差壓儀表在球罐液位測量中的深化應用

（淮安清江石油化工有限責任公司，江蘇 淮安 223002）

差壓儀表在球罐液位測量中的深化應用

王明虎

（淮安清江石油化工有限責任公司，江蘇 淮安 223002）

通過對早期LPG球罐液位改造的介紹，講述不同方式的差壓儀表在球罐液位測量上的運用，剖析了各種方式產生誤差的主要根源，提出了一種以Emerson 3051S ERS與溫度補償相結合的解決方案，為大量程的液位測量提供一條高精度的簡便辦法。

液位測量;差壓;誤差;溫度補償

0 引言

在眾多老企業中，液化石油氣（以下簡稱LPG）球罐由于建設年代較早，受當時的技術水平、規范要求等眾多因素制約，其液位測量普遍存在使用較為原始的測量方法，例如僅有帶遠傳磁性浮子現場液位計。隨著國家技術規范要求的不斷提高，這些測量方法越來越不符合規范及現場工藝操作的要求，迫切需要對液位測量進行技術改造。由于早期的LPG球罐已制造成型，再開設新的儀表檢測口難度較大，這就造成無法利用現有先進成熟的液位測量技術（如雷達、伺服等）進行液位測量，只能利用球罐上已有的開口做技術改造，而這些早期的球罐，一般留給儀表的檢測口除了磁性浮子液位計口外，剩下的就是上下各一個的壓力測量口和一個溫度測量口，如何利用現有的開口，進行液位測量的升級改造，是需要做一番努力的。

1 差壓儀表測量液位的幾種方法及分析

為了滿足同一儲罐至少配備兩種不同類型的液位檢測儀表[1]這一規范要求，綜合現場條件，本著既現實可行又符合規范要求的原則，保留原磁翻板液位計作為LPG液位的一種測量方法。利用罐體上原上、下壓力表檢測口增設另一種液位測量方法，由于現場條件所限，新增設的液位測量方法只能采用差壓儀表測量液位的技術路線。

1.1導壓管差壓變送器測量液位

首先采用的是最簡便、也是最經典的測量方法，即常規導壓管差壓變送器測量液位法。如圖1所示。

圖1 常規導壓管測量液位示意Fig.1 Normal pressure pipe measuring liquid level signal

這種方法是基于△P=ρgh[2]的原理，由于LPG的密度基本一定，故測出差壓就知道了液位。但這種辦法在實際使用中效果不理想，主要表現在兩點：故障率高和準確性差。故障率高的主要原因是：受制于LPG介質的屬性，采用導壓管差壓變送器測量液位需要在負壓室內充滿液柱以形成濕柱，而負壓室液體是不流動的，這就造成負壓室液體不斷濃縮、集聚，使原本冬季不需伴熱LPG還要輕伴熱（不能重伴熱），夏季即使不拌熱有時也氣化，這就造成冬夏兩季故障率極高，根本無法使用。準確性差的主要原因是：負壓室內液體濃縮、集聚造成密度變化；夏季氣

化使負壓室液柱產生變化；罐內LPG密度亦不是一個恒定值，這些都造成儀表顯示與現場產生較大偏差，這個偏差有時達30～40cm左右，由于故障率和準確性兩方面原因使得該儀表根本無法滿足工藝操作要求，操作工反應強烈。

1.2隔膜密封式差壓變送器測量液位

由于常規導壓管差壓變送器測量液位法在現場無法正常使用，自然就想到了隔膜密封式差壓變送器測量液位（以下簡稱雙法蘭變送器）的方法，如圖2所示。

圖2 雙法蘭測量液位示意Fig2 Double flange measuring liquid level signal

這種方法似乎基本上消除了導壓管差壓變送器測量液位所帶來的缺點，如負壓室引壓用毛細管取代了濕柱，既解決了冬季防凍、夏季氣化的問題，又解決了負壓室液柱密度和高度變化的問題，但從現場使用效果來看只解決了原先的故障率高的問題，準確性差的問題沒有好轉，通過現場比對，這種方法的誤差最高達到30cm左右，通過分析，形成較大誤差的原因主要是：

1）毛細管罐充液受環境溫度的影響，增加了測量誤差。

以某品牌的雙法蘭變送器為例，毛細管罐充液受環境溫度影響產生的漂移量指標為±1.4%/50℃，以夏季早晚溫差15℃計，粗略估算其漂移量在±0.4%以上，對一量程為20m的液位測量來說僅這一項的誤差就達10cm左右。

2） 雙法蘭差壓變送器的精度原本就較普通差壓變送器低。

某品牌的雙法蘭變送器的標稱精度為0.2%，而普通差壓變送器的標稱精度為0.025%，別小看了這0.15%的誤差，在大量程的液位測量中引起的絕對誤差是不可小覷的。

3）多臺儀表形成的疊加誤差及介質密度變化引發的誤差。

一般的LPG球罐，其直徑都在15m以上。由于單臺雙法蘭一般僅可測量直徑在10m以內的球罐（如毛細管太長，則溫度產生的誤差將更大），所以一般LPG球罐都需要3臺以上的雙法蘭液位變送器進行分段測量，并將其測量的數據進行累加。這就造成最終的測量結果是由多個數值合成而得，按照合成標準不確定度原理[2]，這樣勢必造成整個測量系統的誤差增大較多。另外由于球罐內的LPG處于動態變化過程之中，其密度受進罐介質組份、溫度及環境溫度的影響，這些變化都將引起介質密度變化，最終影響液位測量的準確性。

1.3Emerson的3051S ERS測量液位

為了能解決雙法蘭變送器的一系列弊端，Emerson推出了3051S ERS，它是一種利用兩臺3051S傳感器測量液位的方法。如圖3所示，就相當于將一臺雙法蘭變送器拆分成兩部分進行異地安裝一樣，一臺3051S測量罐頂壓力，一臺3051S測量罐底壓力，兩臺3051S之間使用普通電纜通過專用協議進行通訊，通過通訊使兩塊表形成一個整體，由罐底的3051S作為主表，罐頂作為副表，主表計算出兩者之間的壓差，進而計算出液位值并輸出。由于兩臺3051S變送器之間巧妙使用電纜通訊，取代了雙法蘭變送器的毛細管，從而避免了毛細管因受環境溫度影響而產生較大誤差。由于通訊線的長度可達40m，因此不存在多段測量的問題，完全消除了雙法蘭變送器在大量程液位測量中的問題，這種方法只需在兩臺3051S之間做好相應設置，執行總系統調零，使用起來與一臺雙法蘭變送器儀表沒有什么區別。

圖3 3051S ERS測量液位示意Fig.3 3051S ERS Measuring liquid level signal

2 溫度補償在液位測量中的運用

從現場3051S ERS使用效果可以看出，球罐液位測量可靠性和準確性有了很大提高，但這種方法有時誤差亦可達20cm左右，這既與3051標稱精度相差較多（3051S標稱精度為0.025%），又無法滿足工藝操作要求。通過仔細分析，其產生誤差的原因除儀表固有精度原因外，主要是由于LPG球罐內液位密度受介質溫度的影響引起的。本文查閱了LPG物理特性表，其比重在10℃為0.554， 20℃為0.544，則15℃時約為0.549，假設液位測量系統內設置的密度以20℃時為準（0.544），當液位固定在15m處未變，溫度由20℃下降到15℃時，通過下面的理論計算就可以看出固定密度產生的誤差。

因 △P=ρgh[3]

則 △P15=549*gh

但系數顯示為h=△P15/（544*g）≈15.136 （m）

由此可見，溫度僅變化了5℃，在15m處儀表顯示液位與現場實際液位相差近13.6cm。由此可見必須補償溫度變化引起的密度變化，才有可能提高儀表的準確度。由于球罐上有溫度測量口，將該溫度信號引入系統，對3051S ERS的測量值進行溫度補償，就可以彌補介質溫度引起的誤差。由于LPG在0～30°C內密度隨溫度基本呈線性變化，因此溫度修正密度可采取簡單的區間線性插入法，以下是簡單的區間線性插入法計算方法。

The Improvement of Differential Pressure Instrument in the Measurement of Spherical Tanks Liquid Level

Wang Minghu
（Huaian Qingjiang Petrochemical Co, Ltd, Jiangsu Huaian 223002,China）

By the introduction of the early LPG spherical tanks liquid level transforming, this article tells different ways of liquid level measurement in the con dition of differential pressure. Also it analyses the main reasons that cause the errors by different measuring methods. It offers the solution by combination of Emerson 3051S ERS and the temperature compensation technology. It provides a simple method for the wide range liquid level measurement.

:liquid level measurement;differential pressure;error;temperature compensation

Th

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.016