一种全新的消除双法兰智能差压变送器液位测量误差的方法

刘子云

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

在化工生产及食品加工等行业，液位是重要的工艺参数之一。液位测量仪表种类繁多，如差压式液位变送器、超声波液位计、雷达液位计及浮筒液位计等，可依据工艺和设备的实际工况选用不同类型的液位测量仪表[1～3]，较常用的是浮筒液位计和差压变送器。

利用传统方法来计算液位差压变送器的零点与量程，变送器的指示值与实际液位往往有较大误差。笔者将通过分析误差产生的原因，给出一种新的计算双法兰智能差压变送器零点与量程的方法，使变送器的指示值与就地液位计的指示值在整个测量范围内一致。并通过函数关系式和直角坐标图说明，当测量液位的差压变送器的输出与实际液位存在误差时，在某一测量点只调整变送器的零点或变送器的量程，使差压变送器的输出与实际液位相等的方法是无法满足实际生产要求的，只有采取正确的方法同时调整差压变送器的零点与量程，才能使变送器的输出与实际液位在整个测量范围内相一致。间接地消除了被测介质的密度对测量结果的影响，同时也间接地克服了双法兰液位差压变送器的零点漂移问题。

1 影响液位差压变送器输出的主要因素①

液位差压变送器的输出可用下列关系式表达：

OUT=(Δp-Δp0)÷(Δp100-Δp0)×(20-4)+4

=16×(Δp-Δp0)÷(Δp100-Δp0)+4

(1)

式中OUT——输出，4～20mA对应指示液位0%～100%；

Δp——正、负压室间的压差，kPa；

Δp0——零点，kPa；

Δp100——量程，kPa。

可以看出，当差压变送器的零点与量程一定时，其输出随着Δp的变化而变化；在测量介质、安装条件和运行条件一定的情况下，对于某一点的液位而言，Δp是一个定值，此时影响其输出的主要因素是差压变送器的零点(Δp0)与量程(Δp100)。

2 利用双法兰差压变送器测量液位的研究

图1为某炼油厂催化裂化装置利用双法兰智能差压变送器测量塔釜液位的安装示意图，T-301是稳定塔；用于测量稳定塔釜液位的LT-30301是EJA118W-EMSA2CA-AAAZ-97EB/NS/F1/C3型双法兰差压变送器，其毛细管长度为12m，毛细管填充高温硅油，硅油密度ρ2为1 070kg/m3，塔釜内的介质为稳定汽油，设计操作压力1.25MPa，设计操作温度184℃，设计给出的稳定汽油密度ρ1为505kg/m3，两法兰取源间距H为3.6m；变送器的安装高度距正取压法兰间距(H1)为6m。LG30301为与T-301塔釜相连接的玻璃板就地液位计。

图1 双法兰差压变送器安装示意图

2.1 零点和量程的传统计算

如图1所示，当T-301塔釜内的稳定汽油液位为h时，由液柱压强公式P=ρgH可得[4]：

Δp=p+-p-

=ρ1gh+ρ2gH1-(ρ2gH+ρ2gH1)

=ρ1gh-ρ2gH

(2)

式中g——重力加速度，9.80m/s2；

h——双法兰差压变送器指示的T-301塔釜稳定汽油液位高度，0～3.60m；

H——双法兰差压变送器正、负取压法兰间距(3.60m)；

H1——双法兰差压变送器到正取压法兰间的高度(6.0m)；

p+——双法兰差压变送器正压室压力，kPa；

p-——双法兰差压变送器负压室压力，kPa；

ρ1——设计给定的T-301塔釜内稳定汽油的密度，505kg/m3；

ρ2——LT-30301双法兰差压变送器毛细管内硅油密度，1 070kg/m3。

由式(2)可知，当h=0m时LT30301双法兰液位差压变送器的零点Δp0=p+-p-=-ρ2gH=-1070×9.80×3.6÷1000≈-37.75kPa；当h=3.6m时，变送器的量程Δp100=p+-p-=ρ1gH-ρ2gH=(505×9.80×3.6-1070×9.80×3.6)÷1000≈-19.93kPa。

2.2 测量结果

按上述计算将双法兰差压变送器的零点调至-37.75kPa，量程调至-19.93kPa。当装置运行稳定(T-301塔釜压力1.15MPa左右，温度不详)且将LT30301投入使用后，LT30301指示值(控制室内DCS指示值)与T-301塔釜实际汽油液位值(LG30301玻璃板液位计示值)存在较大误差，详见表1。

表1 T-301塔釜实际液位与仪表指示值

从表1中的数据可以看出：差压变送器的输出值与实际塔釜液位误差较大；差压变送器的输出值高于实际塔釜液位；实际塔釜液位与差压变送器的输出值间的误差不同，随着液位的升高，误差逐渐减小。

3 产生误差的原因分析

从式(2)可以看出，当液位一定时，测量液位的差压变送器的正、负压室间的压差是一个定值。从式(1)可以看出，变送器的输出与实际液位间的误差是由变送器的零点和量程不准确造成的，其原因是：

a. 利用式(2)计算液位差压变送器的零点和量程时，T-301塔内的稳定汽油的设计密度ρ1与T-301塔内的稳定汽油实际密度不符。在实际生产过程中，T-301塔釜内汽油本身是一种混合物(由多种碳氢化合物组成)，且T-301实际操作压力和温度与设计给定的操作压力和温度有差异，因此T-301塔釜内汽油的实际密度ρ1是无法确定的。

b. 塔釜内稳定汽油的上部有油气和其他烃类气相物质，由于无法确定这些物质的密度，在用式(2)计算变送器的零点和量程时，给忽略了。

c. 从设计给定的数据来看，稳定塔的操作温度为184℃，双法兰差压变送器的正取压法兰与汽油液体接触，而变送器的负取压法兰与塔釜内汽油液体上部的气体接触，由于差压变送器的正、负法兰所接触的介质不同，因此变送器正、负法兰膜片间产生了温度差，使得变送器两毛细管内的硅油膨胀不一致，这样就会使变送器产生零点漂移[5]。由于很难准确得知变送器正、负法兰膜片间的温差，无法准确得知变送器的零点漂移量，因而在利用式(2)计算变送器的零点和量程时也无法考虑这些因素。

4 推导被测容器液位与测量液位的差压变送器正、负压室间的压差关系式

由误差产生原因，再结合式(2)可得：

Δp=p+-p-=ρ1gh-ρ2gH+ρ3g(H-h)+ΔZ

(3)

其中，ρ3为T-301内稳定汽油上部气体的密度；ΔZ为差压变送器产生的零点漂移，包括：因膜片接触不同介质所产生的温度差造成的零点漂移；由于环境温度对毛细管内硅油的影响所引起的差压变送器的零点漂移[5]；由于安装引起的差压变送器的零点漂移；其他原因引起的差压变送器的零点漂移。

式(3)是计算差压变送器零点和量程的准确关系式，但由于无法准确获得：T-301塔釜内稳定汽油的密度ρ1；塔釜内稳定汽油液位的上部油气和其他烃类的气相物质的准确密度ρ3；差压变送器所产生的零点漂移ΔZ。因此，无法按式(3)计算得到准确的零点和量程。

分析式(3)，当液位双法兰差压变送器按设计要求安装后，法兰取源间距H可以用米尺准确测量，即H为定值；重力加速度g是常数；尽管在实际生产过程中，很难获取ρ1、ρ2和ρ3的准确值，但在生产过程相对稳定的情况下，ρ1、ρ2和ρ3的数值是相对固定的，也可以看成常数；ΔZ是由各种因素产生的变送器的零点漂移，很难准确获得其值，但在实际生产过程相对稳定的情况下ΔZ亦为定值。从式(3)可以看出，测量液位的差压变送器正、负压室的压差Δp与被测容器的液位h间呈线性关系，除了被测容器液位h是变量外，其余参数可以看成常数。由此可见，测量液位的差压变送器正、负压室的压差Δp是被测容器液位h的一次函数[6,7]，即：

Δp=Kh+C

(4)

式中C——Δp与h一次函数的截距，为待求常数；

h——差压变送器的指示液位；

K——Δp与h一次函数的斜率，为待求常数。

利用差压变送器测量液位的目的就是要使差压变送器的输出值(h)与被测容器内的实际液位(h′)一致。则式(4)可以改写成：

Δp=K′h′+C′

(5)

其中，K′和C′分别为Δp与h′一次函数的斜率和截距，是两个待求常数。

对于智能差压变送器可以通过375或BT200等智能通信器直接读出与实际液位h′相对应的差压变送器正、负压室间的差压Δp。h′可以通过安装在被测容器上的就地液位计观测，就地液位计采用的是连通器原理，一般在就地液位计保温(冷)完好的情况下，其指示值可以看作是被测容器内的实际液位，该值既可以用绝对高度(0～H)来表示，也可用相对高度(0%～100%)来表示。

差压变送器的准确零点是在实际工况下，实际液位最低(0%)时的差压变送器正、负压室间的压差；差压变送器的准确量程是在实际工况下，实际液位最大(100%)时差压变送器的正、负压室间的压差。在实际生产过程中，不允许出现实际液位为最低或最高的工况。因此，不能直接观测出测量液位差压变送器的零点和量程。可利用式(5)间接地计算其准确的零点和量程，步骤如下(实际液位用相对液位%表示)：

a. 在生产过程相对稳定，被测容器就地液位计指示为h1′时，利用与差压变送器相连接的手操器(375或BT200等)观测出与h1′相对应的差压变送器正、负压室的压差Δp1，即可得到Δp与h′的一次函数的一个坐标点(Δp1，h1′)。

b. 经过一段时间后，当被测容器就地液位计指示为h2′时，观测出Δp与h′的一次函数的另一个坐标点(Δp2，h2′)，并且h1′≠h2′。

c. 确定被测容器液位与测量液位的差压变送器正、负压室间的压差关系式。

d. 计算差压变送器的零点和量程。

Δp0为差压变送器的准确零点；Δp100为准确量程。将差压变送器的零点调整为Δp0，量程调整为Δp100，则变送器的指示值与被测容器上的就地液位计的指示值在全测量范围内就完全一致了。

5 新方法计算LT30301差压变送器的零点和量程

通过与LT30301相连接的手操器(375)读出差压变送器正、负压室间的压差，结合表1可得表2。

表2 含有LT30301变送器正、负压室压差的数据

Δp=12.375h′-34.41即为T-301实际液位与变送器LT-30301正、负压室间压差的一次函数关系式。

当h′=0%时，Δp0=12.375h′-34.41=12.375×0%-34.41=-34.41(kPa)；当h′=100%时，Δp100=12.375h′-34.41=12.375×100%-34.41=-22.03(kPa)。Δp0为LT-30301的零点(-34.41kPa)，Δp100为LT-30301的量程(-22.03kPa)。将LT-30301的零点调整为Δp0(-34.41kPa)，LT-30301的量程调整为Δp100(-22.03kPa)，则LT-30301的指示值与被测容器上的就地液位计的指示值就完全一致了。

6 误差分析

现在来分析利用传统方法计算变送器的零点和量程，变送器的输出与实际液位间的误差。按照目前普遍采用的方法，当发现变送器的输出与实际液位间存在误差时，来分析只调整变送器的零点或量程，或者既调整变送器的零点又调整量程，其输出与实际液位间的误差。

6.1 采用传统方法计算零点和量程时输出与实际液位间的误差

根据式(2)计算所得的Δp0=-37.75kPa，Δp100=-19.93kPa。当仪表指示液位为h时，根据Δp=Kh+C可得：-37.75=K×0%+C，-19.93=K×100%+C，则Δp=0.178h-37.75。

Δp=0.178h-37.75即为利用传统计算方法计算的差压变送器的零点和量程时所得的差压变送器的正、负压室压差Δp与变送器的指示值h之间的一次函数关系式，为T-301实际液位与其变送器LT-30301正、负压室压差的一次函数关系式。

由Δp=12.375h′-34.41与Δp=0.178h-37.75可得如图2所示的直角坐标关系。

图2 直角坐标关系

图2中，a为按关系式Δp=12.375h′-34.41得到的实际液位与其变送器LT-30301正、负压室间的压差所得到的直线；图2中的b为按关系式Δp=0.178h-37.75得到的利用传统计算方法计算的差压变送器的零点和量程所得到的差压变送器的正、负压室间的压差与变送器的指示值间的直线。

可以看出，利用传统方法计算的差压变送器的零点为-37.75kPa，量程为-19.93kPa，当差压变送器的输出为0%时实际液位为-27%；当差压变送器的输出为100%时实际液位为117%。当实际液位为0%时差压变送器的输出为18.7%；当实际液位为100%时差压变送器的输出为88.2%。显然差压变送器的输出与实际液位之间存在很大误差，这也进一步说明，按照传统方法计算的仪表零点和量程无法满足实际需要。

6.2 只调零点产生的输出与实际液位的误差

以仪表指示为50%为例进行分析，从表2可以看出，当差压变送器的输出为50%时，实际液位为45%。

按传统方法计算的差压变送器的零点为-37.75kPa，量程为-19.93kPa。若量程不变，只调整仪表的零点，使差压变送器的输出由50%变为45%，这就形成了一条新的差压变送器正、负压室间的压差Δp与仪表指示h间的直线，该直线的一个坐标点为(Δp100，h100)即(-19.93，100)。当仪表指示为50%时，从表2可以看出，此时的差压变送器的正、负压室间的压差为-28.84kPa。也就是说，该直线的另一点坐标为(-28.84，45)。

当仪表指示液位为h时，根据Δp=Kh+C可得-19.93=K×100%+C，-28.84=K×45%+C，则有：

Δp=0.162h-36.13

(6)

式(6)为利用按式(2)计算的差压变送器的零点和量程，在变送器指示为50%，而实际液位(就地液位计的指示值)为45%，只调变送器的零点，使变送器的指示值由50%变为45%而得到的差压变送器的正、负压室间的压差Δp与变送器的指示值h间的一次函数关系式。利用式(6)可以很容易计算并将差压变送器的零点由-37.75kPa调至-36.13kPa，而其量程仍为-19.93kPa。

由Δp=12.375h′-34.41、Δp=0.178h-37.75和式(6)可得如图3所示的直角坐标关系。

图3 直角坐标关系

图3中，直线c为按式(6)得到的直线。可以看出，当差压变送器的输出为0%时实际液位为-13.9%；当输出为100%时，实际液位为117%。当实际液位为0%时，差压变送器的输出为10.6%；当实际液位为100%时，差压变送器的输出为87%。显然差压变送器的输出与实际液位之间仍存在较大误差，因此当变送器的输出与实际液位存在误差时只调整差压变送器的零点是无法满足实际需要的。

6.3 只调量程产生的输出与实际液位的误差

仍以仪表指示为50%为例进行分析，当差压变送器的输出为50%时，实际液位为45%。

传统方法计算的差压变送器的零点为-37.75kPa，量程为-19.93kPa。若零点不变，只调整变送器的量程，使差压变送器的输出值由50%变为45%，这样就形成了一条新的差压变送器正、负压室间的压差Δp与仪表指示h间的直线，该直线的一个坐标点为(Δp0，h0)(-37.75，0)。当仪表指示为50%时，根据表2，此时的正、负压室间的压差为-28.84kPa。也就是说，该直线的另一点坐标为(-28.84，45)。

当仪表指示液位为h时，根据Δp=Kh+C得-37.75=K×0%+C，-28.84=K×45%+C，则有：

Δp=0.198h-37.75

(7)

式(7)为利用传统计算方法计算的差压变送器的零点与量程，在变送器指示为50%，而实际液位(就地液位计的指示值)为45%，只调变送器的量程，使变送器的指示值由50%变为45%而得到的差压变送器的正、负压室间的压差Δp与变送器的指示值h间的一次函数关系式。

由Δp=12.375h′-34.41、Δp=0.178h-37.75、式(6)和式(7)可得如图4所示的直角坐标关系直线图，其中的直线d为按关系式(7)得到的直线。

图4 直角坐标关系

按式(7)计算差压变送器的零点仍为-37.75kPa，量程由-19.93kPa变为-17.95kPa。从图4可以看出：当差压变送器的输出为100%时，实际液位为133%；当输出为0%时，实际液位为-27%。当实际液位为0%时，输出为16.9%；当实际液位为100%时，输出为79.4%。显然差压变送器的输出与实际液位之间存在较大误差，因此当变送器的输出与实际液位存在误差时只调整差压变送器的量程也无法满足实际需要。

6.4 既调整零点又调整量程时的误差分析

还是以仪表指示为50%为例，当差压变送器的输出为50%时，实际液位为45%。如果既调整其零点又调整量程，使差压变送器的输出值由50%变为45%，从表2可以看出，此时差压变送器的正、负压室间的压差为-28.84kPa。只要Δp0<Δp100就能满足差压变送器的零点和量程设置要求。众所周知，在满足变送器的零点和量程设置要求的情况下，通过一个坐标点(-28.84，+45.00)的直线可以有无数条，只能使这一点满足实际要求，而使变送器的输出与实际液位在全测量范围内相一致的可能性很小。因此当变送器的输出与实际液位存在误差时既调整差压变送器的零点又调整变送器的量程是很难满足实际需要的。

7 利用本方法时的注意事项

在利用本方法计算变送器的零点和量程时，应注意如下事项：

a. 在读取就地液位计和变送器的数据时，需要与生产工艺工作人员相互配合，要采取措施保证生产过程平稳，所读取的数据一定要在生产装置允许波动的范围内；

b. 要确保液位差压变送器和就地液位计的选型满足实际生产要求且投用正常，就地液位计保温或保冷良好，就地液位计的示值能够真实反映被测容器的液位；

c. 要在生产过程相对平稳的情况下，读取就地液位计的数据和变送器的数据，确保获得的数据是真实有效的；

d. 当环境温度或生产工艺条件发生较大变化时，需要利用本方法修正差压变送器的零点和量程，以免差压变送器的指示液位与被测容器上的就地液位计指示液位出现较大误差。

8 结束语

笔者给出消除双法兰智能差压变送器液位测量误差的计算方法，不需要准确的被测容器内介质的密度、差压变送器正、负取压管内介质的密度和差压变送器正、负取压管的长度，只采用本方法计算差压变送器的零点和量程，就可以使差压变送器的指示液位与就地液位计的指示液位完全一致。从而间接地消除了由于各参数的密度及变送器的零点漂移等因素对计算液位差压变送器零点和量程的影响。

本方法不但适用于差压变送器(法兰型与非法兰型、智能型与非智能型)测量液位，同样也适用于利用双法兰差压变送器来测量两种互不相溶混合液体的界位，如油水界面。经多次实践证明，本方法完全能满足生产实际的需要。为计算测量液位的差压变送器以及测量两种互不相溶混合液体界位的双法兰差压变送器的零点和量程，提供了一种新的计算方法。