压(静压)法液位测量中
用到的各种参数计算。

图中灰色部分为被测介质,重度为γ,红
色和蓝色分别是正压管和负压管的隔离液,重
度分别为γ1和γ2。

(实际操作中出现这么麻烦
的情况并不多)
1、测量范围的确定
测量范围和量程是仪表测量中经常用到的两个概念,前者指测量起点和终点,后者指测量起点和终点之间的区域;同时测量中还有每台仪表的测量范围和量程以及整个测量系统的测量范围和量程之分。

注意不要被绕晕喔。

液位计所需要测量的范围应当由相关工艺部门根据需要提出,应当处于工艺操作允许变化的范围之内,而不是液位可以变化的范围。

例如图8-2所示的圆锥底容器:在进出料流量相同的情况下,如果液位在容器中部每变化0.1米需要1分钟,而到了圆锥底部这个过程可能零点几秒就就能完成,处于无法控制的状态。

而对于容器顶部来说,漫灌与不漫灌的液位可以用毫米计算,同样处于无法控制的状态。

将这些位置包括在液位计的测
量范围内实际上
毫无意义。

又例
如图8-3中出料
口以下的液位,
在操作中根本不
会变化到那一段,所以也没有测量意义。

需要指出的是,静压法液位测量,是通过测量液体重度来间接反映液体表面位置(液面)的,在实际使用中,工艺介质的成分、温度、压力以及物理状态会受到多方面的影响。

在没有其它补偿措施的情况下,很难进行精确的液面测量,这也是许多液位计(不仅仅是差压液位计)的显示采取百分数表示而不用具体尺寸表示的原因之一。

为了更好的理解这个问题,这里举一个例子来说明:对于一个容积为2升的纯圆柱形容器来说,无论是注入一升水还是一升油(两者体积相同,重度不同)液面都是图8-1 带球形封头的立式容器图8-2 圆锥形底部的容器图8-3 下方出料的容器出料泵图8-4
卧式罐或球形容器
图 8 常见容器的液位测量范围
在50%处,但对于同一套静压法液位测量来说,两个测量结果却是不同的;如果分别注入一千克水和一千克油(两者重度相同,体积不同),两者的液面高度会不一致,但对于同一套静压法液位测量来说,测到的两个结果却是一致的。

在实际应用中,如果可以容忍这种液面高度的差别,就可以不管装的是水还是油,都直接以静压法液位测量的结果用0~100%来表达液位高度。

但对于容器和测量系统来说,就需要留出相应的空间高度,来承受这种液面高度的差别所带来的后果。

2、量程计算
在前面介绍差压法测量原理时可知:ΔP=P B-P A=Hγ或 P=P B=Hγ
这里,使用了一个描述介质性状的单位——液体重度γ,这是一个与密度相对而言的概念。

密度表示单位体积物质的质量,国际单位制中的单位为Kg/m³,用符号ρ表示;
重度又称为容重、体积重量,表示单位体积物质的重量,国际单位制中的单位为:N/m³,用符号γ表示;重度与密度之间的关系为:重度=重力加速度×密度(γ=gρ);
在计算中还可能用到比重的概念,比重也称相对密度,液体的比重是该液体的密度与在标准大气压,3.98℃时纯水的密度(999.972 kg/m3)的比值。

在这个意义上的比重是无量纲量,即无单位的值。

比重还有另外一个意思,即单位体积物质(完全密实
状态)的重量,其单位和密度是一样的但物理意义却很接近重度。

必须指出,不少人将工艺设计给出的密度称做比重,并在实际计算时当作重度来运算,这样做得出的结果在绝大多数情况下不会产生太大的偏差,通常也不会影响应用,但在计算精度和理解上存在偏差,这里不做讨论。

因为地球表面不同位置上的重力加速度g是不一样的,所以严谨的工艺设计中不会给出介质重度,而只会给出密度或相对密度(比重)。

从一开始介绍的静压法液位测量原理中可知:ΔP = P B- P A= Hγ或 P =P B = Hγ,由于H=0时ΔP或 P 等于0,所以仪表(变送器)的量程和液位最高时变送器的测量上限数值上是一致的,只要计算出最高液位时变送器所感受的压力,就可以得出量程。

即量程 = Hγ= Hgρ
当测量高度单位为m,密度单位为Kg/m³,重力加速度单位m/s²,并且取所有数值=1 时,有:
Hγ= Hgρ=m×m/s²×Kg/m³=m·s-²·Kg/㎡
∵在国际制中m·s-²·Kg有一个特定引出单位N(牛顿)
∴ Hγ= Hgρ= m×m/s²×Kg/m³=m·s-²·Kg/㎡=N/㎡
∵在国际制中N/㎡有一个特定引出单位Pa(帕斯卡)
∴ Hγ= Hgρ= m×m/s²×Kg/m³=m·s-²·Kg/㎡=N/㎡=Pa
当测量高度为H=1mm,介质为标准状态下的水(其密度ρ=1000Kg/m³),并且取重力加速度g≈10时,有:
量程=0.01×10×1000=10Pa
同样,当测量高度为H=1m,有:
量程=1×10×1000=10000Pa=10KPa
将以水为介质得出的量程乘以实际工况下的介质比重(介质的密度/水的密度),就是该介质下的变送器量程。

即:
量程=H×g×sg
式中:
H:以毫米为单位的测量范围值;
g:重力加速度;
sg:比重值
计算结果单位为Pa(帕斯卡)
在工程计算中,根据对计算精度要求不同,可以将重力加速度取值为标准值9.8,或者查取当地重力加速度,但更多的是取近似值10。

将比重的引入到量程计算中来,看似有点多余,但在一般计算中却能带来便利。

从上面分析可以看出,对于介质为水,加速度取10时,量程计算得出的数值,只是将测量高度的数值小数点右移一位。

而比重值的取得,也可以通过移动密度值的小数点取得。

真正需要计算的只有一次乘法,对于水来说甚至不需计算。

在此基础上甚至可以衍生出速算口诀。

例如:“米加零得千帕,乘上比重是量程。

”其中前半句是指以M 作为测量范围,其数值后面加个零,得到以KPa为单位,介质为水的量程;后半句指当介质比重不为1时需要乘上介质比重。

计算示例1:
测量范围:10m=10000mm,介质:水(20℃),介质密度:ρ=1000kg/m³;重力加速度值取10。

变送器量程=10000×10=0.1Mpa
或者利用前面例举的口诀“米加零得千帕,乘上比重是量程”的前半句直接得出:量程=100KPa=0.1Mpa
计算示例2:
测量范围:500mm,介质:丙酮(20℃),介质密度:ρ=791kg/m³(比重:0.791)量程=500×9.8×0.791=3875.9 Pa = 3.9 KPa
这时如果对测量精度要求不高或指示为0~100%,可以将变送器量程定(圆整)为4KPa。

这样实际测量范围约为515.5mm(计算方法为:圆整后的实际测量范围=(圆整后的量程-计算量程)/圆整后的量程×原测量范围+原测量范围 =(4-3.8759)/4×500 + 500 = 515.5 )。

计算示例3:
测量范围:800mm,介质:乙二醇(20℃),介质密度:ρ=1.118g/cm³(1g/cm³=1000kg/m³)
量程 = 800×9.8×1.118=8765.12 Pa
这时如果对测量精度要求不高或指示为0~100%,可以将变送器量程定(圆整)为900Pa或850Pa。

这样实际测量范围约为820mm或775mm
说明:变送器量程计算后的圆整不是必须的,它只是条件许可时为了方便而采用的。

同时如果需要圆整的话,前面的计算精度不宜太低。

3、变送器实际感受的压差
差压变送器在液位测量时,有时感受到的并不仅仅是液位变化带来的差压(压力),同时还有正、负压侧引压管内液柱所带来的压力。

从图7可以看出,变送器正压侧感
受的是液面形成的压力Hγ,正压管中液柱压力h1γ1以及罐内压力P之和;变送器负压侧感受的是负压管中液柱压力h2γ2以及罐内压力P之和。

即变送器两侧的差压=(H γ+ h1γ1+P)-(h2γ2+P)=Hγ+ h1γ1- h2γ 2 ,显然要得到正确的液位信号,必须将 h1γ1和h2γ2的影响消除掉。

这就要用到差压变送器的“迁移”功能。

4、迁移的概念
前面说过,差压变送器两侧的差压=Hγ+ h1γ1- h2γ 2 ,显然如果将差压变送器的量程设置到 Hγ-(h1γ1+ h2γ2)的位置,测量将不受h1γ1和h2γ2的影响。

图9是变送器在不同迁移下的输入/输出关系曲线图。

可以看出,所谓迁移就是将变
送器的输入/输出关系曲线在坐标上平移一段距
离。

因此可以将迁移理解成在量程不变的情况下
改变变送器的测量范围。

之所以不把它叫做测量
范围调整而称作迁移,是因为在差压变送器中这
种调整是通过专门的方式独立完成的。

从变送器两侧的差压=Hγ+ h1γ1- h2γ 2 来
看,很显然只要去掉 Hγ+ h1γ1- h2γ 2 中的后面两项的影响,即减去(h1γ1+h2γ2)就可以消除引压管液柱带来的影响。

换句话说就是将变送器迁移(将变送器的量程移
到)h1γ1+h2γ2的位置进行测量就可以消除消除引压管液柱带来的影响。

小帖士:
量程范围:以测量的起始点到终结点表示的测量的范围,如-50~+50KPa ,0~100KPa。

量程:测量的终结点减去起始点的值,如-50~+50KPa 和0~100KPa 的变送器它们的量程同是100Kpa。

5、迁移量的计算
通过上面的分析,可以明显的看出:差压法测量时的变送器迁移量等于正压侧引压管液柱对变送器的压力减去负压侧引压管液柱对变送器的压力。

相对于图7所示的测量系统来说就是h1γ1-h2γ2
需要指出的是:对于h1γ1和h2γ2来说,是液柱引压管对于变送器的压力,是具有方向性的。

当变送器的安装位置低于下取压口时h1γ1为正值,高于下取压口时为负值;当变送器的安装位置低于上取压口时h2γ2为负值,高于下取压口时为正值。

出于和计算量程时同样的道理,在实际计算h1γ1和h2γ2时可以使用比重的概念来进行计算。

即迁移量=h1 ×g×sg - h2×g×sg (sg:比重值)
变送器与下取压口等高,上下取压口间距2200mm,负压管灌充乙二醇(ρ20=1113kg/m³。

ρ20:20℃时的密度)
迁移量 = h1 ×g×sg - h2×g×sg= 0-(2200×10×1.113)= -24486(Pa)≈-24.5KPa
即:负迁移24.5KPa。

计算示例2:
被测介质为丙酮(ρ=791kg/m³);变送器低于下取压口200mm;负压管为干管(空管)。

迁移量= h1γ1-h2γ 2
= (200×9.8×0.791)-0
= 1550.36(Pa)≈1.55KPa
即:正迁移1.55KPa。

被测介质为热水(ρ=1000kg/m³);变送器低于下取压口500mm;上取压口垂直引出后上升一段距离后下降引到变送器,其最高点距下取压口垂直距离4000mm;负压管内为自然冷凝却水。

迁移量 = h1γ1-h2γ 2 = (500×10×1)-(4000×10×1)
= -(500-4000)×10×1= -35000(Pa)≈-35KPa
即:负迁移35KPa。

对于双法兰变送器,可以将两根毛细管视为引压管,且灌充液密度一致均为γ0,在安装位置发生变化时,两根引压管的液柱压力在方向上相互抵消,所以始终有:迁移量 =(h1-h2)γ0
五、差压液位测量的安装
差压液位测量中常用的差压变送器有单法兰、双法兰和通用的差压变送器。

其中单法兰、双法兰变送器安装比较简单,很多厂家的说明书中都附有详尽的安装使用要求。

通用的差压变送器在作为液位计使用时,根据不同的情况会有不同的要求,特别是引压管系统的要求若一一列举比较麻烦。

所幸国家有适应各个行业不同要求、不同用途的标准安装图册供选用,(例如:HG/T_21581-1995和HG/T 21581-2010 自控安装图册)这里不做累述。

对于引压管线的敷设,这里仅摘录国标GB 50093-2002《自动化仪表工程施工及验收规范》相关内容以供参考:
1、测量管道在满足测量要求的前提下,应按最短路径敷设。

2、测量管道水平敷设时,应根据不同的物料及测量要求,有1:10~1:100的坡度,其倾斜方向应保证能排除气体或冷凝液。

当不能满足时,应在管道的集气处安装排气装置,在集液处安装排液装置。

3、测量管道在穿墙或过楼板处,应加保护套管或保护罩,管道的接头不应在保护套管或保护罩内,管道穿过不同等级的爆炸危险区域、火灾危险区域和有毒场所的分隔间壁时,保护套管或保护罩应密封。

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