差壓式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理 差壓式液位計(jì)的種類(lèi)及應(yīng)用

差壓式液位計(jì)概述

差壓式液位計(jì)（differential pressure type level gauge）是利用液柱產(chǎn)生的壓力來(lái)測(cè)量液位的高度的儀表，在液位發(fā)生變化后，高壓側(cè)法蘭處膜片所接收到的壓力就會(huì)隨之變化，變送器計(jì)算出的壓差值也會(huì)隨之發(fā)生變化，它們之間有線性的關(guān)系。通常情況下高壓側(cè)（H側(cè)）與低壓側(cè)（L側(cè)）不能裝反，一般H側(cè)裝于設(shè)備低處，L側(cè)裝于設(shè)備高處。安裝前設(shè)備法蘭面應(yīng)清理干凈，墊片不能放偏，以免膜片被戳破或者形變導(dǎo)致變送器失真。

變送器根據(jù)測(cè)量范圍可分成一般壓力變送器（0.001MPa～35MPa）和微差壓變送器（0～1.5kPa），負(fù)壓變送器三種，從精度角度來(lái)分類(lèi)的話，因?yàn)槲覀儑?guó)家標(biāo)的精度就為0.5%.所以近年來(lái)又可以分為高精度壓力變送器（0.1%或0.2%或0.075%）和一般壓力變送器（0.5%）。如果液相密度變化較大，則不宜采用差壓式液位計(jì)。

一、差壓式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

雙法蘭差壓變送器結(jié)構(gòu)：主要部件為傳感器模塊、電子元件外殼、毛細(xì)管、高低壓側(cè)法蘭及膜片。傳感器模塊包括充油傳感器系統(tǒng)（隔離膜、充油系統(tǒng)和傳感器）以及傳感器電子元件。

差壓式液位計(jì)工作原理：將一個(gè)空間用敏感元件（多用膜盒）分割成兩個(gè)腔室，分別向兩個(gè)腔室引入壓力時(shí)，傳感器在兩方壓力共同作用下產(chǎn)生位移（或位移的趨勢(shì)），這個(gè)位移量和兩個(gè)腔室壓力差（差壓）成正比，將這種位移轉(zhuǎn)換成可以反映差壓大小的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4-20mADC信號(hào)）輸出，毛細(xì)管、導(dǎo)壓管、填充液的作用是將所接收到的壓力傳遞給變送器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算。

差壓變送器所測(cè)量的結(jié)果是壓強(qiáng)差，即△P=ρg△h。桶槽一般是圓柱形，圓柱形截面積S是不變的。在溫度變化時(shí)，介質(zhì)體積膨脹或縮小，實(shí)際液位也會(huì)升高或降低，但變送器所檢測(cè)到的壓力始終是保持不變的。如果需要顯示實(shí)際液位，也可以在DCS系統(tǒng)引入介質(zhì)溫壓補(bǔ)償予以解決。

二、差壓式液位計(jì)的種類(lèi)及應(yīng)用

差壓變送器有普通差壓變送器和微差壓變送器，根據(jù)外形結(jié)構(gòu)可分為：?jiǎn)畏ㄌm式差壓液位計(jì)、雙法蘭式差壓液位計(jì)、平衡容器式差壓液位計(jì)。

1、單法蘭式差壓液位計(jì)：單法蘭液位變送器可對(duì)各種敞口容器進(jìn)行液位、密度的測(cè)量，有平法蘭和插入式法蘭兩種，它可以直接安裝在管道或容器的法蘭上。由于隔離膜片直接與液體介質(zhì)相接觸，無(wú)須將正壓側(cè)用導(dǎo)壓管引出，因此可以測(cè)量高溫、高粘度、易結(jié)晶、易沉淀和強(qiáng)腐蝕等介質(zhì)的液位、壓力和密度。

與雙法蘭式差壓液位計(jì)的區(qū)別：

1、從原理上說(shuō)：都是差壓變送器+法蘭導(dǎo)壓；

2、從結(jié)構(gòu)上說(shuō)：?jiǎn)畏ㄌm液位變送器是只有1個(gè)法蘭膜盒聯(lián)通高壓側(cè)，低壓側(cè)通大氣，雙法蘭液位變送器是高低壓側(cè)分別通過(guò)充油毛細(xì)管和兩個(gè)法蘭膜盒相連（也有1根毛細(xì)管的情況，下面裝單法蘭變送器、從單法蘭變送器低壓側(cè)引出1根毛細(xì)管到上法蘭膜盒）；

3、從工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)：都只能測(cè)固定密度液體液位，單法蘭變送器只能用于與大氣想通的常壓設(shè)備的液位，而雙法蘭變送器則可以適用密閉設(shè)備釜罐測(cè)液位；

4、從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，雙法蘭肯定是比單法蘭貴，畢竟多了1個(gè)法蘭膜盒和毛細(xì)管。

2、雙法蘭式差壓液位計(jì)：

雙法蘭差壓液位計(jì)是測(cè)量變送器高低壓側(cè)之差的儀表，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)給DCS或PLC等系統(tǒng)。它與一般的壓力變送器不同的是它有2個(gè)壓力接口， 差壓變送器一般分為正壓端和負(fù)壓端，通常情況下，差壓變送器正壓端的壓力應(yīng)大于負(fù)壓端才能測(cè)量。

雙法蘭式液位變送器是使用毛細(xì)管法蘭變送器進(jìn)行測(cè)量，它相當(dāng)于將變送器測(cè)量元件中的隔離膜片延長(zhǎng)到設(shè)備開(kāi)口處，可以有效的消除粘稠、腐蝕或存在嚴(yán)重相變的介質(zhì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。

變送器的“硅油”

我們一般在選擇單、雙法蘭壓力、差壓變送器時(shí)，主要是根據(jù)操作溫度來(lái)選擇膜片的硅油類(lèi)型，根據(jù)操作壓力來(lái)選擇膜片連接法蘭的磅級(jí)、連接形式。但是，很多選型人員總是忽略硅油選型不止以操作溫度為依據(jù)，還要注意操作壓力對(duì)于硅油允許范圍的影響。

從下面三家國(guó)際知名品牌的硅油技術(shù)數(shù)據(jù)表中，我們可以看到，不同廠家硅油在不用操作壓力范圍下，允許的溫度范圍也不相同。

對(duì)于常壓工況，普通硅油都可以滿足要求；

在溫度超過(guò)操作溫度超過(guò)190℃的正壓工況，就需要考慮選擇標(biāo)號(hào)較高的硅油；

對(duì)于超過(guò)250℃的常壓工況，需要考慮高溫硅油；在負(fù)壓或者真空，并且操作溫度超過(guò)190℃的工況，就需要特別注意了。

對(duì)于操作溫度超過(guò)300℃的工況，我們一般不建議使用法蘭膜片測(cè)量的方式，無(wú)論是可修理式焊接還是全焊接式。

工藝溫度超過(guò)300℃，就會(huì)引起硅油膨脹，當(dāng)超過(guò)硅油的汽化點(diǎn)，硅油就發(fā)生蒸發(fā)。可考慮導(dǎo)壓管或者磁致伸縮液位計(jì)。

對(duì)于真空高溫應(yīng)用場(chǎng)合，不推薦使用毛細(xì)管遠(yuǎn)傳方式。因?yàn)槊?xì)管會(huì)隨環(huán)境溫度的升高，而引起變送器的響應(yīng)時(shí)間延遲。建議使用全焊接直連法蘭型。

如果是190℃以內(nèi)的真空和負(fù)壓的工況下，選用毛細(xì)管在安裝時(shí)，必須保證變送器去最低取壓點(diǎn)位置在同一水平或低于最低取壓點(diǎn)。在選型時(shí)要注意，毛細(xì)管長(zhǎng)度要大于上下法蘭間距至少1米。

硅油密度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，熱脹冷縮也會(huì)引起膜盒作用力的變化，引起雙法蘭的測(cè)量誤差，比如冬天中午和晚上溫差很大，相對(duì)的誤差就較大，艾默生由此提出不等長(zhǎng)毛細(xì)管補(bǔ)償方案，不過(guò)還是建議等長(zhǎng)配置。如果采用不等長(zhǎng)配置，必須精確計(jì)算，否則可能帶來(lái)更大的誤差。

3、平衡容器式差壓液位計(jì)：

平衡容器式差壓液位計(jì)主要是由平衡容器（又稱為水位差壓轉(zhuǎn)換置）、壓力信號(hào)導(dǎo)管和差壓變送器三部分組成。平衡容器是作為測(cè)量汽水管路中的壓力用的.采用平衡容器為了防止壓力突變時(shí)導(dǎo)致引壓管內(nèi)的液柱隨之波動(dòng)，減小其測(cè)量水位時(shí)的誤差。

平衡容器分為單室平衡容器和雙室平衡容器。單室平衡容器本身沒(méi)有自我補(bǔ)償能力。雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙，具有一定自我補(bǔ)償能力的水位測(cè)量裝置。在基準(zhǔn)杯的上方有一個(gè)圓環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)將整個(gè)雙室平衡容器分隔成上下兩個(gè)部分，為了區(qū)別于單室平衡容器，故稱為雙室平衡容器。

單室：

單室平衡容器，其水面高度L是一定的，當(dāng)水面要增高時(shí)，水便通過(guò)汽側(cè)連通管溢流入密閉容器；要降低時(shí)，由蒸汽冷凝水來(lái)補(bǔ)充。因此當(dāng)平衡容器中的水密度一定時(shí)，正壓管壓力為定值，負(fù)壓管與密閉容器連通的，輸出壓力的變化反映了容器內(nèi)水位的變化。

現(xiàn)在單室平衡容器用的比較多，它把壓力與密度的關(guān)系、溫度與密度的關(guān)系等計(jì)算公式寫(xiě)入DCS系統(tǒng)，溫度和壓力變化后，由壓力變送器、溫度變送器把信號(hào)傳入DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算水位變化。測(cè)量前應(yīng)根據(jù)所測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，把平衡容器的堵頭拆開(kāi)，灌入冷水或其他液體作為隔離液。單室的平衡容器一般用來(lái)測(cè)量大型鍋爐的汽包液位或者壓力變化很大的容器。

雙室：

雙室平衡容器由內(nèi)外兩層容室構(gòu)成，平衡器的外層容室與鍋爐汽包的蒸汽相連且充滿了冷凝水；內(nèi)層容室經(jīng)平衡容器下側(cè)導(dǎo)壓管與鍋爐汽包的水相連，使用的是連通器原理，所以內(nèi)層容室水位高度隨汽包水位而變化。這樣結(jié)構(gòu)的雙層容器保證了外層容室的水溫基本相等，因而可以減少由于溫度不同所產(chǎn)生的測(cè)量誤差。當(dāng)水面高于平衡器上端導(dǎo)壓管時(shí)，水經(jīng)導(dǎo)壓管流入鍋爐汽包，使外層容室水位高度始終保持不變。內(nèi)層容室經(jīng)平衡器下側(cè)導(dǎo)壓管與鍋爐汽包水位相連，其水位高度隨汽包的水位變化而變化。如果蒸汽的壓力、溫度參數(shù)恒定時(shí)，差壓變送器的輸出信號(hào)僅與鍋爐汽包的水位有關(guān)。

雙室平衡容器機(jī)械的部分補(bǔ)償了壓力對(duì)水位測(cè)量的影響，在零水位及額定工況下較準(zhǔn)確，當(dāng)偏離零水位或額定壓力時(shí)，往往出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償。所以雙室平衡容器一般用來(lái)測(cè)小型鍋爐的汽包液位或者本身壓力變化不大的容器。

三、儀表防腐措施

儀表防腐措施：

在石油及化工行業(yè)，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生出大量腐蝕物質(zhì)。工藝過(guò)程使用的檢測(cè)儀表腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而大大降低了儀表使用壽命。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，腐蝕原因的存在，造成儀表故障率頻繁發(fā)生。企業(yè)通過(guò)經(jīng)常更換儀表，來(lái)保證生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，從而增加了企業(yè)運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本。化工行業(yè)應(yīng)用廣泛使用的防腐方法有：隔離法、防腐材料法、研制防腐傳感器、安裝耐腐閥門(mén)等，其中隔離方法是最常用的。

氣體隔離法：氣體隔離的原理是在檢測(cè)點(diǎn)與儀表檢測(cè)元件之間的導(dǎo)壓管內(nèi)充滿空氣，避免檢測(cè)的壓力介質(zhì)直接與儀表接觸，保護(hù)儀表不會(huì)被高壓力的被測(cè)介質(zhì)損壞。氣體隔離法也叫注氣保護(hù)法，在采用壓力變送器對(duì)低壓力或絕對(duì)壓力測(cè)量時(shí)采用。檢測(cè)點(diǎn)的壓力變化由導(dǎo)壓管內(nèi)的空氣傳感到儀表變送器內(nèi)，經(jīng)儀表敏感元件檢測(cè)得到結(jié)果。

液體隔離法：測(cè)量氯化氫氣、氧化氮?dú)?、氯氣等介質(zhì)時(shí)，用全氟三丁胺或者其它的隔離液充灌在隔離罐內(nèi)，將腐蝕介質(zhì)與檢測(cè)儀表的金屬零部件隔離起來(lái)。液體隔離法存在著一些弊端，比如增加液封就會(huì)出現(xiàn)液封介質(zhì)，被測(cè)介質(zhì)可能與液封介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而出現(xiàn)新的腐蝕問(wèn)題降低隔離效果。同時(shí)市場(chǎng)上隔離液價(jià)格普遍較貴、充灌方法麻煩、防腐效果并不好，在實(shí)際應(yīng)用中液體隔離法并沒(méi)有大量應(yīng)用。

膜片隔離：由于聚四氟乙烯有高潤(rùn)滑、耐高低溫、耐氣候老化、耐腐蝕、不粘附、張力小、摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，對(duì)多數(shù)化學(xué)溶劑和藥品有抵抗能力。因此，化工儀表的防腐隔離膜片由聚四氟乙烯構(gòu)成。具體應(yīng)用方法是，用聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯膜片粘附或噴涂在壓力變送器的波紋管上或壓力表彈簧管上，使得腐蝕介質(zhì)、傳感元件相隔離達(dá)到防腐目的。

每種隔離液的相對(duì)密度、粘度、蒸汽壓、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、閃點(diǎn)、性質(zhì)和用途都是不一樣的。根據(jù)所測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)選擇隔離液是非常重要的。選擇不合適的隔離液，輕則污染所測(cè)介質(zhì)，重則引發(fā)事故造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。

排除介質(zhì)與隔離液的化學(xué)反應(yīng)，同一種介質(zhì)在我國(guó)南方與北方所選擇的隔離液也會(huì)有很大差別。比如北方的冬季氣溫可降至零下15度以上，南方最低氣溫不到0度。在偏冷地區(qū)，應(yīng)選擇具備防凍能力的隔離液，最好以本地區(qū)歷年來(lái)最低溫度為基準(zhǔn)，另外再留有裕度。偏冷地區(qū)差壓變送器安裝時(shí)導(dǎo)壓管越短越好，另外根據(jù)需要對(duì)導(dǎo)壓管加保溫層。

對(duì)于易凍的儀表就要想辦法加蒸汽伴熱或者電伴熱，但是要保證伴熱蒸汽量和壓力，電伴熱在易燃易爆區(qū)域要考慮防爆。除此之外要加強(qiáng)巡檢，保證對(duì)每顆儀表的運(yùn)行狀態(tài)都能做到心中有數(shù)。

在受高溫介質(zhì)的影響下會(huì)導(dǎo)致隔離液蒸發(fā)或者揮發(fā)導(dǎo)致變送器差壓值的失真，除此之外隔離液受低溫介質(zhì)的影響會(huì)凝固或結(jié)晶，壓力無(wú)法正常傳遞給變送器。所以選擇合適的隔離液尤為重要。下表為常用隔離液的性質(zhì)及用途。

審核編輯：湯梓紅