静压法液位测量及仪表

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。