浮筒液位計(jì)誤差分析及處理

（1.中石化股份天津分公司 煉油部，天津 300271；2.天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津 300060）

浮筒液位計(jì)誤差分析及處理

王鑫民1，朱文秀2

（1.中石化股份天津分公司 煉油部，天津 300271；2.天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津 300060）

本文簡(jiǎn)單介紹了浮筒液位計(jì)的分類(lèi)、測(cè)量原理及安裝規(guī)范，對(duì)其各種測(cè)量誤差的來(lái)源作出了詳細(xì)的分析，并針對(duì)各種測(cè)量誤差的特性，指出了它們的作用方式、影響范圍及程度，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的抑制及消除方法。

：測(cè)量；誤差；規(guī)范；誤差消除

0 引言

浮筒液位計(jì)可用于生產(chǎn)過(guò)程中的液位、界位及密度的測(cè)量，性能可靠、測(cè)量精度高、使用方便、長(zhǎng)周期穩(wěn)定性好，在石油化工領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，在使用過(guò)程中，不可避免的會(huì)存在各種因素所引起的誤差，這些誤差對(duì)儀表及生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和精確度都會(huì)產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重者甚至造成各種生產(chǎn)事故。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，本文從設(shè)計(jì)、制造、使用方式以及工作環(huán)境等各個(gè)方面闡述了消除誤差的理論及方法。

1 分類(lèi)

浮筒液位計(jì)分類(lèi)方式比較復(fù)雜，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13969-2008中的規(guī)定有以下幾種分類(lèi)方法。

1）按動(dòng)力源分為：氣動(dòng)式和電動(dòng)式。

2）按功能分為：變送型和變送、指示型。

3）按現(xiàn)場(chǎng)安裝及連接方式分為外浮筒式（側(cè)側(cè)法蘭安裝式、頂?shù)追ㄌm安裝式、頂側(cè)法蘭安裝式和側(cè)底法蘭安裝式）和內(nèi)浮筒式（頂置法蘭安裝式和側(cè)置法蘭安裝式）。

4）按工作條件分為：普通型、高溫型、低溫型、高壓型和防爆型。

2 測(cè)量原理

浮筒式液位計(jì)應(yīng)用的是阿基米德浮力定律——“浸在液體（或氣體）里的物體受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被該物體排開(kāi)的液體的重力”，公式為：F浮=G排=ρ液×g×V排[1]。當(dāng)液位或界位升高時(shí)，浸在液體中的浮筒體積增加，排開(kāi)液體的重力增加，浮筒所受浮力也相應(yīng)增大，然后由變送單元轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，測(cè)量及變送原理如下：

2.1位移平衡式浮筒液位計(jì)

此類(lèi)浮筒式液位計(jì)由浮筒、浮筒室、扭力管系統(tǒng)及顯示單元等部分組成，浮筒置于浮筒室內(nèi)的液體中，與扭力管系統(tǒng)剛性連接，扭力管系統(tǒng)受到的力是浮筒自身重量減去浮筒所受的浮力后的凈值，在該力作用下的扭力管會(huì)扭轉(zhuǎn)一定角度。浮筒室內(nèi)液體的密度、液位高低或界位高低的變化引起浮筒所受浮力變化，從而使扭管轉(zhuǎn)角也隨之變化[2]。該變化被傳遞到數(shù)字液位控制器內(nèi)的杠桿組件，使固定在杠桿組件上的磁鐵發(fā)生位移，繼而被霍爾元件感知并轉(zhuǎn)換為霍爾電勢(shì)。再經(jīng)相應(yīng)的電子線路及微處理器變換為4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，支持HART（FSK）等通信協(xié)議輸出。扭力管系統(tǒng)將浮筒測(cè)得的直線位移轉(zhuǎn)換成扭力管心軸的轉(zhuǎn)角位移，并將被測(cè)容器內(nèi)的高壓部分與外界低壓部分隔離開(kāi)。

圖1 位移平衡式浮筒液位計(jì)測(cè)量原理圖Fig.1 Displacement balance type float level gauge measuring principle diagram

圖2 浮筒液位計(jì)測(cè)量本安回路構(gòu)成圖Fig.2 The Ann circuit diagram of float liquid level gauge

2.2帶差動(dòng)變壓器式浮筒液位計(jì)

此類(lèi)浮筒液位計(jì)測(cè)量原理是：液位變化引起浮力的變化，然后作用在量程彈簧懸掛的浮筒上，從而帶動(dòng)LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器）的檢測(cè)芯做線性垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)LVDT檢測(cè)芯的位置隨著液位變化而變化時(shí)，LVDT的線性可變差動(dòng)變壓器內(nèi)的復(fù)卷繞組內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。這些信號(hào)經(jīng)電路處理并轉(zhuǎn)換為4～20mADC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。密封管在LVDT（差動(dòng)變壓器）和過(guò)程介質(zhì)之間起到隔離作用。

2.3力平衡式浮筒液位計(jì)

由于力平衡式浮筒液位計(jì)一般是與單元組合儀表配合使用，隨著單元組合儀表逐漸被新型智能儀表代替，其應(yīng)用也越來(lái)越少，不做詳細(xì)介紹。

3 安裝規(guī)范

為避免由于安裝不規(guī)范或安裝過(guò)程中的失誤造成儀表不必要的誤差，所以浮筒液位計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循各類(lèi)安裝規(guī)范：

1）浮筒液位計(jì)的取源部件的安裝位置，應(yīng)選在物位變化靈敏，且不使檢測(cè)元件受到物料沖擊的地方。

2）浮筒液面計(jì)的安裝高度應(yīng)使正常液位或分界液位處于浮筒中心，便于操作和維護(hù)。

3）浮筒應(yīng)垂直安裝，其垂直度允許偏差為2mm/m。

4）儀表的接地應(yīng)牢固、可靠，防爆型產(chǎn)品的安裝應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。本安系統(tǒng)的電纜敷設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源，以免影響儀表正常運(yùn)行及防爆性能。

4 誤差來(lái)源分析及處理方法

前面對(duì)浮筒式液位計(jì)的測(cè)量原理、分類(lèi)及安裝規(guī)范進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，下面以此為基礎(chǔ)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，判斷誤差來(lái)源及提出處理方法：

4.1準(zhǔn)確度與誤差

1）準(zhǔn)確度：測(cè)量值與被測(cè)量真值的一致程度，儀表精度等級(jí)依據(jù)準(zhǔn)確度高低來(lái)劃分。

2）絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值之差，即

3）相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比，即

4）引用誤差：絕對(duì)誤差與儀表量程之比，即

儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)式儀表按準(zhǔn)確度高低分成的等級(jí)，它決定儀表在標(biāo)準(zhǔn)條件下的誤差限，也就是儀表基本誤差的最大允許值。常見(jiàn)浮筒液位計(jì)的精度等級(jí)有：0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)和2.5級(jí)，對(duì)應(yīng)基本誤差限為±0.5%、±1.0%、±1.5%和±2.5%。

4.2設(shè)備本身原因造成的誤差

1）傳感系統(tǒng)

浮筒液位計(jì)傳感系統(tǒng)包括浮筒和浮筒室，對(duì)于同種型號(hào)的浮筒液位計(jì)，浮筒所受的最大浮力基本是一個(gè)定值。浮筒的長(zhǎng)度、外徑和壁厚之間的關(guān)系如下：

式中 D —— 浮筒外徑

d —— 浮筒內(nèi)徑

L —— 浮筒長(zhǎng)度

由于各種原因可能會(huì)造成產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，例如浮筒加工時(shí)內(nèi)、外徑有微小偏差，運(yùn)輸過(guò)程中磕碰使內(nèi)筒形狀發(fā)生變化，選型不合適等原因都會(huì)產(chǎn)生誤差，影響浮筒正常使用。

消除此類(lèi)誤差方法是做好前期準(zhǔn)備工作，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工藝條件選擇合適的型號(hào)，安裝之前仔細(xì)檢查完好情況，認(rèn)真做好單校工作并記錄備份，保證儀表最大基本誤

差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2）變送系統(tǒng)

浮筒液位計(jì)的變送系統(tǒng)包括扭力管系統(tǒng)和微處理器電路系統(tǒng)。隨著微電子技術(shù)及機(jī)械加工技術(shù)的日益完善，這部分產(chǎn)品的質(zhì)量越來(lái)越高，但仍會(huì)存在部分產(chǎn)品不合格或存在隱患等問(wèn)題。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，液位（或界位）從零位變化到最高位時(shí)浮筒的位移量非常微小，為0.01mm數(shù)量級(jí)，轉(zhuǎn)化為扭力管芯軸轉(zhuǎn)角大約在3°左右。而在把如此細(xì)小的位移量及轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的過(guò)程中很容易產(chǎn)生誤差。

消除此類(lèi)誤差的方法是安裝之前認(rèn)真做好單校工作，正、反行程各不少于0%、25%、50%、75%、100%5點(diǎn)，基本誤差不允許超過(guò)允許范圍，且回差在精度范圍之內(nèi)。如發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)及時(shí)更換相應(yīng)部件。

4.3測(cè)量回路中其他環(huán)節(jié)造成的誤差

4.3.1 信號(hào)線路的耦合干擾

浮筒液位計(jì)一般安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而DCS、PLC、SIS和CCS等控制系統(tǒng)則安置在離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)。二者之間有一段很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，在傳輸過(guò)程中信號(hào)很容量受到干擾，導(dǎo)致畸變或失真。此類(lèi)干擾主要有：傳輸線周?chē)臻g電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)線的電磁感應(yīng)干擾、兩條或兩條以上信號(hào)線通過(guò)線間分布電容和互感而形成的線間干擾等。

4.3.2 接地系統(tǒng)干擾

當(dāng)儀表系統(tǒng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地線時(shí)，尤其是在數(shù)字電路和模擬電路共地時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互影響的噪聲干擾信號(hào)。數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，即使接地電阻做的很小，數(shù)字電路也會(huì)在其兩端形成較高電壓，從而使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。假設(shè)接地電阻R1=0.1Ω，入地電流為2A，則在R1上將產(chǎn)生一個(gè)0.1×2=0.2V的電壓降，這將導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)長(zhǎng)期高于實(shí)際信號(hào)0.2V，如果是1～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，則會(huì)造成0.5/（5-1）×100%=12.5%的誤差，這在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中是絕對(duì)不允許的。

4.3.3 本安關(guān)聯(lián)設(shè)備及控制系統(tǒng)造成的誤差

由本安關(guān)聯(lián)設(shè)備及控制系統(tǒng)造成的誤差一般比較小，受設(shè)備及系統(tǒng)本身精度決定。解決由回路各環(huán)節(jié)引起的誤差，需要在設(shè)計(jì)時(shí)選用合適的設(shè)備及系統(tǒng)，嚴(yán)格按照施工規(guī)范施工，認(rèn)真做好回路聯(lián)校工作，及時(shí)更換不合理環(huán)節(jié)。

4.4生產(chǎn)過(guò)程中誤差分析

在正常的使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到以下情況，給測(cè)量帶來(lái)誤差：

4.4.1 浮筒破裂

浮筒破裂時(shí)，F(xiàn)浮逐漸減小，則由F=G筒-F浮可知扭力管所受扭力逐漸增大，浮筒液位計(jì)指示逐漸減小，最終指示最小。需要及時(shí)修復(fù)或更換浮筒。

4.4.2 浮筒脫落

當(dāng)浮筒脫落時(shí)，扭力管所受扭力始終為0，此時(shí)浮筒液位計(jì)指示為最大。

4.4.3 雜質(zhì)附著于浮筒上

當(dāng)工藝介質(zhì)含有雜質(zhì)或介質(zhì)較為粘稠時(shí)，常出現(xiàn)雜質(zhì)附著于浮筒上的現(xiàn)象造成測(cè)量誤差，嚴(yán)重者造成掛壁，無(wú)法正常使用。由F浮=G排=ρ液×g×V排可知：

當(dāng)雜質(zhì)密度小于介質(zhì)密度即ρ雜＜ρ液時(shí)，雜質(zhì)所受浮力大于重力而導(dǎo)致扭力管所受扭力F減小，浮筒指示偏大。

當(dāng)雜質(zhì)密度小于介質(zhì)密度即ρ雜＞ρ液時(shí)，雜質(zhì)所受浮力小于重力而導(dǎo)致扭力管所受扭力F增大，浮筒指示偏小。

當(dāng)雜質(zhì)密度小于介質(zhì)密度即ρ雜=ρ液時(shí)，雜質(zhì)所受浮力等于重力而導(dǎo)致扭力管所受扭力F不變，浮筒指示不變。

解決此類(lèi)問(wèn)題，需要做到以下幾點(diǎn)：

1）增加保溫伴熱系統(tǒng)，伴熱最好選用蒸汽伴熱（包括扭力管處）。

2）浮筒加上下排污閥，必要時(shí)引入密閉排放系統(tǒng)，方便沖洗清潔。

3）每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次沖洗排污操作，并用蒸汽吹掃，要求儀表與工藝人員緊密配合，做好防護(hù)工作。

4）加強(qiáng)巡檢，做好該部位的日常檢查工作。

4.4.4 介質(zhì)密度發(fā)生變化

正常生產(chǎn)過(guò)程中，原料成分波動(dòng)、更換流程等操作可能會(huì)導(dǎo)致工藝介質(zhì)發(fā)生變化，此時(shí)浮筒液位計(jì)指示無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)直讀式液位計(jì)一致，這是正常現(xiàn)象，此時(shí)不應(yīng)對(duì)浮筒液位計(jì)進(jìn)行重新校驗(yàn)及修零等操作，否則將導(dǎo)致儀表無(wú)法正常使用。

例如一臺(tái)測(cè)量介質(zhì)密度為1.0g/cm3的浮筒液位計(jì)，在某操作條件下介質(zhì)密度變化為0.9g/cm3時(shí)，由于儀表默認(rèn)密度為ρ1=1.0g/cm3，由公式ρ1gh1=ρ2gh2進(jìn)行推算，則：h2=h1*ρ1/ρ2，測(cè)量誤差為：δ=(h2-h1)/h1*100%=10%，可見(jiàn)密度的變化將造成較大的誤差。

解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，不可盲目更改儀表量程或盲目重新校驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)與工藝協(xié)商，處理好設(shè)計(jì)密度與使用密度，理論密度與實(shí)際密度之間的關(guān)系。無(wú)法確定時(shí)應(yīng)將介質(zhì)取樣化驗(yàn)并與設(shè)計(jì)密度比對(duì)，確認(rèn)密度存在誤差時(shí)，應(yīng)由相關(guān)負(fù)責(zé)人員確認(rèn)后方能對(duì)浮筒液位計(jì)重新標(biāo)定。

4.4.5 連接部位不牢固

浮筒液位計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、精細(xì)，精度要求較高，在安裝及使用過(guò)程中應(yīng)保證相關(guān)連接部位的完好。尤其在開(kāi)工過(guò)程中經(jīng)常遇到浮筒液位計(jì)兩點(diǎn)標(biāo)定后示數(shù)亂跑的現(xiàn)象，且誤差較大，在-2000%～4000%范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律跳變，此時(shí)應(yīng)檢查扭力管及差動(dòng)變壓器與浮筒連接部位的完好性及鎖緊螺母是否處于鎖緊狀態(tài)，如有情況及時(shí)處理。

4.4.6 環(huán)境溫度的影響

浮筒液位計(jì)正常工作環(huán)境溫度按GB/T 17214.1-1998的規(guī)定分別為：

B2：5℃～40℃

C2：-25℃～+55℃

C3：-40℃～+70℃

當(dāng)環(huán)境溫度在以上規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度每改變10℃，儀表的輸出信號(hào)變化量不應(yīng)超過(guò)式（3）的計(jì)算值：

式中：

Δ——環(huán)境溫度變化引起的輸出信號(hào)變化的百分?jǐn)?shù)；

α——溫度系數(shù)（%/10℃）；

t1——15℃～35℃范圍內(nèi)的實(shí)際溫度值，單位為攝氏度（℃）；

t2——-25℃～+55℃（-40℃～+70℃或5℃～40℃）范圍內(nèi)的溫度值，單位為（℃）。

常見(jiàn)電動(dòng)式浮筒液位計(jì)的溫度系數(shù)見(jiàn)表1。

4.4.7 扭力管心軸彎曲

當(dāng)浮筒液位計(jì)扭力管心軸彎曲時(shí)，儀表上下行程將會(huì)有嚴(yán)重的回差。此時(shí)應(yīng)視情況維修或更換扭力管。

4.4.8 工作現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)

當(dāng)工作現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致浮筒液位計(jì)指示跳變，影響儀表的正常使用。應(yīng)在設(shè)計(jì)及選型時(shí)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工況，選擇抗震部件，并做好相應(yīng)抗震措施。

表1 溫度系數(shù)表Table1 Temperature coefficient table

5 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了浮筒液位計(jì)的分類(lèi)、測(cè)量原理及安裝規(guī)范，分析了浮筒液位計(jì)在測(cè)量過(guò)程中的誤差來(lái)源及特性，并有針對(duì)性的提出了解決方法。隨著浮筒液位計(jì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的推廣以及先進(jìn)控制思想的普及，相信這些誤差將會(huì)得到更加完善的處理。

[1]劉根元．儀表維修工[M]．北京：中國(guó)石化出版社．

[2]上海星申儀表有限公司．LC3010系列智能電浮筒變送器使用說(shuō)明書(shū)[M/CD]．

中國(guó)石油天然氣地面工程物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及儀表自動(dòng)化技術(shù)研討會(huì)圓滿落幕

本刊訊（魯遠(yuǎn)航報(bào)道）2014年11月20-21日，由中國(guó)石油學(xué)會(huì)地面工程部主辦，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)產(chǎn)品信息工作委員會(huì)協(xié)辦的“中國(guó)石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)及儀表自動(dòng)化技術(shù)研討會(huì)”在福山油田召開(kāi)。來(lái)自16家油氣田、相關(guān)設(shè)計(jì)單位以及與中石油有密切合作的中外知名廠商的專(zhuān)家參加了這次研討會(huì)。本次會(huì)議共安排了20個(gè)大會(huì)報(bào)告。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目組做了項(xiàng)目建設(shè)總體報(bào)告。南方、西南、吐哈、大慶、青海、新疆、塔里木等7家示范工程建設(shè)單位做了建設(shè)情況報(bào)告；長(zhǎng)慶、大港、冀東、吉林等4家油田介紹了本油田在數(shù)字化建設(shè)方面的情況及信息化管理的成效；中油瑞飛、浙大中控、中興通訊、北京安控、青島多芬諾等5家公司介紹了本公司的特色技術(shù)、產(chǎn)品以及用于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的解決方案；霍尼韋爾、羅克韋爾兩家國(guó)際知名公司介紹了本公司的最新技術(shù)和國(guó)際最佳實(shí)踐。會(huì)議征集學(xué)術(shù)論文47篇，并評(píng)選出優(yōu)秀論文。與會(huì)代表還實(shí)地考察福山油田示范工程建設(shè)情況及應(yīng)用效果。王國(guó)麗、孟憲杰、龔仁彬、夏靜森、紀(jì)紅主持大會(huì)。班興安作大會(huì)總結(jié)。

本次大會(huì)促進(jìn)了中國(guó)石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)與管理水平。

Error analysis and processing for Float liquid level gauge

Wang Xinmin，ZhuWenxiu
（1. shares of Sinopec Tianjin Branch, Tianjin 300271,China;2. industrial automatic instrument Institute in Tianjin, Tianjin 300060,China）

The category, measure principle and construction specification has been introduced in this article, and it analyzed the origin of errors in detail, then pointd out their impact, range and degree, and errors elimination methods based on the features of these errors.

measure,error,specification,errors elimination

中國(guó)石油天然氣地面工程物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及儀表自動(dòng)化技術(shù)研討會(huì)會(huì)場(chǎng)

參會(huì)專(zhuān)家

TH

A

1671-1041(2014)06-00018-04

2014-10-09

王鑫民（1958-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事儀表自動(dòng)化工作。