远传差压液位测量受环境温度影响的误差分析

2017-01-05汪劲松

化工设计 2016年6期

关键词：膜片隔膜测量误差

汪劲松

* 东华工程科技股份有限公司合肥 230034

远传差压液位测量受环境温度影响的误差分析

汪劲松

*东华工程科技股份有限公司合肥 230034

分析因环境温度变化，利用隔膜密封系统在测压过程中存在偏差的原因，通过实例计算，对对称与非对称式远传差压液位测量系统进行误差的比较和分析，提出液位测量系统的选型建议。

隔膜密封系统远传差压液位测量环境温度误差分析

在化工生产过程中，利用远传隔膜密封系统测量生产过程中的压力与液位参数，有着非常广泛的运用。对液位参数的测量，一般采用对称或非对称式远传差压的方式，普遍认为对称式系统可消除环境温度波动对液位测量的影响，但在工程应用过程中，其测量值与实际液位仍然存在一定偏差，给生产过程的监控带来不利影响。

首先简单介绍隔膜密封系统的测量原理与远传差压液位的测量方式，继而从环境温度变化的角度，分析远传隔膜密封系统在测压过程中产生误差的影响因素，再通过实例计算，分别对对称与非对称式液位测量系统所产生的误差进行比较，综合理论分析和计算结果，提出液位测量系统的选型建议。希望对相关设计和应用人员提供一定参考和帮助。

1 测量原理与测量方式

隔膜密封系统是利用膜片与填充液将过程介质与变送器的传感元件完全隔离，使介质不直接接触传感元件。当膜片承受过程压力时产生形变，经毛细管或直装式连接件内的填充液将压力传递到变送器的传感元件上，通过内置电路，将传感元件产生的位移转换成模拟或总线信号。

利用远传差压隔膜密封系统测量液位，一般采用两种方式：对称式与非对称式，两者的测量原理见图1。

对称式远传差压液位测量，在差压变送器高、低压侧分别装有相同型号规格的远传隔膜密封件；非对称式远传差压液位测量，变送器高压侧直接安装在设备本体上，低压侧与隔膜密封件之间以毛细管连接。

图1 对称与非对称式远传差压液位测量

2 环境温度的影响

远传隔膜密封测压系统的温度性能主要有两点影响因素：膜片的刚度与填充液的温度特性[1]。

膜片的刚度为膜片的固有特性，主要与膜片的材质、厚度、直径等有关。直径较大的膜片弹性更大，当填充液体积发生膨胀或收缩时，弹性较大的膜片可以更好的吸收填充液体积上的变化，降低了变送器传感元件部位所承受的压力波动，因此选择较大直径的膜片，可减少因填充液体积变化所致的测量误差。

填充液的温度特性主要反映在两个方面，一是温度对填充液体积的影响：填充液会随温度的变化产生膨胀或收缩的现象[2]。其体积的单位变化量主要与液体的体积膨胀系数有关，即当温度改变1℃时，液体体积的变化与其在0℃下的体积之比。而毛细管中的填充液体积越大，其产生的总变化量也越大，因此为减小体积变化量，一方面可选择体积膨胀系数较小的填充液，另一方面通过减少毛细管的长度与内径，使填充液体积尽量小。但减少毛细管内径会增强填充液的节流效果，减缓压力的传递，导致测量系统的响应时间增加，因此在选择毛细管内径时需综合考虑两者关系。综上所述，填充液体积变化的大小与温度的变化量、膜片刚度、毛细管的长度和内径以及填充液自身特性等因素有关；二是温度对填充液密度的影响：填充液密度会随温度的变化而增大或减小。若取压点与变送器之间存在高度差，设计时确定的变送器零点迁移量则会发生改变，该变量的大小取决于温度的变化量、填充液自身特性以及变送器与取压点之间的高差。

综合以上分析，当变送器低于取压口时，环境温度对远传隔膜密封系统的影响见表1。

表1 环境温度变化对测压系统的影响

3 环境温度对测量误差的实例计算

对于对称式液位测量系统，由于变送器两侧均采用完全相同的远传隔膜密封件，因此温度对变送器两侧填充液体积的影响相互抵消。而对于非对称式液位测量系统，则需分别考虑温度对填充液体积和密度产生的影响。

以北方某化工项目为例，该地区环境温度-25.5～39.7℃，设备法兰间距3600mm，设计选用DC200硅油作为填充液，膜片材质316L，过程连接法兰尺寸3″，毛细管内直径1.1mm、长度4m。

液位测量系统的设计迁移量：

△P迁=h·sg=32.81 kPa

(1)

式中，h为过程连接法兰的间距，mm；sg为填充液在25℃时的比重。

对称式液位测量系统，环境温度为-25.5℃时，因填充液体积变化引起的测量误差相互抵消：

∈体=∈高压侧-∈低压侧=0 kPa

(2)

因填充液密度变化引起的测量误差：

∈密=h·sg·γ·△T=-1.80 kPa

(3)

式中，γ为填充液的体积膨胀系数，1/℃；△T为环境与设计温度的差值，℃。继而可得系统的综合误差为：

∈总=∈体+∈密=-1.80 kPa

(4)

同理，环境温度为39.7℃时，对称式系统的测量误差分别为：

∈体=0 kPa ∈密=0.52kPa ∈总=0.52 kPa

非对称式液位测量系统，环境温度为-25.5℃时，通过公式(2)：

∈体=∈高压侧-∈低压侧=-0.31 kPa

该部分计算比较复杂，涉及到多方面因素的作用，上面结果是通过由艾默生公司提供的Instrument Toolkit软件计算导出的。

因密度变化引起的测量误差与综合误差与对称式系统的计算方法相同，可得：

∈密=-1.80 kPa ∈总=-1.42 kPa

同理，环境温度为39.7℃时，非对称式系统的测量误差分别为：

∈体=-0.15 kPa ∈密=0.52 kPa ∈总=0.38 kPa

将上面计算结果进行对比，极端环境温度下测量误差及其与迁移量的比例计算见表2。

表2 极端环境温度下测量误差及其与迁移量的比例

将不同的环境温度带入式(2)～(4)进行计算，可得环境温度变化对对称与非对称式液位系统测量液位所产生的误差关系曲线，见图2。

图2 对称与非对称式差压液位测量综合误差

通过上述计算结果，可得结论：

(1)当环境温度波动时，填充液体积和密度的变化对液位测量系统的影响相反，这与表1中的理论分析是一致的，并且填充液密度的变化相较体积对液位测量的影响更显著。

(2)对称式液位测量系统无法完全消除环境温度的影响，非对称式液位测量系统相较对称式，其测量值受温度变化所产生的综合误差略小。

(3)当项目所在地区的温差较大，测量系统的环境温度偏离设计值较多时，若生产工艺对液位测量有较高的精度要求，建议在控制系统中对实测液位进行环境温度补偿。

(4)填充液密度变化对液位测量误差的影响因素较少，当填充液种类和设备确定之后，误差仅与环境偏离设计温度的差值有关，且成正比关系，通过式(3)可对迁移量的误差进行修正。填充液体积变化对液位测量误差的影响因素较多，且关系较为复杂，同时随着仪表使用时间的延长，膜片自身性能可能发生改变，因此难以通过公式对误差值实时修正。所以，当控制系统需要对测量值进行温度补偿时，选择对称式差压液位测量系统更为方便。