差压式液位测量技术问答(一)

天津石化炼油厂 汪玉忠

问静压式测量液位的原理是什么？如何测量液体密度？

答：容器或贮罐内的液位会对其底部及侧壁产生压力，压力大小是液体密度及高度的函数，当液体的密度不变时，在液体中某一点的压力是单一高度的函数，液位越高对这一点的压力就越大。因此，可以利用差压变送器（或压力变送器）测得液位的高度，见图1。

液位高度与静压有如下的关系式：

式中：H—液位高度（m）；

P—静压（Pa）；

ρ—介质密度（kg/m3）；

g—重力加速度（9.807m/s2）。

图1 静压式测量液位

当密度ρ为变量时公式（1-1）也成立，在实际生产过程密度ρ的求法如下：

在容器中取两个固定测量点，上面一点为p1、下面一点为p2，两点之间的高度为H，设容器的横截面积为S0。则：

式中 为常数，由上式（1-2）可知，若知道（p1－p2）值就可以计算出液体密度ρ值。

问：用压力变送器测量液位为何出现迁移，如何计算？

答：在测量容器或贮罐液位时，往往取压口与变送器的引压室不在同一水平线上。当变送器安装的位置低于取压口的位置时，就会把引压管中存在的一段附加液柱压力引到变送器内并产生测量误差；为了消除附加液柱引起的附加误差，在变送器中，用迁移机构或电路去掉附加液柱的压力值，使变送器输出与液柱变化值呈现一一对应的关系，称作正迁移；或者变送器安装的位置高于取压口的位置时，就会存在引压管中一段液柱与被测液位抵消也产生测量误差，需要负迁移。如图2所示。

图2 压力变送器测量液位

应该指出此种方案中的负迁移存在问题，使变送器位置不能高出液位的波动下限，否则会造成误差或者造成无法测量，所以在工程中一般不采用。

图2（b）中A曲线表示无迁移；B曲线正迁移；C表示负迁移曲线。

计算正迁移量pz和负迁移量pF：

式中：ρ—介质密度；

g—重力加速度；

H1—取压嘴子距变送器取压室（下方）垂直高度；

H2—取压嘴子距变送器取压室（上方）垂直高度。

问 用差压变送器测量液位为何出现负迁移，如何计算？

答：如图3所示，用差压变送器测量液位时，变送器的正压室接到容器的下取压口，而负压室接到容器的上取压口。

图3 差压变送器测量液位

在实际应用中差压变送器一般放在下取压口的下面，由于下取压口到变送器的正压室的引压管已被被测介质充满，而上取压口到变送器负压室的引压管理论上是气相。但在实际生产过程中，由于液位波动或气相冷凝会有液体聚集在负压的引压管内，使变送器的负压始终受到积液压力的影响，且此压力是不断变化的，从而形成不稳定的零点漂移（称为零漂）。为了克服零漂的有效方法是在负压管中灌满液体，但同时增加了附加的液柱压力。

应该指出，从下取压口到变送器正压室的引压管已被介质充满，这本身就是正迁移，负压管中灌满液体，这本身就是负迁移。由于从下取压口到变送器取压室的引压管的正负迁移相抵消，余下的负导压管高度，如果乘以隔离液的密度为负迁移量，如果乘以介质的密度为量程。所以在一般情况下，差压变送器测量液位没有体现出正迁移，只有负迁移。在变送器中采用迁移机构或电路消除此附加压力的影响，负迁移用pF表示。

一般在仪表启动前在正负引压导管中灌满隔离液，设容器无液面时的静压力为p0，则负迁移pF的计算方法为：

式中：H1— 下取压口距变送器的垂直高度（m）；

H2— 上、下取压口之间的垂直高度（m）；

ρ— 所充灌隔离液的密度（kg/m3）；

g — 重力加速度。

由式（3-1）可以看出，由于在正负引压导管中灌满隔离液，在仪表的正、负压室之间始终存在一个压力差并作用在变送器的负压室上。

问如何用压力表测量高位水槽的液位？

图4 压力表测量高位水槽液位

答：如图4所示，压力表通过引压管与水槽底部相接，由压力表可以读出液位的高度值。由于压力表的位置低于水槽，因此会产生一段附加误差（H高度水柱压力）。在压力表启动前，可以先将其迁移掉（如图中的0-0′段）。

此种测量适用于洁净、粘度较小的液体，典型的应用实例如火车客运车厢卫生间水槽液位指示。如果需要远传可以把压力表改为压力变送器。

问 用差压变送器测量生产过程中（塔、罐或容器）的液位时，有几种方法，各有什么特点？

答：用普通差压变送器测量生产过程中的液位常有4种情况，如图5所示。

5（a）图适用洁净、粘度较小的液体，被测介质直接引入变送器的正压室。负压室为气相，在一次阀后有一个倒U形管，防止液位波动时液体进入负压管；在负压管末端安装排污器，对积存的污液可以定期排掉；变送器负压室至下取压口间的导压管应充满被测介质。此方案没有迁移量，仪表量程为： 。

5（b）图适用洁净、粘度较小的液体，被测介质直接引入变送器的正、负压室。正、负引压管均存在迁移，并有部分抵消，实际使用时只有负迁移。负迁移量为：仪表量程为：。负压管冲灌不容易挥发的介质作为隔离液，密度为ρ1。

图5 普通差压变送器测量液位方法

5（c）图适用粘度较大、较脏的液体。正、负压管均冲灌隔离液，其密度ρ1要大于介质密度并与被测介质ρ不相溶，对被测介质无影响。在炼油系统常用乙二醇。负迁移量为：；仪表量程为： 。

5（d）图是在（c）图的基础上，防止长期运行的隔离液被工艺介质冲掉，断续打入隔离液，如乙二醇等。

问用差压变送器测量较轻化工原料的液位是如何实现的？举例说明。

图6 差压变送器测量轻原料液位

答：图6是石化乙烯装置脱甲烷塔底液位测量系统，由于介质容易汽化，在正压导管中采用蒸汽伴热，使导管内液体全部汽化，以气相引入差压变送器的正压室。此时引到差压变送器正压室的压力为pZ，当忽略气相密度与高度的影响时，pZ= pA。可计算如下：

此方法无迁移量。

伴热说明：

（1）如果停掉伴热，或伴热温度太低，正压导管中会有积液，差压变送器指示偏低，甚至指示零下值；

（2）若伴热温度过高，正压导管内气相温度不断升高。由于导管内容积不变，则其导管内压力不断升高，会影响测量结果，同时浪费能源；

（3）合理的伴热方法是在安全防爆的条件下，采用电伴热控制温度。

问 用实例说明灌隔离液的差压变送器测量液位时，量程及迁移量如何计算？

图7 灌隔离液法测量液位

答：如图7，已知h1=250cm、h2=300cm、被测介质密度ρ1=850kg/m3、隔离液为甘油水溶液ρ2=1200kg/m3，计算如下：

在液位最低、不考虑气相密度影响时，差压变送器正负室压力为：

问 用差压变送器测量液位时，使用了隔离液，应如何调整零点？

图8 灌隔离液法测量液位系统

答：见图8，表示正、负压导管均冲灌隔离液的情况。在无液面时，由于负压导管的压力大于正压导管的压力，需要对差压变送器的零点进行调整。

（1）差压变送器本身的零点调整：首先关闭二次阀3、4，关闭放空阀8、9，打开平衡阀5，将变送器的零点调整为零；

（2）整个液面测量系统零点的调整：首先关闭一次阀1、2，平衡阀5，打开二次阀3、4。在冲灌好隔离液后，然后通过差压变送器上的负迁移装置，将输出值调到零点为止。在调零过程中不能打开平衡阀5，一旦阀5被打开两管中的隔离液将流动，会使零点发生变化。

问 双室平衡器的工作原理是什么？

答：在测量锅炉汽包水位时，绝大多都采用双室平衡器与差压变送器结合测量水位，这种方法是从单室平衡器改进而来。从平衡器的结构上分为两种，即普通双室平衡器和中间抽出式双室平衡器。两者的基本原理是一样的，但是在结构上有所不同。如图9所示。

图9 双室平衡器种类

双室平衡器从本质上看，它是一个水位高度转换为静差压的容器，从而实现用静差压法测量汽包水位。由于双室平衡器内管与汽包内腔形成U型管连通器，两个液柱对底部产生的压力是相等的。由于U型管连通器两管温度不同，密度不等，所以两个液柱高度不一定相等，但是它们对U型管连通器底部产生的压力是一样大小。在一般情况下两管液柱高度有一微小差异。

（a）普通双室平衡器的工作原理

如图9（a）所示，在双室平衡器内有一根连通管下部与汽包下取压口相连，上部开口，其高度与上取压口等高。在连通管周围至容器内壁间的环形空间为参考室。从连通管和参考室的下部分别引出导压管接到差压变送器上。

正常工作时，容器内的饱和蒸汽不断冷凝，冷凝水集聚在参考室内，多余的冷凝水流入连通管内或从上取压口流回到汽包内，使参考室内的水位高度一直保持不变。

（b）中间抽出式双室平衡器的工作原理

如图9（b）所示，它的结构比较复杂。在容器内部有一连通管，下部与汽包下取压口连接并有导压管接差压变送器，连通管上部高度高于汽包上取压口。在连通管周围有漏水盘、集液杯，杯底有中间抽出管，并接到差压变送器。还有溢流室，底部有口接冷凝液回收系统。

正常工作时，容器内的饱和蒸汽不断冷凝，集聚在漏水盘上，并不断地滴落在集液杯中，当集液杯水满后流到溢流室，并从下部口流到冷凝水回收系统。这样溢流室是空的，目的是对集液杯内的水起到保温作用，使其水温接近连通管内的水温，不受环境温度变化的影响。集液杯水位高度为参考值，与连通管内的水位形成差压。

由于中间抽出式双室平衡器设计巧妙，其本身具有一定的饱和压力波动的补偿作用。

问：用实例说明测量锅炉汽包水位时如何计算差压变送器的量程和负迁移量？

答：根据流体力学原理：

（2）计算负迁移量：当水位最低时，正、负压室的压力差为负迁移量。

在实际使用当中的汽包与双室平衡器内有三种水的密度：汽包内水密度ρw、连通管内水柱密度ρ2和参考室水密度ρ1。三者关系很复杂，其中ρ1和ρ2是与双室平衡器的结构、靠近汽包远近、环境温度变化和保温情况均有关系。即没有公共的参考值，又不能准确测量。

在实际处理时，连通管内水柱密度ρ2可以不考虑；参考室水密度ρ1可以测量双室平衡器表面温度和双室平衡器安装位置、保温情况、现场温度等来决定；汽包内水密度ρw由饱和蒸汽温度经过查表得到。

图10 测量锅炉汽包水位系统图

实例见图10在华北地区的60t、4.0MPa的中压锅炉，测量锅炉汽包水位一般采用普通双室平衡器，当饱和水蒸气压力ps=4.00MPa，水蒸气密度ρs=20.1kg/m3，汽包水密度ρw=799.0kg/m3（tw =250℃)，ρ1=915.0kg/m3（估算t1=150℃），h1=0.6m，h2=1.5m时计算方法如下：

说明1：本方法计算量程所采用的密度为汽包内的水密度，如果平衡器内的水密度可知，来计算量程更准。

说明2：如果采用中间抽出式双室平衡器，在要求严格条件下要考虑由于两抽出口位置不同所引起一小段引压管内水密度差值，而在一般情况下按上式计算。

问 锅炉汽包水位采用单室取压器为什么不好用？

答：锅炉汽包水位测量早期采用单室取压器组成的测量系统，如图11所示。

图11 锅炉汽包水位单室取压系统

该系统组成简单，在汽包的上部与下部各有一个取压口，分别安装一次阀和集气器，由集气器下部将压力引到差压仪表。这种方法是利用静压测量液位的原理，在其他场合测量液位很好用，但在锅炉汽包的液位测量却不好用，其原因如下：

（1）在正常运行的锅炉汽包中，水是沸腾的。所谓沸腾就是指在汽包内，气泡产生于汽包内壁并随之上升，由于产生的气泡太多，它们之间相互碰撞并滚动上升，与此同时还存在一股股热流也随之上升，气流与汽泡在上升过程中是无规律移动运动。当气泡到达水面后开始破裂，形成水、蒸汽的界面，由于热流的一部分能量消耗在水中，另一部分水变成蒸汽。

在汽包下取压口附近，经常会有气泡或热流窜入到下取压口内，进入单室的集气器内产生“脉冲式冲击流”，并且通过导管直接作用在差压仪表的正压室，而负压时不会受到“脉冲式冲击流”的作用，因此对差压变送器测量水位造成很大的波动。

（2）在汽包上取压口的集气器中，始终保持平静的参考水位，它虽然没有受到“脉冲式冲击流”的作用，但由于它所处的环境单室集气器的体积很小，非常容易受到环境温度变化的影响，其内部冷凝水的密度是经常变化的。

鉴于上述两点原因，特别是第一点原因，差压变送器测量中经常出现大的波动，自然会产生测量误差，经常有满量程的20%～30%剧烈波动。这就是单室取压器测量汽包水位不好用的根本原因。