润中仪表科技差压液位变送器测量原理

 
差压式液位变送器
   
       差压式液位变送器主要用于密闭有压容器的液位测量。由式(4—8)可知，由于容器内气相压力对pB的压力有影响，因此只能用差压计测量气、液两相之间的差压值来得知液位高低。由测量原理可知，凡是能够测量差压的仪表都可以用于密闭容器液位的测量。
    (1)零点迁移问题
    采用差压式液位变送器测量液位时，由于安装位置不同，一般情况下均会存在零点迁移的问题，下面分无迁移、正迁移和负迁移3种情况进行讨论。
    ①无迁移如图4—9(a)所示，被测介质黏度较小、无腐蚀、无结晶，并且气相部分不冷凝，变送器安装高度与容器下部取压位置在同一高度。
    将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点pl、p2相连接，如果被测液体的密度为ρ，则作用于差压变送器正、负压室的差压为
       ∆p= p 1- p 2=Hρ g (4—10)
    当液位由H=0变化到高液位H=Hmax时，△p由零变化到大差压△pmax，变送器对应的输出为4～20mA。假设对应液位变化所要求的变送器量程△p为5000Pa，则变送器的特性曲线如图4—10中曲线a所示，称为无迁移。
   
  ②正迁移  实际测量中，变送器的安装位置有时低于容器下部的取压位置，如图4—9(b)所示，被测介质也是黏度较小、无腐蚀、无结晶，并且气相部分不冷凝，变送器安装高度低于测量下限的距离为h。这时液位高度H与压差△p之间的关系式为
    △p=p1一p2=Hρg+hρg    (4—11)
    由式(4—11)可知，当H=0时，△p= hρg >0，并且为常数项，作用于变送器使其输出大于4mA；当H=Hmax时，大压差△p=Hmaxρg+hρg，使变送器输出大于20mA。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0、△ρ=hρg时，其输出为4mA，变送器的量程仍然为Hmaxρg ；当H=Hmax、大压差△p=Hmaxρg+hρg时，变送器的输出为20mA，从而实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系。
  假设变送器量程仍然为5000Pa，而hρg=2000Pa，则当H=0时，△p=2000Pa，调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器输出为4mA；当H=Hmax时，△pmax=5000+2000=。7000Pa，变送器的输出应为20mA。变送器的特性曲线如图4—10中曲线b所示，由于调整的压差△p是大于零(作用于正压室)的附加静压，则称为正迁移。
③负迁移有些介质对仪表会产生腐蚀作用，或者气相部分会产生冷凝使导管内的凝液随时间而变。这些情况下，往往采用在正、负压室与取压点之间分别安装隔离罐或冷凝罐的方法。因此，负压侧引压导管也有一个附加的静压作用于变送器，使得被测液位H=O时，压差不等于零。为了讨论方便，仅以某一种安装情况进行讨论，如图4—9(c)所示。变送器安装高度与容器下部取压位置处在同一高度，但由于气相介质容易冷凝，而且冷凝液高度随时间而变，则可以事先将负压导管充满被测液体，则此时液位高度H与压差△p之间的关系式为将             △p= Hρg-hρg   (4—12)
    由式(4—12)可知，当H=0时，△p-hpg<0，作用于变送器会使其输出小于4mA；当H=Hmax时，大压差△p=Hmaxρg-hpg，使变送器输出小于20mA。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=O、△p= -hρg <0时，其输出为4mA，变送器的量程仍然为Hmax；Pg；当H=Hmax；、大压差△p=Hmax；Hmaxρg-hρg时，变送器的输出为20mA，从而实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系。
    仍假设变送器的量程为5000Pa，而hpg=-7000Pa，则当H=0时，△p=-7000Pa，调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器输出为4mA；当H=Hmax；时，△Pmax=5000-7000=-2000Pa，变送器的输出应为20mA。变送器的特性曲线如图4—10中曲线c所示，由于调整的压差△p是小于零(作用于负压室)的附加静压，则称为负迁移。
    由上述可知，正、负迁移的实质是通过迁移弹簧改变差压变送器的零点，使得被测液位为零时，变送器的输出为起始值(4mA)，因此称为零点迁移。它仅仅改变了变送器测量范围的上、下限，而量程的大小不会改变。
    需要注意的是并非所有的差压变送器都带有迁移作用，实际测量中，由于变送器的安装高度不同，会存在正迁移或负迁移的问题。在选用差压式液位变送器时，应在差压变送器的规格中注明是否带有正、负迁移装置并要注明迁移量的大小。
    (2)特殊介质的液位、料位测量
    ①腐蚀性、易结晶或高黏介质  当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及黏度大、易凝固等介质的液位时，为解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可以采用法兰式差压变送器，如图4—11所示。变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件的测量头1(金属膜盒)经毛细管2与变送器的测量室相连通，在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，起到使变送器与被测介质隔离的作用。变送器本身的工作原理与一般差压变送器完全相同。毛细管的直径较小(一般内径在0.7～1.8mm)，外面套以金属蛇皮管进行保护，具有可挠性，单根毛细管长度一般在5～11m可以选择，安装比较方便。法兰式差压变送器有单法兰、双法兰、插入式或平法兰等结构形式，可根据被测介质的不同情况进行选用。
法兰式差压变送器测量液位时，同样存在零点“迁移”问题，迁移量的计算方法与前述差压式相同。如图4—11中H=0时的迁移量为
       △p= p 1- p 2=h1ρg +h2ρ0g
式中ρ0 ——毛细管中硅油密度。
    由于正、负压侧的毛细管中的介质相同，变送器的安装位置升高或降低，两侧毛细管中介质产生的静压作用于变送器正、负压室所产生的压差相同，迁移量不会改变。
    ②流态化粉末状、颗粒状固态介质  在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化床床层高度的测量。因为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量时，可以把它们看作流体对待。测量的原理也是将测
量床层高度的问题变成测差压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞，因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。
      流化床内测压点的反吹风方式如图4—12所示，在有反吹风存在的条件下，设被测压力为痧，测量管线引至变送器的压力为p2(即限流孔板后的反吹风压力)，反吹管线压降为∆p，则有p₂= p+∆p，看起来仪表显示压力p₂较被测压力高∆p，但实际证明，当采用限流孔板只满足测压点及引压管线不堵的条件时，反吹风气量可以很小，因而∆p可以忽略不计，即p₂≈ p。为了保证测量的准确性，必须保证反吹风系统中的气量是恒流。适当地设计限流孔板，使p₂≤0.528 p₁，并维持不发生大的变化，便可实现上述要求。

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