基于密度補償的雙法蘭液位計測量修正

劉廣韜

（萬華化學（蓬萊）有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

差壓液位計作為液位測量儀表中最為常見的一種方式，在石油、化工、冶金等工業生產中得到了廣泛應用。由于其精度高，穩定性好，易實現遠傳，量程范圍和零點的連續可調性等特點，使其成為當前化工裝置中應用最為廣泛的液位測量方式[1]。其利用連通器原理，使得變送器高壓側、低壓側法蘭分別與設備液相和氣相聯通，利用液相作用設備管壁的壓力，通過毛細管、密封膜盒、差壓變送器等儀表設備進行差壓的傳輸和測量。變送器內通過傳感膜片產生位移量的變化，將對應的壓力變化轉化成標準的儀表測量信號（一般常用DC 4mA ～DC 20mA）傳輸給相應的控制系統，在監控畫面進行顯示或其他功能。本文探討通過對差壓雙法蘭液位計的實時密度補償，從而消除工況介質密度變化造成測量偏差的問題，列舉的幾個經典案例都是在相應化工裝置實際應用中取得真實效果的。通過可靠的密度補償方式，消除了液位實際測量誤差。

1 雙法蘭差壓液位計原理

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管組成。根據被測介質的物料性質和使用工況，其密封膜片可采用平膜片或插入式膜片（高粘度，易結焦，易聚合或其他臟污介質），另還可配帶沖洗環等附件。無論采用何種膜片和附件形式，其原理都是一樣的。雙法蘭差壓液位計的測量原理是通過測量液位壓力差從而測量液位。根據公式P=ρ×g×H（1），從而得出H=P÷ρ÷g（2）。其中，P——變送器測得的壓差，單位：kpa；ρ——容器內介質密度，單位：kg/m3；g：當地重力加速度；H——被測介質實際液面高度，單位：m。

實際應用中，由于現場安裝情況等限制，無法滿足雙法蘭變送器的正、負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的遷移情況，根據其原理的計算公式，無論變送器安裝位置如何（雙法蘭液位計安裝于正負壓側之間，雙法蘭液位計安裝于負壓側上方，雙法蘭液位計安裝于正壓側下方），其量程和零點遷移量是固定的[2]。

當液位處于最低點時，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。當液位處于最高點時，P=(ρ-ρ1)×g×H2（4）。由此可見，影響雙法蘭液位測量準確性的兩個參數就是兩個密度[3]。而填充液一般化學性質和物理性質穩定，除極端情況下選型失誤外，其受環境溫度影響不大，此處可以認為是常數。可得出：影響雙法蘭差壓液位計測量的一個重要參數就是ρ1（容器內測量介質密度）的不確定變化性。而這種變化在反應器、反應塔等設備中，隨著工藝反應出現了諸多不確定性，從而對液位測量帶來巨大偏差，甚至造成變送器測量超出有效量程范圍，儀表無法正常使用等情況。

2 密度測量修正方法

通過上述雙法蘭差壓液位計測量原理以及推導公式可知，對于容器內介質密度的測量、修正是補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法跟隨被測介質密度變化而實時變化，因而進行被測介質的密度補償來彌補其測量原理缺陷是一種有效辦法。可以認為，密度測量的準確性在某種程度上直接影響了雙法蘭液位計測量的可靠性。密度測量有多種方式，工業生產中常用方式有：輻射式、超聲波式、差壓式等。考慮成本原因和被測容器的現場應用情況，盡量減少儀表投入和設備變動。本次探討的兩種密度補償方式為直接法和間接法。直接法可通過密度計、質量流量計等方式直接測出介質密度進行液位修正，間接法則另可通過增設一對雙法蘭差壓表，或單法蘭壓力表（常壓容器）進行密度換算。

2.1 直接測量密度

可在容器設備上增加密度計，直接測量容器內介質的密度變化，或將密度計安裝在容器進/出口管線上，減少容器開口。通過遠傳信號傳入到控制系統，在控制系統內進行相應的數學運算，用以對雙法蘭液位計傳輸到控制系統的液位測量參數進行補償轉化。通常，雙法蘭差壓液位計傳輸到控制系統常用百分數顯示（不同生產單位要求不同），通過對其原理公式進行換算可得出：X=H÷H2×100%=100%×P1÷ρ2÷g÷H2（5）。其中，X——未修正的液位測量值，單位：%；ρ2——雙法蘭差壓液位計的初始密度設定值（被測介質的初始密度），單位：kg/m3；P1——雙法蘭實測的差壓值，單位：kpa；通過密度計等測量手段直接測得的容器介質密度為ρ3，單位：kg/m3。由此可以推導出實際的液位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量值，單位：%。通過公式可以看出，用于DCS 有效使用的液位顯示X1 是一個只與測量密度ρ3，原始設定密度ρ2 和雙法蘭差壓液位計測量值X 有關的參數。無論被測介質密度如何變化，通過密度計測得的有效密度均能對此部分變化進行實時補償。此種方法也可以利用設備容器出口的流量計選型進行簡化，選擇具有密度輸出的質量流量計，可以實現測量密度的同時，減少儀表設備的增加。

2.2 間接測量密度

間接測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），進行密度折算。這種方法雖然前期投入較大，并且需要設備增加儀表開口。但是雙法蘭測量密度的優勢可以認為是測量容器內物料的“平均密度”，更能有效地對液位測量進行整體修正。相比較單點式的密度計，差壓法測量密度更為簡單、可靠和精準，能夠克服單點密度計受介質不均勻等其他物理因素的影響。該方法的測量原理簡單，是以物理學中的液體壓強計算公式為基礎[4]，推導出密度計算，可參考公式（1），并以此為基礎進行差壓液位計的密度修正，如圖1 所示。

圖1 間接密度測量補償液位原理圖Fig.1 Schematic diagram of indirect density measurement compensation liquid level

差壓密度計側有：ρ3=P2÷g÷H3（8）。其中，P2——差壓密度計的實測壓力，單位：kpa；H3——密度計雙法蘭間距，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）。由此得到的是一個與被測介質實際密度無關的計算公式，只要保證用于密度測量的差壓表P2 和用于液位測量的雙法蘭液位計X 兩個變量測量的準確性，即可有效地修正密度偏差[5]。但是，該方法雖然在測量和補償精度上具有原理優勢，但仍舊存在使用的局限性。從圖2 原理圖可以看出，只有當容器內實際液位大于H3，即為密度計雙法蘭間距時，推導公式才有效。只有在用于密度測量的雙法蘭差壓表的高壓側、低壓側都能感受到被測介質時，此時的密度計才能有效通過差壓來進行密度推算[6]。當實際液位不能滿足該公式成立條件時，需要人為進行密度定值修正，這是該方法使用時需要注意的地方。

圖2 直接密度測量補償液位原理圖Fig.2 Schematic diagram of direct density measurement compensation liquid level

3 應用舉例

3.1 直接測量法

該案例應用是在設備容器出口管線的質量流量計增加密度遠傳輸出功能，通過密度傳輸到DCS，并由DCS 實現液位的修正，如圖2 所示。

圖3為實際應用中的DCS 數據記錄，該案例應用于某固定管殼式反應器中。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 為雙法蘭液位計實際測量值，單位：%；曲線D 為反應器進料量，單位：t/h；曲線E 為反應器重相采出密度，單位：kg/cm3。原料以及產物均為液態，催化劑固定在列管內，因此反應器在日常生產中處于“升溫”狀態，以保證反應效率。液態產物在反應器下部分層，分為重相、輕相兩種狀態。伴隨反應的進行，重相、輕相兩種產物無固定比例關系，因此整個產品混合物密度處于不斷變化中。同時，伴隨后期反應器催化劑活性的逐漸降低，由此帶來的液位測量最大偏差可達到5%～8%，這對工藝操作是特別不利的。造成工藝人員頻繁人工干預反應進料、出料系統，相關控制回路無法投入自動。即使投入自動狀態，現場實際液位同DCS 顯示液位偏差巨大，無實際控制意義。為此，在該反應器重相、輕相采出管線的流量計選用帶有密度輸出的質量流量計。將重相、輕相密度實時傳輸到DCS 進行液位修正，克服了重相、輕相比重不斷變化，密度不恒定的干擾，保證其測量液位貼近真實情況。從實際應用效果來看，具有一定的推廣意義。

圖3 直接密度測量法歷史趨勢圖Fig.3 Historical run chart of direct density measurement method

3.2 間接測量法

間接測量法的實際應用同上述原理圖相似。數據記錄如圖4 所示。曲線A 為雙法蘭液位計實際測量值，單位：%；曲線B 為用于密度測量雙法蘭差壓表差壓測量值，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 間接密度測量法歷史趨勢圖Fig.4 Historical run chart of indirect density measurement method

間接測量法案例應用于某氧化反應器（常規工況：0.28MPa，60℃），原料分別為空氣（多臺空壓機供給）以及工作液（0.93kg/m3），反應產物為某強氧化劑。工作液自反應器頂部進入，空氣自反應器底部進入。伴隨著空氣進料量的變化，以及反應器內氣液共存、共反應情況，造成反應器內密度的實時變化。從歷史趨勢可以看出，當進料量發生較大波動時，或是反應初期，反應不充分等工況下，容器內的密度變化較大，從而導致液位偏差較大，最大偏差可到12%左右。本次應用通過增設一個雙法蘭差壓密度計，采用在線密度測量的方式進行液位修正。如圖4 所示趨勢，是差壓液位能夠有效折算密度后的狀態。密度計差壓示值變化即為容器內被測介質密度的變化趨勢，可以有效在線避免工況劇烈變化帶來的液位影響，實際應用效果顯著。

4 注意事項

4.1 組態優化

無論是采用直接測量還是間接測量密度方法進行修正，最終得出的推導公式都需要在控制系統側進行計算。從上述公式中可以看出，計算因果中存在除法關系。這就需要在組態時進行合理規避，要避免出現“除以0”的問題。對于大部分控制系統來說，例如ECS700、TRICON 等主流控制系統，一旦出現除數為0，容易出現算法錯誤，甚至CPU 停止的情況。而對于間接測量密度時，當差壓密度計不具備測量條件時，可以利用控制系統的組態進行有效判定、規避，對推導公式變量進行賦值等方式。在間接測量密度補償的應用中，還需要避免一種極端情況——液位降低過程。因為密度計差壓測量值處于公式中“除數”位置，液面下降至密度計上法蘭口以后，密度差壓測量值會跟隨減少，導致整個計算公式可能結果增大，與實際液位變化趨勢相反。整個液位變化趨勢可能出現：下降、突升、恢復下降。而這個突升過程就是一個虛假的計算結果，此時也需要在控制系統組態內進行組態干預。

4.2 密度測量過程優化

采用直接測量密度的方法時要選好測量點位置，要求測量的密度能夠實際反映介質內密度變化，不能存在死區、滯后等問題。通過計算公式可以看出，修正后的液位指示與被測密度存在單函數關系，這就需要密度測量要在液位建立之前就能有效測量。如果密度計的測量點高于雙法蘭液位計正壓測位置，就容易帶來附加偏差，導致實際有液位，而修正后液位偏差過大，甚至不顯示等情況。采用間接測量密度方法時，要根據容器液位建立條件進行位置選擇，應確保密度計雙法蘭測量點低于容器內實際液位。

5 結論

通過原理推導以及實際應用效果來看，基于密度補償形式的雙法蘭差壓液位計能夠有效修正容器內介質密度頻繁變化帶來的測量誤差，彌補了差壓式雙法蘭液位計的測量弊端。在保證雙法蘭原有測量優勢的前提下，實現了動態補償機制，提高了工藝的自動控制水平，以及安全聯鎖的可靠性。

本文所述的兩種密度補償方式都是通過液位計以外的測量手段進行測量和修正的，這也為諸多雙法蘭差壓液位計廠家帶來新的思路。傳統的差壓液位計在常規使用上已經無法滿足廣大客戶的特殊要求，一種自帶密度測量，甚至表頭實現密度折算的雙法蘭差壓液位計將有可能會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、密度一體化測量補償方式的同時，密度補償的方法在差壓式液位計上也會有更大的突破。