浮筒液位计误差分析及处理

2014-03-25

仪器仪表用户 2014年6期

关键词：浮筒扭力液位计

（1.中石化股份天津分公司炼油部，天津 300271；2.天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津 300060）

浮筒液位计误差分析及处理

王鑫民1，朱文秀2

（1.中石化股份天津分公司炼油部，天津 300271；2.天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津 300060）

本文简单介绍了浮筒液位计的分类、测量原理及安装规范，对其各种测量误差的来源作出了详细的分析，并针对各种测量误差的特性，指出了它们的作用方式、影响范围及程度，在此基础上提出相应的抑制及消除方法。

：测量；误差；规范；误差消除

0 引言

浮筒液位计可用于生产过程中的液位、界位及密度的测量，性能可靠、测量精度高、使用方便、长周期稳定性好，在石油化工领域得到了越来越广泛的应用。但是，在使用过程中，不可避免的会存在各种因素所引起的误差，这些误差对仪表及生产过程的稳定性和精确度都会产生不良影响，严重者甚至造成各种生产事故。针对此类问题，本文从设计、制造、使用方式以及工作环境等各个方面阐述了消除误差的理论及方法。

1 分类

浮筒液位计分类方式比较复杂，按照国家标准GB/T 13969-2008中的规定有以下几种分类方法。

1）按动力源分为：气动式和电动式。

2）按功能分为：变送型和变送、指示型。

3）按现场安装及连接方式分为外浮筒式（侧侧法兰安装式、顶底法兰安装式、顶侧法兰安装式和侧底法兰安装式）和内浮筒式（顶置法兰安装式和侧置法兰安装式）。

4）按工作条件分为：普通型、高温型、低温型、高压型和防爆型。

2 测量原理

浮筒式液位计应用的是阿基米德浮力定律——“浸在液体（或气体）里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力”，公式为：F浮=G排=ρ液×g×V排[1]。当液位或界位升高时，浸在液体中的浮筒体积增加，排开液体的重力增加，浮筒所受浮力也相应增大，然后由变送单元转化为标准信号输出，测量及变送原理如下：

2.1位移平衡式浮筒液位计

此类浮筒式液位计由浮筒、浮筒室、扭力管系统及显示单元等部分组成，浮筒置于浮筒室内的液体中，与扭力管系统刚性连接，扭力管系统受到的力是浮筒自身重量减去浮筒所受的浮力后的净值，在该力作用下的扭力管会扭转一定角度。浮筒室内液体的密度、液位高低或界位高低的变化引起浮筒所受浮力变化，从而使扭管转角也随之变化[2]。该变化被传递到数字液位控制器内的杠杆组件，使固定在杠杆组件上的磁铁发生位移，继而被霍尔元件感知并转换为霍尔电势。再经相应的电子线路及微处理器变换为4～20mADC标准信号，支持HART（FSK）等通信协议输出。扭力管系统将浮筒测得的直线位移转换成扭力管心轴的转角位移，并将被测容器内的高压部分与外界低压部分隔离开。

图1 位移平衡式浮筒液位计测量原理图Fig.1 Displacement balance type float level gauge measuring principle diagram

图2 浮筒液位计测量本安回路构成图Fig.2 The Ann circuit diagram of float liquid level gauge

2.2带差动变压器式浮筒液位计

此类浮筒液位计测量原理是：液位变化引起浮力的变化，然后作用在量程弹簧悬挂的浮筒上，从而带动LVDT（线性可变差动变压器）的检测芯做线性垂直运动。当LVDT检测芯的位置随着液位变化而变化时，LVDT的线性可变差动变压器内的复卷绕组内产生了感应电压。这些信号经电路处理并转换为4～20mADC的标准电流信号输出。密封管在LVDT（差动变压器）和过程介质之间起到隔离作用。

2.3力平衡式浮筒液位计

由于力平衡式浮筒液位计一般是与单元组合仪表配合使用，随着单元组合仪表逐渐被新型智能仪表代替，其应用也越来越少，不做详细介绍。

3 安装规范

为避免由于安装不规范或安装过程中的失误造成仪表不必要的误差，所以浮筒液位计在安装时应严格遵循各类安装规范：

1）浮筒液位计的取源部件的安装位置，应选在物位变化灵敏，且不使检测元件受到物料冲击的地方。

2）浮筒液面计的安装高度应使正常液位或分界液位处于浮筒中心，便于操作和维护。

3）浮筒应垂直安装，其垂直度允许偏差为2mm/m。

4）仪表的接地应牢固、可靠，防爆型产品的安装应当严格按照《中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程》的有关规定进行。本安系统的电缆敷设应远离干扰源，以免影响仪表正常运行及防爆性能。

4 误差来源分析及处理方法

前面对浮筒式液位计的测量原理、分类及安装规范进行了较为详细的说明，下面以此为基础对现场应用中存在的问题进行分析，判断误差来源及提出处理方法：

4.1准确度与误差

1）准确度：测量值与被测量真值的一致程度，仪表精度等级依据准确度高低来划分。

2）绝对误差：测量值与被测量真值之差，即

3）相对误差：绝对误差与被测量真值之比，即

4）引用误差：绝对误差与仪表量程之比，即

仪表的准确度等级式仪表按准确度高低分成的等级，它决定仪表在标准条件下的误差限，也就是仪表基本误差的最大允许值。常见浮筒液位计的精度等级有：0.5级、1.0级、1.5级和2.5级，对应基本误差限为±0.5%、±1.0%、±1.5%和±2.5%。

4.2设备本身原因造成的误差

1）传感系统

浮筒液位计传感系统包括浮筒和浮筒室，对于同种型号的浮筒液位计，浮筒所受的最大浮力基本是一个定值。浮筒的长度、外径和壁厚之间的关系如下：

式中 D —— 浮筒外径

d —— 浮筒内径

L —— 浮筒长度

由于各种原因可能会造成产品无法达到理想状态，例如浮筒加工时内、外径有微小偏差，运输过程中磕碰使内筒形状发生变化，选型不合适等原因都会产生误差，影响浮筒正常使用。

消除此类误差方法是做好前期准备工作，在设计时根据工艺条件选择合适的型号，安装之前仔细检查完好情况，认真做好单校工作并记录备份，保证仪表最大基本误

差在规定范围之内。

2）变送系统

浮筒液位计的变送系统包括扭力管系统和微处理器电路系统。随着微电子技术及机械加工技术的日益完善，这部分产品的质量越来越高，但仍会存在部分产品不合格或存在隐患等问题。在实际测量过程中，液位（或界位）从零位变化到最高位时浮筒的位移量非常微小，为0.01mm数量级，转化为扭力管芯轴转角大约在3°左右。而在把如此细小的位移量及转角转化为标准信号的过程中很容易产生误差。

消除此类误差的方法是安装之前认真做好单校工作，正、反行程各不少于0%、25%、50%、75%、100%5点，基本误差不允许超过允许范围，且回差在精度范围之内。如发现不符合项及时更换相应部件。

4.3测量回路中其他环节造成的误差

4.3.1 信号线路的耦合干扰

浮筒液位计一般安装在生产现场，而DCS、PLC、SIS和CCS等控制系统则安置在离生产现场有一定距离的控制室内。二者之间有一段很长的信号传输线，在传输过程中信号很容量受到干扰，导致畸变或失真。此类干扰主要有：传输线周围空间电磁场对信号线的电磁感应干扰、两条或两条以上信号线通过线间分布电容和互感而形成的线间干扰等。

4.3.2 接地系统干扰

当仪表系统各部分电路的电流均流过公共地线时，尤其是在数字电路和模拟电路共地时，会在其上产生电压降，形成相互影响的噪声干扰信号。数字系统的入地电流比模拟系统大得多，即使接地电阻做的很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，从而使模拟系统的接地电压不能为零。假设接地电阻R1=0.1Ω，入地电流为2A，则在R1上将产生一个0.1×2=0.2V的电压降，这将导致测量信号长期高于实际信号0.2V，如果是1～5V的标准信号，则会造成0.5/（5-1）×100%=12.5%的误差，这在实际生产过程中是绝对不允许的。

4.3.3 本安关联设备及控制系统造成的误差

由本安关联设备及控制系统造成的误差一般比较小，受设备及系统本身精度决定。解决由回路各环节引起的误差，需要在设计时选用合适的设备及系统，严格按照施工规范施工，认真做好回路联校工作，及时更换不合理环节。

4.4生产过程中误差分析

在正常的使用过程中，经常会遇到以下情况，给测量带来误差：

4.4.1 浮筒破裂

浮筒破裂时，F浮逐渐减小，则由F=G筒-F浮可知扭力管所受扭力逐渐增大，浮筒液位计指示逐渐减小，最终指示最小。需要及时修复或更换浮筒。

4.4.2 浮筒脱落

当浮筒脱落时，扭力管所受扭力始终为0，此时浮筒液位计指示为最大。

4.4.3 杂质附着于浮筒上

当工艺介质含有杂质或介质较为粘稠时，常出现杂质附着于浮筒上的现象造成测量误差，严重者造成挂壁，无法正常使用。由F浮=G排=ρ液×g×V排可知：

当杂质密度小于介质密度即ρ杂＜ρ液时，杂质所受浮力大于重力而导致扭力管所受扭力F减小，浮筒指示偏大。

当杂质密度小于介质密度即ρ杂＞ρ液时，杂质所受浮力小于重力而导致扭力管所受扭力F增大，浮筒指示偏小。

当杂质密度小于介质密度即ρ杂=ρ液时，杂质所受浮力等于重力而导致扭力管所受扭力F不变，浮筒指示不变。

解决此类问题，需要做到以下几点：

1）增加保温伴热系统，伴热最好选用蒸汽伴热（包括扭力管处）。

2）浮筒加上下排污阀，必要时引入密闭排放系统，方便冲洗清洁。

3）每隔一段时间进行一次冲洗排污操作，并用蒸汽吹扫，要求仪表与工艺人员紧密配合，做好防护工作。

4）加强巡检，做好该部位的日常检查工作。

4.4.4 介质密度发生变化

正常生产过程中，原料成分波动、更换流程等操作可能会导致工艺介质发生变化，此时浮筒液位计指示无法与现场直读式液位计一致，这是正常现象，此时不应对浮筒液位计进行重新校验及修零等操作，否则将导致仪表无法正常使用。

例如一台测量介质密度为1.0g/cm3的浮筒液位计，在某操作条件下介质密度变化为0.9g/cm3时，由于仪表默认密度为ρ1=1.0g/cm3，由公式ρ1gh1=ρ2gh2进行推算，则：h2=h1*ρ1/ρ2，测量误差为：δ=(h2-h1)/h1*100%=10%，可见密度的变化将造成较大的误差。

解决此类问题时，不可盲目更改仪表量程或盲目重新校验，应当与工艺协商，处理好设计密度与使用密度，理论密度与实际密度之间的关系。无法确定时应将介质取样化验并与设计密度比对，确认密度存在误差时，应由相关负责人员确认后方能对浮筒液位计重新标定。

4.4.5 连接部位不牢固

浮筒液位计结构较为复杂、精细，精度要求较高，在安装及使用过程中应保证相关连接部位的完好。尤其在开工过程中经常遇到浮筒液位计两点标定后示数乱跑的现象，且误差较大，在-2000%～4000%范围内无规律跳变，此时应检查扭力管及差动变压器与浮筒连接部位的完好性及锁紧螺母是否处于锁紧状态，如有情况及时处理。

4.4.6 环境温度的影响

浮筒液位计正常工作环境温度按GB/T 17214.1-1998的规定分别为：

B2：5℃～40℃

C2：-25℃～+55℃

C3：-40℃～+70℃

当环境温度在以上规定范围内变化时，温度每改变10℃，仪表的输出信号变化量不应超过式（3）的计算值：

式中：

Δ——环境温度变化引起的输出信号变化的百分数；

α——温度系数（%/10℃）；

t1——15℃～35℃范围内的实际温度值，单位为摄氏度（℃）；

t2——-25℃～+55℃（-40℃～+70℃或5℃～40℃）范围内的温度值，单位为（℃）。

常见电动式浮筒液位计的温度系数见表1。

4.4.7 扭力管心轴弯曲

当浮筒液位计扭力管心轴弯曲时，仪表上下行程将会有严重的回差。此时应视情况维修或更换扭力管。

4.4.8 工作现场震动

当工作现场有较强烈的机械震动时，将会导致浮筒液位计指示跳变，影响仪表的正常使用。应在设计及选型时充分考虑现场工况，选择抗震部件，并做好相应抗震措施。

表1 温度系数表Table1 Temperature coefficient table

5 总结

本文详细介绍了浮筒液位计的分类、测量原理及安装规范，分析了浮筒液位计在测量过程中的误差来源及特性，并有针对性的提出了解决方法。随着浮筒液位计应用越来越广泛，各种先进科学技术的推广以及先进控制思想的普及，相信这些误差将会得到更加完善的处理。

[1]刘根元．仪表维修工[M]．北京：中国石化出版社．

[2]上海星申仪表有限公司．LC3010系列智能电浮筒变送器使用说明书[M/CD]．

中国石油天然气地面工程物联网建设及仪表自动化技术研讨会圆满落幕

本刊讯（鲁远航报道）2014年11月20-21日，由中国石油学会地面工程部主办，中国仪器仪表学会产品信息工作委员会协办的“中国石油油气生产物联网系统建设及仪表自动化技术研讨会”在福山油田召开。来自16家油气田、相关设计单位以及与中石油有密切合作的中外知名厂商的专家参加了这次研讨会。本次会议共安排了20个大会报告。油气生产物联网建设项目组做了项目建设总体报告。南方、西南、吐哈、大庆、青海、新疆、塔里木等7家示范工程建设单位做了建设情况报告；长庆、大港、冀东、吉林等4家油田介绍了本油田在数字化建设方面的情况及信息化管理的成效；中油瑞飞、浙大中控、中兴通讯、北京安控、青岛多芬诺等5家公司介绍了本公司的特色技术、产品以及用于油气生产物联网系统建设的解决方案；霍尼韦尔、罗克韦尔两家国际知名公司介绍了本公司的最新技术和国际最佳实践。会议征集学术论文47篇，并评选出优秀论文。与会代表还实地考察福山油田示范工程建设情况及应用效果。王国丽、孟宪杰、龚仁彬、夏静森、纪红主持大会。班兴安作大会总结。

本次大会促进了中国石油油气生产物联网系统建设与管理水平。

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.

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