物位测量仪表系列五:差压液位变送器零点迁移

2020-03-18 倪彬洲
差压变送器在工业生产中应用较为广泛,除了可用于流量、差压等参数的测量外,还常用差压变送器测量容器的液位。下面谈谈差压变送器测量液位时零点迁移相关内容。


一、差压变送器测量液位
当采用差压变送器测量容器液位时,将差压变送器的正压室(也称“+”端)与被测容器下部的取压点连接,将差压变送器的负压室(也称“-”端)与被测容器上部取压点相连接(取压点应在容器最高液位上部的气相部分),如图1所示:
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以电动差压变送器为例,当液位H为O时,差压变送器输出的信号应为4 mA,当液位H为最高液位时,差压变送器输出的信号应为20 mA,这是一种比较理想状态。从图1可见,当被测介质的密度为ρ,容器中液体以上部分的气相并不会凝结成冷凝液,这时作用于变送器正负压室的差压应为:△Р= Hρ。其曲线如图2所示:
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但在实际应用中往往会存在以下几种情况:
1、差压变送器在现场安装时,其正压室一般很难与最低液位测量点在同一个水平的位置,这时在正压侧就会有一定的静压存在。
2、差压变送器负压侧可能会有气相冷凝液或负压侧被测液体产生蒸发,这时在负压侧压力将不会恒定,因此在差压变送器的负压室与取压点之间加装隔离罐,隔离罐中填充隔离液。
3、为了防止被测液体或气体进入到变送器的正负压室造成堵塞或腐蚀,往往在差压变送器的正负压室与取压点之间分别加装隔离罐,隔离罐中填充隔离液。法兰毛细管式液位变送器实际也是采用这个原理,使被测液体不直接接触变送器。
根据以上种种情况,当最低液位时,差压变送器会存在一定的差压,这时我们需要将差压变送器零点进行迁移,以确保测量准确。

二、差压变送器的正负迁移
差压变送器的零点迁移量分为正迁移与负迁移,在液位零点位置,当正负压室之间的压差值P>0时,为正迁移;P<0时,为负迁移;P=0时,无迁移。差压变送器正负迁移特性曲线表示如下,见图3:
曲线1:当最低液位时P=0,无迁移;
曲线2:当最低液位时P>0,为正迁移;
曲线3:当最低液位时P<0,为负迁移。
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三、差压变送器迁移量的计算
下面以差压变送器的正负压室与取压点之间分别装有隔离罐,并填充隔离液为例来计算迁移量。如图4所示:
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假设隔离液的重度为ρ2 (ρ2 1,并且隔离液不能与被测液体发生互溶)。
这时差压变送器正压室的压力为:P+ = Hρ1+ h1ρ2+P0
负压室的压力为:P- =h2ρ2 +P0
正负压室的压差为:△Р= P+ - P- = Hρ1+h1ρ2 -h2ρ2
P+:正压室压力
P-:负压室压力
Po:容器中气相压力
H:被测液位高度
h1:最低液位到变送器的高度
h2:最高液位到变送器的高度
ρ1:被测介质的密度
ρ2:隔离液的密度
在工程设计时,我们一旦确定了容器的上下部取压口的位置和隔离液的重度后,式中的h1ρ2 - h2ρ2就是一个固定压差,即使液位H值为O时,这个压差也存在。为了变送器的输出信号不受固定压差的影响,能够反映真实的液位,即当液位H为O%时,变送器输出信号为4mA,当液位H为10O%时,变送器输出信号为20mA,因此必须对变送器在量程不变的情况下改变变送器的上下限,即进行迁移,在本案例中为负迁移,迁移量为固定压差h1ρ2- h2ρ2。(液位的单位通常用百分比表示)见图5:
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根据使用场合的不同和工作条件的限制,有时也需要对差压变送器作正迁移,特别典型的是当采用差压变送器测量敞口容器的液位时,取压口的位置很难做到与最低液位一致,正常的都应低于最低液位,要想得到与设计一致的液位数值,这时需要对变送器作正迁移。

四、差压变送器的量程和迁移量计算实例
首先说明一下,差压式液位计的压力、差压计算问题。如液位高度H单位采用米(m),密度ρ单位采用kg/m3,则压力P=H*ρ/10000,单位为kg/cm2,将其单位换算为Pa时,应乘以98000(因为1 kg/cm2=98000Pa),所以压力计算可以简化为:P= H*ρ*9.8,其单位为Pa。
1、差压液位变送器
用差压变送器测量闭口容器的液位,已知h=1.0m,h1=0.5m,被测介质的密度ρ1=800kg/m3,负压管内的隔离液为水,ρ2=1000kg/m3,求变送器调校范围和迁移量?(容器内的工作压力变送器正负压室抵消)见图6:
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解:仪表的量程 ΔP=h×ρ1×9.8=1×800×9.8=7840 Pa
当液位最低时,变送器正负压室的受力:
P+ =h1×ρ1×9.8=0.5×800×9.8 =3920 Pa
P- = (h1+h)×ρ2×9.8=(1+0.5)×1000×9.8 =14700  Pa
于是仪表的迁移量P为:P=P+-P-=3920-14700=-10780 Pa
因P+< P- ,故为负迁移。                     
仪表的调校范围:                                -10780 Pa ~(-10780+7840)Pa   即:-10780 Pa ~ -2940 Pa
2、法兰式液位变送器
法兰式液位变送器的测量原理与差压式液位变送器基本相同,迁移量和量程也可以通过上述的公式计算得出,在此不再列出。计算迁移量时不需考虑差压变送器的安装位置,只要考虑法兰式液位变送器毛细管内所充硅油的密度和两个法兰中心高度差,见图7示意图。
         

五、总结
1、从以上计算实例中可见,一般差压液位变送器的迁移量与变送的安装位置有关,只有当正负压室和导压管内液体的密度相同时,才与安装位置无关。
2、一般差压液位变送器的安装位置必须低于或相同于最低液位测量点的位置。
3、双法兰差压液位变送器的迁移量与其安装位置无关。
4、随着智能变送器广泛应用,在实际使用中,只要变送器在现场安装完成,正负压侧隔离液填充完毕,变送器通电后就能自动检测出迁移量,无需人工计算,这时只要按一下变送器的“零点”调整按钮,或通过智能变送器手操器远程操作就可完成零点迁移,非常方便与快捷。


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作者简介
邱老师,自控学堂创办人,教授级高级工程师,从事自控工程设计30余年,先后承担了几十个大中型工程项目的设计、施工安装指导、调试开车及新技术开发等工作,是国家科技进步一等奖获得者,获国务院特殊津贴、行业工程设计大师等荣誉称号,国家科技奖评审专家。

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