基于密度補(bǔ)償?shù)碾p法蘭液位計(jì)測(cè)量修正

劉廣韜

（萬(wàn)華化學(xué)（蓬萊）有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

差壓液位計(jì)作為液位測(cè)量?jī)x表中最為常見的一種方式，在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。由于其精度高，穩(wěn)定性好，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，量程范圍和零點(diǎn)的連續(xù)可調(diào)性等特點(diǎn)，使其成為當(dāng)前化工裝置中應(yīng)用最為廣泛的液位測(cè)量方式[1]。其利用連通器原理，使得變送器高壓側(cè)、低壓側(cè)法蘭分別與設(shè)備液相和氣相聯(lián)通，利用液相作用設(shè)備管壁的壓力，通過(guò)毛細(xì)管、密封膜盒、差壓變送器等儀表設(shè)備進(jìn)行差壓的傳輸和測(cè)量。變送器內(nèi)通過(guò)傳感膜片產(chǎn)生位移量的變化，將對(duì)應(yīng)的壓力變化轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的儀表測(cè)量信號(hào)（一般常用DC 4mA ～DC 20mA）傳輸給相應(yīng)的控制系統(tǒng)，在監(jiān)控畫面進(jìn)行顯示或其他功能。本文探討通過(guò)對(duì)差壓雙法蘭液位計(jì)的實(shí)時(shí)密度補(bǔ)償，從而消除工況介質(zhì)密度變化造成測(cè)量偏差的問(wèn)題，列舉的幾個(gè)經(jīng)典案例都是在相應(yīng)化工裝置實(shí)際應(yīng)用中取得真實(shí)效果的。通過(guò)可靠的密度補(bǔ)償方式，消除了液位實(shí)際測(cè)量誤差。

1 雙法蘭差壓液位計(jì)原理

雙法蘭差壓液位變送器通常由差壓變送器、密封膜片法蘭和帶填充液的毛細(xì)管組成。根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的物料性質(zhì)和使用工況，其密封膜片可采用平膜片或插入式膜片（高粘度，易結(jié)焦，易聚合或其他臟污介質(zhì)），另還可配帶沖洗環(huán)等附件。無(wú)論采用何種膜片和附件形式，其原理都是一樣的。雙法蘭差壓液位計(jì)的測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量液位壓力差從而測(cè)量液位。根據(jù)公式P=ρ×g×H（1），從而得出H=P÷ρ÷g（2）。其中，P——變送器測(cè)得的壓差，單位：kpa；ρ——容器內(nèi)介質(zhì)密度，單位：kg/m3；g：當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籋——被測(cè)介質(zhì)實(shí)際液面高度，單位：m。

實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝情況等限制，無(wú)法滿足雙法蘭變送器的正、負(fù)法蘭膜盒與變送器感壓原件在同一水平面。為此還需要考慮到雙法蘭液位計(jì)的遷移情況，根據(jù)其原理的計(jì)算公式，無(wú)論變送器安裝位置如何（雙法蘭液位計(jì)安裝于正負(fù)壓側(cè)之間，雙法蘭液位計(jì)安裝于負(fù)壓側(cè)上方，雙法蘭液位計(jì)安裝于正壓側(cè)下方），其量程和零點(diǎn)遷移量是固定的[2]。

當(dāng)液位處于最低點(diǎn)時(shí)，P=-ρ1×g×H2（3）。其中，ρ1——填充液密度，單位：kg/m3；通常為硅油或者氟油，H2——雙法蘭間距，單位：m。當(dāng)液位處于最高點(diǎn)時(shí)，P=(ρ-ρ1)×g×H2（4）。由此可見，影響雙法蘭液位測(cè)量準(zhǔn)確性的兩個(gè)參數(shù)就是兩個(gè)密度[3]。而填充液一般化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)穩(wěn)定，除極端情況下選型失誤外，其受環(huán)境溫度影響不大，此處可以認(rèn)為是常數(shù)?？傻贸觯河绊戨p法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)就是ρ1（容器內(nèi)測(cè)量介質(zhì)密度）的不確定變化性。而這種變化在反應(yīng)器、反應(yīng)塔等設(shè)備中，隨著工藝反應(yīng)出現(xiàn)了諸多不確定性，從而對(duì)液位測(cè)量帶來(lái)巨大偏差，甚至造成變送器測(cè)量超出有效量程范圍，儀表無(wú)法正常使用等情況。

2 密度測(cè)量修正方法

通過(guò)上述雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量原理以及推導(dǎo)公式可知，對(duì)于容器內(nèi)介質(zhì)密度的測(cè)量、修正是補(bǔ)償雙法蘭液位原理缺陷的重要方法之一。由于雙法蘭差壓變送器的量程無(wú)法跟隨被測(cè)介質(zhì)密度變化而實(shí)時(shí)變化，因而進(jìn)行被測(cè)介質(zhì)的密度補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)其測(cè)量原理缺陷是一種有效辦法。可以認(rèn)為，密度測(cè)量的準(zhǔn)確性在某種程度上直接影響了雙法蘭液位計(jì)測(cè)量的可靠性。密度測(cè)量有多種方式，工業(yè)生產(chǎn)中常用方式有：輻射式、超聲波式、差壓式等?？紤]成本原因和被測(cè)容器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，盡量減少儀表投入和設(shè)備變動(dòng)。本次探討的兩種密度補(bǔ)償方式為直接法和間接法。直接法可通過(guò)密度計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等方式直接測(cè)出介質(zhì)密度進(jìn)行液位修正，間接法則另可通過(guò)增設(shè)一對(duì)雙法蘭差壓表，或單法蘭壓力表（常壓容器）進(jìn)行密度換算。

2.1 直接測(cè)量密度

可在容器設(shè)備上增加密度計(jì)，直接測(cè)量容器內(nèi)介質(zhì)的密度變化，或?qū)⒚芏扔?jì)安裝在容器進(jìn)/出口管線上，減少容器開口。通過(guò)遠(yuǎn)傳信號(hào)傳入到控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，用以對(duì)雙法蘭液位計(jì)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的液位測(cè)量參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償轉(zhuǎn)化。通常，雙法蘭差壓液位計(jì)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)常用百分?jǐn)?shù)顯示（不同生產(chǎn)單位要求不同），通過(guò)對(duì)其原理公式進(jìn)行換算可得出：X=H÷H2×100%=100%×P1÷ρ2÷g÷H2（5）。其中，X——未修正的液位測(cè)量值，單位：%；ρ2——雙法蘭差壓液位計(jì)的初始密度設(shè)定值（被測(cè)介質(zhì)的初始密度），單位：kg/m3；P1——雙法蘭實(shí)測(cè)的差壓值，單位：kpa；通過(guò)密度計(jì)等測(cè)量手段直接測(cè)得的容器介質(zhì)密度為ρ3，單位：kg/m3。由此可以推導(dǎo)出實(shí)際的液位H=P1÷g÷ρ3（6），公式（6）帶入到公式（5），從而得出X1=X×ρ3÷ρ2（7）。其中，X1——密度修正后的液位測(cè)量值，單位：%。通過(guò)公式可以看出，用于DCS 有效使用的液位顯示X1 是一個(gè)只與測(cè)量密度ρ3，原始設(shè)定密度ρ2 和雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量值X 有關(guān)的參數(shù)。無(wú)論被測(cè)介質(zhì)密度如何變化，通過(guò)密度計(jì)測(cè)得的有效密度均能對(duì)此部分變化進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。此種方法也可以利用設(shè)備容器出口的流量計(jì)選型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選擇具有密度輸出的質(zhì)量流量計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量密度的同時(shí)，減少儀表設(shè)備的增加。

2.2 間接測(cè)量密度

間接測(cè)量密度可采用增加雙法蘭差壓表或單法蘭壓力表（本文以增加雙法蘭差壓表為例），進(jìn)行密度折算。這種方法雖然前期投入較大，并且需要設(shè)備增加儀表開口。但是雙法蘭測(cè)量密度的優(yōu)勢(shì)可以認(rèn)為是測(cè)量容器內(nèi)物料的“平均密度”，更能有效地對(duì)液位測(cè)量進(jìn)行整體修正。相比較單點(diǎn)式的密度計(jì)，差壓法測(cè)量密度更為簡(jiǎn)單、可靠和精準(zhǔn)，能夠克服單點(diǎn)密度計(jì)受介質(zhì)不均勻等其他物理因素的影響。該方法的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，是以物理學(xué)中的液體壓強(qiáng)計(jì)算公式為基礎(chǔ)[4]，推導(dǎo)出密度計(jì)算，可參考公式（1），并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行差壓液位計(jì)的密度修正，如圖1 所示。

圖1 間接密度測(cè)量補(bǔ)償液位原理圖Fig.1 Schematic diagram of indirect density measurement compensation liquid level

差壓密度計(jì)側(cè)有：ρ3=P2÷g÷H3（8）。其中，P2——差壓密度計(jì)的實(shí)測(cè)壓力，單位：kpa；H3——密度計(jì)雙法蘭間距，單位：m。將公式（8）帶入到公式（6）和公式（5）中得出：X1=X×ρ2×g×H3÷P2（9）。由此得到的是一個(gè)與被測(cè)介質(zhì)實(shí)際密度無(wú)關(guān)的計(jì)算公式，只要保證用于密度測(cè)量的差壓表P2 和用于液位測(cè)量的雙法蘭液位計(jì)X 兩個(gè)變量測(cè)量的準(zhǔn)確性，即可有效地修正密度偏差[5]。但是，該方法雖然在測(cè)量和補(bǔ)償精度上具有原理優(yōu)勢(shì)，但仍舊存在使用的局限性。從圖2 原理圖可以看出，只有當(dāng)容器內(nèi)實(shí)際液位大于H3，即為密度計(jì)雙法蘭間距時(shí)，推導(dǎo)公式才有效。只有在用于密度測(cè)量的雙法蘭差壓表的高壓側(cè)、低壓側(cè)都能感受到被測(cè)介質(zhì)時(shí)，此時(shí)的密度計(jì)才能有效通過(guò)差壓來(lái)進(jìn)行密度推算[6]。當(dāng)實(shí)際液位不能滿足該公式成立條件時(shí)，需要人為進(jìn)行密度定值修正，這是該方法使用時(shí)需要注意的地方。

圖2 直接密度測(cè)量補(bǔ)償液位原理圖Fig.2 Schematic diagram of direct density measurement compensation liquid level

3 應(yīng)用舉例

3.1 直接測(cè)量法

該案例應(yīng)用是在設(shè)備容器出口管線的質(zhì)量流量計(jì)增加密度遠(yuǎn)傳輸出功能，通過(guò)密度傳輸?shù)紻CS，并由DCS 實(shí)現(xiàn)液位的修正，如圖2 所示。

圖3為實(shí)際應(yīng)用中的DCS 數(shù)據(jù)記錄，該案例應(yīng)用于某固定管殼式反應(yīng)器中。曲線A 為密度修正后的液位，單位：%；曲線B 為密度修正后液位折算值-未修正前雙法蘭液位示值，單位：%；曲線C 為雙法蘭液位計(jì)實(shí)際測(cè)量值，單位：%；曲線D 為反應(yīng)器進(jìn)料量，單位：t/h；曲線E 為反應(yīng)器重相采出密度，單位：kg/cm3。原料以及產(chǎn)物均為液態(tài)，催化劑固定在列管內(nèi)，因此反應(yīng)器在日常生產(chǎn)中處于“升溫”狀態(tài)，以保證反應(yīng)效率。液態(tài)產(chǎn)物在反應(yīng)器下部分層，分為重相、輕相兩種狀態(tài)。伴隨反應(yīng)的進(jìn)行，重相、輕相兩種產(chǎn)物無(wú)固定比例關(guān)系，因此整個(gè)產(chǎn)品混合物密度處于不斷變化中。同時(shí)，伴隨后期反應(yīng)器催化劑活性的逐漸降低，由此帶來(lái)的液位測(cè)量最大偏差可達(dá)到5%～8%，這對(duì)工藝操作是特別不利的。造成工藝人員頻繁人工干預(yù)反應(yīng)進(jìn)料、出料系統(tǒng)，相關(guān)控制回路無(wú)法投入自動(dòng)。即使投入自動(dòng)狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位同DCS 顯示液位偏差巨大，無(wú)實(shí)際控制意義。為此，在該反應(yīng)器重相、輕相采出管線的流量計(jì)選用帶有密度輸出的質(zhì)量流量計(jì)。將重相、輕相密度實(shí)時(shí)傳輸?shù)紻CS 進(jìn)行液位修正，克服了重相、輕相比重不斷變化，密度不恒定的干擾，保證其測(cè)量液位貼近真實(shí)情況。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，具有一定的推廣意義。

圖3 直接密度測(cè)量法歷史趨勢(shì)圖Fig.3 Historical run chart of direct density measurement method

3.2 間接測(cè)量法

間接測(cè)量法的實(shí)際應(yīng)用同上述原理圖相似。數(shù)據(jù)記錄如圖4 所示。曲線A 為雙法蘭液位計(jì)實(shí)際測(cè)量值，單位：%；曲線B 為用于密度測(cè)量雙法蘭差壓表差壓測(cè)量值，單位kpa；曲線C 為密度修正后的液位，單位：%；曲線D為密度修正后液位折算值-未修正前雙法蘭液位示值，單位：%。

圖4 間接密度測(cè)量法歷史趨勢(shì)圖Fig.4 Historical run chart of indirect density measurement method

間接測(cè)量法案例應(yīng)用于某氧化反應(yīng)器（常規(guī)工況：0.28MPa，60℃），原料分別為空氣（多臺(tái)空壓機(jī)供給）以及工作液（0.93kg/m3），反應(yīng)產(chǎn)物為某強(qiáng)氧化劑。工作液自反應(yīng)器頂部進(jìn)入，空氣自反應(yīng)器底部進(jìn)入。伴隨著空氣進(jìn)料量的變化，以及反應(yīng)器內(nèi)氣液共存、共反應(yīng)情況，造成反應(yīng)器內(nèi)密度的實(shí)時(shí)變化。從歷史趨勢(shì)可以看出，當(dāng)進(jìn)料量發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，或是反應(yīng)初期，反應(yīng)不充分等工況下，容器內(nèi)的密度變化較大，從而導(dǎo)致液位偏差較大，最大偏差可到12%左右。本次應(yīng)用通過(guò)增設(shè)一個(gè)雙法蘭差壓密度計(jì)，采用在線密度測(cè)量的方式進(jìn)行液位修正。如圖4 所示趨勢(shì)，是差壓液位能夠有效折算密度后的狀態(tài)。密度計(jì)差壓示值變化即為容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)密度的變化趨勢(shì)，可以有效在線避免工況劇烈變化帶來(lái)的液位影響，實(shí)際應(yīng)用效果顯著。

4 注意事項(xiàng)

4.1 組態(tài)優(yōu)化

無(wú)論是采用直接測(cè)量還是間接測(cè)量密度方法進(jìn)行修正，最終得出的推導(dǎo)公式都需要在控制系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行計(jì)算。從上述公式中可以看出，計(jì)算因果中存在除法關(guān)系。這就需要在組態(tài)時(shí)進(jìn)行合理規(guī)避，要避免出現(xiàn)“除以0”的問(wèn)題。對(duì)于大部分控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，例如ECS700、TRICON 等主流控制系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)除數(shù)為0，容易出現(xiàn)算法錯(cuò)誤，甚至CPU 停止的情況。而對(duì)于間接測(cè)量密度時(shí)，當(dāng)差壓密度計(jì)不具備測(cè)量條件時(shí)，可以利用控制系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行有效判定、規(guī)避，對(duì)推導(dǎo)公式變量進(jìn)行賦值等方式。在間接測(cè)量密度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用中，還需要避免一種極端情況——液位降低過(guò)程。因?yàn)槊芏扔?jì)差壓測(cè)量值處于公式中“除數(shù)”位置，液面下降至密度計(jì)上法蘭口以后，密度差壓測(cè)量值會(huì)跟隨減少，導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算公式可能結(jié)果增大，與實(shí)際液位變化趨勢(shì)相反。整個(gè)液位變化趨勢(shì)可能出現(xiàn)：下降、突升、恢復(fù)下降。而這個(gè)突升過(guò)程就是一個(gè)虛假的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)也需要在控制系統(tǒng)組態(tài)內(nèi)進(jìn)行組態(tài)干預(yù)。

4.2 密度測(cè)量過(guò)程優(yōu)化

采用直接測(cè)量密度的方法時(shí)要選好測(cè)量點(diǎn)位置，要求測(cè)量的密度能夠?qū)嶋H反映介質(zhì)內(nèi)密度變化，不能存在死區(qū)、滯后等問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算公式可以看出，修正后的液位指示與被測(cè)密度存在單函數(shù)關(guān)系，這就需要密度測(cè)量要在液位建立之前就能有效測(cè)量。如果密度計(jì)的測(cè)量點(diǎn)高于雙法蘭液位計(jì)正壓測(cè)位置，就容易帶來(lái)附加偏差，導(dǎo)致實(shí)際有液位，而修正后液位偏差過(guò)大，甚至不顯示等情況。采用間接測(cè)量密度方法時(shí)，要根據(jù)容器液位建立條件進(jìn)行位置選擇，應(yīng)確保密度計(jì)雙法蘭測(cè)量點(diǎn)低于容器內(nèi)實(shí)際液位。

5 結(jié)論

通過(guò)原理推導(dǎo)以及實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，基于密度補(bǔ)償形式的雙法蘭差壓液位計(jì)能夠有效修正容器內(nèi)介質(zhì)密度頻繁變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，彌補(bǔ)了差壓式雙法蘭液位計(jì)的測(cè)量弊端。在保證雙法蘭原有測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)的前提下，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，提高了工藝的自動(dòng)控制水平，以及安全聯(lián)鎖的可靠性。

本文所述的兩種密度補(bǔ)償方式都是通過(guò)液位計(jì)以外的測(cè)量手段進(jìn)行測(cè)量和修正的，這也為諸多雙法蘭差壓液位計(jì)廠家?guī)?lái)新的思路。傳統(tǒng)的差壓液位計(jì)在常規(guī)使用上已經(jīng)無(wú)法滿足廣大客戶的特殊要求，一種自帶密度測(cè)量，甚至表頭實(shí)現(xiàn)密度折算的雙法蘭差壓液位計(jì)將有可能會(huì)是近幾年各大變送器廠家的主要研究方向，在能有效解決差壓、密度一體化測(cè)量補(bǔ)償方式的同時(shí)，密度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ诓顗菏揭何挥?jì)上也會(huì)有更大的突破。