淺析雙法蘭差壓變送器測(cè)量液位的三種安裝方法：
雙法蘭差壓變送器在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)中，使用平面式雙法蘭差壓變送器對(duì)流量、壓差、液面、介面進(jìn)行測(cè)量是很普遍的，尤其對(duì)高粘度介質(zhì)的流量和液面的測(cè)量使用更為廣泛，本單位就使用了大量的平面式法蘭差壓變送器來(lái)測(cè)量重介質(zhì)的液面和流量，但在使用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。
主要問(wèn)題在使用大直徑的平面式法蘭差壓變送器時(shí)，在檢測(cè)范圍的初始段（約15%以內(nèi)）和檢測(cè)范圍的終段（約85%以上）呈現(xiàn)出不同程度的非線性問(wèn)題。在小量程的液位檢測(cè)時(shí)非線性問(wèn)題體現(xiàn)的尤為嚴(yán)重，故而無(wú)法使用。當(dāng)時(shí)解決方案采用小直徑的平面式雙法蘭差壓變送器，問(wèn)題得到了一些緩解，但只是非線性區(qū)域縮小了， 但沒有從根本上解決問(wèn)題。對(duì)于小量程的液位檢測(cè)問(wèn)題， 無(wú)奈之下， 采用了更換檢測(cè)方式（采用通用差壓變送器）解決了檢測(cè)過(guò)程中的非線性問(wèn)題， 但是由于引壓系統(tǒng)易阻塞等問(wèn)題在檢測(cè)過(guò)程中故障頻發(fā)且數(shù)據(jù)的可靠性仍不如人意。經(jīng)單位許多工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)工作中的觀察及對(duì)在液位檢測(cè)時(shí)平面式雙法蘭差壓變送器檢測(cè)性的深入解讀，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，下面就對(duì)用平面雙法蘭式差壓變送器測(cè)液面的經(jīng)驗(yàn)， 如：檢測(cè)的非線性、於堵等問(wèn)題的解決，闡述一下分析和做法。
一、平面雙法蘭式差壓變送器測(cè)液面的檢測(cè)原理
平面式雙法蘭差壓變送器測(cè)液面的垂直式安裝方案如圖1 所示， 這是一種常規(guī)的安裝方式，也是一般儀表使用說(shuō)明書中提供的安裝方案。
圖1 常規(guī)垂直安裝方案
Fig.1 Conventional vertical installation
由液體靜力學(xué)可知，以P0為基本感壓面感受的壓力將隨著液位高度的變化而變化，其關(guān)系式為
P0=HX ρg （1）
由式（1）可知，P0感受的壓力與液位的高低變化呈線性關(guān)系，因此只要檢測(cè)出壓力P0
即可得知工藝設(shè)備內(nèi)部的實(shí)際液位高度。工藝設(shè)備內(nèi)部液位的實(shí)際檢測(cè)運(yùn)算如下：
以上描述的是平面法蘭式差壓變送器進(jìn)行液位檢測(cè)的推導(dǎo)過(guò)程，同樣也是差壓式變送器檢測(cè)液位的基本原理。
二、圓形膜片的感壓過(guò)程
平面式雙法蘭式差壓變送器一般是由2 個(gè)圓形感壓膜片組成，分別去感受儀表正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)的壓力，對(duì)圓形感壓膜片的過(guò)程進(jìn)行分析，即可得到合理的感壓過(guò)程的結(jié)論。圖2 所示為感壓膜片的簡(jiǎn)圖。膜片感壓過(guò)程的基本公式為：
感壓法蘭側(cè)視圖 感壓法蘭正視圖
圖2 感壓法蘭簡(jiǎn)圖
Fig.2 Shock flange diagram
式中：P 為圓形金屬膜片實(shí)際感受的壓強(qiáng)；H 為圓形感壓膜片的直徑， 同時(shí)也是液面從0～H 的液位高度；S 為感壓膜片的表面積；ρ 為被測(cè)介質(zhì)的密度；g為重力加速度。
式（9）表明了圓形感壓膜片的感壓過(guò)程是非線性的， 它是隨著感壓膜片浸入液體中的深度變化（線性）感壓膜片的感壓面積在做著非線性的變化，圖3 所示為液位變化與感壓的關(guān)系曲線。
圖3 液位變化與感壓的關(guān)系曲線
Fig.3 Relationship between liquid level change and sensory
三、平面式雙法蘭差壓變送器進(jìn)行液位檢測(cè)的3 種安裝方案
3.1 平面式雙法蘭變送器的垂直安裝方案
如圖4 是一種由產(chǎn)品說(shuō)明書提供的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)安裝方式，此種安裝方式比較常見，現(xiàn)在一般企業(yè)在使用平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面（介面）時(shí)還是多用此種安裝方案，容器內(nèi)的液位水平面與平面式雙法蘭變送器的圓形感壓膜片呈垂直的90°夾角，故又被稱之為平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面（介面）的垂直安裝方案。
圖4 垂直安裝方案示意圖
Fig.4 Vertical installationscheme
在圖4 中，液體壓力作用在垂直安裝的正壓側(cè)圓形感壓膜片的表面上，作用在垂直安裝的負(fù)壓側(cè)圓形感壓膜片表面上的壓力，起初是容器內(nèi)的氣體壓力，隨著液位的上升，負(fù)壓感壓膜片表面上的受壓隨著被液體的逐漸浸沒也進(jìn)入了非線性模式，平面式雙法蘭液位變送器檢測(cè)的基本運(yùn)算為P＋的感壓運(yùn)算：
由式（13）可得到平面雙法蘭變送器測(cè)量液面（介面）垂直安裝方案的感壓曲線，圖5 所示為垂直安裝方案液位變化與差壓的關(guān)系曲線。（注：通常正壓法蘭的感壓直徑與負(fù)壓法蘭的感壓直徑是相等的）
圖5 垂直安裝方案液位變化與差壓的關(guān)系曲線
Fig.5 Relationship between the change of liquid level
and differential pressure in vertical installation scheme
3.2 平面式雙法蘭變送器的下傾式安裝方案
為提高測(cè)量的精度，改善檢測(cè)的非線性和提高可靠性，減少故障，取重介質(zhì)污物堆積和粘稠附著物體測(cè)量帶來(lái)的影響。我們采用了如圖6 所示的測(cè)量安裝方案。
圖6 下傾式安裝方案
Fig.6 Downpour installation scheme
由于法蘭的感壓面與容器內(nèi)的被測(cè)液面呈一定的夾角，故稱之為下傾式安裝方案。這種安裝方案使H+0（H-0）的有效高度（感壓距離）縮短了，根據(jù)測(cè)量感壓公式式（13）得知，當(dāng)H+0縮短后，式（13）中部分的數(shù)值將會(huì)變小，這樣一來(lái)儀表的測(cè)量零點(diǎn)（或感壓膜的下部）便會(huì)向感壓膜片的中心線靠攏，感壓運(yùn)算如下：
依據(jù)式（14），我們得到了如圖7 所示垂直安裝方案液位變化與差壓的關(guān)系曲線，式（14）感壓公式中部分的數(shù)值變小，使測(cè)量中非線性段占全量程的百分比也小了，提高了全量程檢測(cè)的契合度。
圖七
3.3 平面式雙法蘭變送器的水平式安裝方案
為了*解決平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面（介面） 的非線性問(wèn)題及在小范圍的測(cè)量中無(wú)法正常使用的問(wèn)題，經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員的研討，我們提出了第三種測(cè)量安裝方式即水平式安裝方案， 如圖8所示。
圖8 水平式安裝方案簡(jiǎn)圖
Fig.8 Horizontal installation scheme
這種安裝方式由于感壓膜片的平面與容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的水平面是平行的且在同一平面，故稱之為水平安裝方案。由感壓公式式（13）得知，當(dāng)H+0不再變化時(shí)，也就是說(shuō)感壓膜片的感壓面積不再隨液位浸沒的變化而變化時(shí)，式（13）中的正壓部分和負(fù)壓
片的感壓斜率為零，所以非線性部分的變化率也為零，故爾，這種測(cè)量安裝方式不存在非線性的問(wèn)題，使儀表的全量程的測(cè)量精度有了*的改觀。同時(shí)，感壓膜片所在的水平面即為儀表測(cè)量的感壓零點(diǎn)，這樣就解決了測(cè)量零點(diǎn)界面不清晰，儀表輸出零點(diǎn)不易確定的問(wèn)題，感壓運(yùn)算如下：
這種水平測(cè)量安裝方案從根本上*解決了常規(guī)測(cè)量安裝方式、垂直測(cè)量安裝方案和下傾測(cè)量安裝方案中原本存在的諸多問(wèn)題，使測(cè)量采樣更趨合理，所以適用于各種測(cè)量范圍和介質(zhì)的液面及介面的測(cè)量， 液位變化與差壓的關(guān)系曲線如圖9 所示，*解決了檢測(cè)中出現(xiàn)的非線性問(wèn)題。
圖九
四、三種安裝方案的使用分析
4.1 三種安裝方案感壓過(guò)程分析在相同的量程范圍下，使用同一種平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面（參數(shù)相同）的情況下得到分析結(jié)果如表1 所示。
4.2 使用維護(hù)點(diǎn)
4.2.1 平面式雙法蘭變送器的垂直安裝方式的點(diǎn)適用于一般測(cè)量精度要求不高的大測(cè)量范圍的場(chǎng)合，當(dāng)液位檢測(cè)范圍與法蘭感壓膜片直徑的比值較小時(shí)，儀表在低量程區(qū)間和高量程區(qū)間的線性都會(huì)比較差，在儀表測(cè)量范圍比較小時(shí)（如檢測(cè)范圍較小的情況時(shí)）且測(cè)量精度要求較高時(shí)，由于其非線性段占測(cè)量范圍的百分比數(shù)值較大，就會(huì)從儀表的測(cè)量初始段及的末尾段，會(huì)有很大的一段區(qū)間出現(xiàn)非線性誤差，這個(gè)誤差是無(wú)法修正的，所以測(cè)量的結(jié)果也就不是那么盡如人意。式（13）中的第二部分是當(dāng)液面越過(guò)了H+0高度后膜片的感壓面積不再發(fā)生變化的一段，這段為感壓的線性段，在這段中， 感壓膜片的受力雖仍為正弦性， 但膜片的水平中心線的上下兩側(cè)是*對(duì)稱的，所以膜片上下兩部分的平均受力正好為膜片水平中心線上的受力，故當(dāng)ΔHmax＞H0時(shí)則取膜片面積上的平均受力即可。當(dāng)測(cè)量介質(zhì)不清潔且粘稠易凝并含有較多的介質(zhì)時(shí)，垂直安裝方式不論是大范圍的還是小范圍的測(cè)量都不會(huì)獲得令人滿意的測(cè)量結(jié)果。在我們的多次檢修中發(fā)現(xiàn)，粘稠介質(zhì)和雜質(zhì)會(huì)附著在感壓膜片的表面，改變了感壓膜片的表面張力，改變了力的傳遞的大小，時(shí)間長(zhǎng)久附著在感壓膜片表面的雜質(zhì)還會(huì)固化或附著在感壓膜片上（一般是感壓膜片的下部附著物較多）， 使儀表的測(cè)量出現(xiàn)明顯的偏差（一般儀表指示偏低）。目前，為克服以上的問(wèn)題各使用單位一般采用加溫的防冷凝，加沖洗液的方式防雜質(zhì)堵塞。但當(dāng)壓力傳遞通道沒有堵到一定程度時(shí)，沖洗液起不到明顯的作用，雜質(zhì)依舊附著或堆積在膜片的下半部，垂直安裝方案所示的正壓入口處，這種安裝方案同時(shí)還存在測(cè)量的零點(diǎn)界面不清楚的問(wèn)題。于是，我們根據(jù)實(shí)踐采用了下傾式取壓安裝方案。
4.2.2 平面式雙法蘭變送器的下傾式取壓安裝的點(diǎn)
下傾式取壓安裝方式使H+0（H-0）的有效高度（感壓距離）縮短了，提高了測(cè)量的精度改善檢測(cè)的非線性和提高可靠性，降低了重介質(zhì)污物在取壓口堆積的可能性， 和粘稠附著物體測(cè)量帶來(lái)的影響，提高了全量程檢測(cè)的契合度和可靠性。
下傾式取壓使導(dǎo)壓管中的重介質(zhì)污物自然滑落入容器中，不易在導(dǎo)壓管內(nèi)產(chǎn)生污物堆積，方便了介質(zhì)交換。同時(shí)由于法蘭面有一定的傾斜角度給附著物在法蘭面的附著帶來(lái)了一定的困難。當(dāng)選擇合適的導(dǎo)管長(zhǎng)度時(shí)熱傳遞和介質(zhì)交換會(huì)使附著物（或冷凝物）液化。這樣就基本上解決了重質(zhì)污物的堆積堵塞和冷凝堆積的問(wèn)題。這種測(cè)量安裝方案一般適用于大測(cè)量范圍的液位測(cè)量。但是測(cè)量效果只是相對(duì)垂直式安裝有所改善，但并沒有從根本上解決非線性和測(cè)量零點(diǎn)不清晰的問(wèn)題。
4.2.3 平面式雙法蘭變送器的水平安裝的點(diǎn)
為了解決小范圍的測(cè)量存在的非線性和測(cè)量零點(diǎn)界面不清的問(wèn)題，提出了水平安裝方案，這種安裝方案中，由于感壓膜片的感壓平面與容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的水平面基本是平行的，感壓膜片的感壓過(guò)程是積的，沒有漸浸過(guò)程，故這種測(cè)量安裝方案不存在非線性的問(wèn)題，推論結(jié)果表明，儀表在全量程范圍內(nèi)的測(cè)量精度有了*的改觀。同時(shí)，感壓膜片所在的水平面即為儀表測(cè)量的感壓零點(diǎn)，這樣就解決了測(cè)量零點(diǎn)界面不清晰，儀表輸出零點(diǎn)不易確定的問(wèn)題，同時(shí)也增加了檢測(cè)的反應(yīng)靈敏度。
五、實(shí)際應(yīng)用
本廠使用平面法蘭式差壓變送器的情況：
例1 我廠的催化裂化裝置中的容6， 容7 液面原使用通用的差壓變送器進(jìn)行測(cè)量， 故障頻發(fā)，每天要打沖洗油清掃導(dǎo)壓系統(tǒng)，很不理想，經(jīng)分析多為采樣系統(tǒng)。后采用平面式雙法蘭差壓變送器，縮短了介質(zhì)的引出（導(dǎo)壓）距離，采用標(biāo)準(zhǔn)的垂直安裝方案（由于容6，容7 的測(cè)量范圍很大均在10000mm 左右；），經(jīng)試驗(yàn)證明效果很理想，大大地降低了故障發(fā)生率，同時(shí)也降低了儀表工的勞動(dòng)強(qiáng)度。
例2 在催化裂化裝置的塔三底液位及總進(jìn)料的流量檢測(cè)中原均使用了通用的差壓變送器，故障頻發(fā)，經(jīng)分析也多為采樣系統(tǒng)的問(wèn)題，后采用平面式雙法蘭差壓變送器，雖解決了引壓系統(tǒng)頻繁阻塞的問(wèn)題，但出現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的非線性問(wèn)題，為了解決非線性問(wèn)題，我們引入了水平式安裝方案（塔三底液位的測(cè)量范圍在850 mm 左右），改造后，現(xiàn)已運(yùn)行了數(shù)年故障率低， 改造一年后將伴熱取消，效果依舊很好，別是在冬季，儀表工的工作量有了大幅的下降。
擴(kuò)展閱讀：銘宇儀表科技
會(huì)員_a.png)