详解锅炉差压式水位传感器
第二部分
、差压式液位计概述
差压式液位计是利用液柱产生的压力来测量液位高度的仪表，在液位发生变化后，高压侧法兰处膜片所接收到的压力就会随之变化，变送器计算出的压差值也会随之发生变化，它们之间有线性的关系。通常情况下高压侧（H侧）与低压侧（L侧）不能装反，一般H侧装于设备低处，L侧装于设备高处。
变送器根据测量范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种。从精度角度讲一般压力变送器精度等级为0.5。所以近年来又可以分为高精度压力变送器（0.1或0.2或0.075）。
如果液相密度变化较大，则不宜采用差压式液位计。
二、差压式液位计的结构及工作原理
1、双法兰差压变送器结构：主要部件为传感器模块、电子元件外壳、毛细管、高低压侧法兰及膜片。
2、差压式液位计工作原理：将一个空间用敏感元件（多用膜盒）分割成两个腔室，分别向两个腔室引入压力时，传感器在两方压力共同作用下产生位移，这个位移量和两个腔室压力差（差压）成正比，将这种位移转换成可以反映差压大小的标准信号（4-20mADC信号）输出，毛细管、导压管、填充液的作用是将所接收到的压力传递给变送器内部进行运算。差压变送器所测量的结果是压强差，即△P=ρg△h。
三、差压式液位计的种类及应用
差压变送器有普通差压变送器和微差压变送器，根据外形结构可分为：单法兰式差压液位计、双法兰式差压液位计、平衡容器式差压液位计。
1、单法兰式差压液位计：单法兰液位变送器可对各种敞口容器进行液位测量，有平法兰和插入式法兰两种，它可以直接安装容器的法兰上。可以测量高温、高粘度、易结晶、易沉淀和强腐蚀等介质的液位、压力和密度。
与双法兰式差压液位计的区别：从工程应用来说：都只能测固定密度液体液位，单法兰变送器只能用于与大气想通的常压设备的液位，而双法兰变送器则可以适用密闭设备测液位；
2、双法兰式差压液位计：双法兰式液位变送器是使用毛细管法兰变送器进行测量，它相当于将变送器测量元件中的隔离膜片延长到设备开口处，可以有效的消除粘稠、腐蚀或存在严重相变的介质对测量带来的影响。
3、变送器毛细管内“硅油”常识
对于操作温度超过300℃的工况，我们一般不建议使用法兰膜片测量的方式。
工艺温度超过300℃，就会引起硅油膨胀，当超过硅油的汽化点，硅油就发生蒸发。可考虑导压管或者磁致伸缩液位计。
对于真空高温应用场合，不推荐使用毛细管远传方式。因为毛细管会随环境温度的升高，而引起变送器的响应时间延迟。
如果是190℃以内的真空和负压的工况下，选用毛细管在安装时，必须保证变送器去最低取压点位置在同一水平或低于最低取压点。在选型时要注意，毛细管长度要大于上下法兰间距至少1米。
硅油密度会随着环境温度的变化而变化，热胀冷缩也会引起膜盒作用力的变化，引起双法兰的测量误差。比如冬天中午和晚上温差很大，相对的误差就较大，艾默生由此提出不等长毛细管补偿方案，如果采用不等长配置，必须精确计算，否则可能带来更大的误差。
4、平衡容器式差压液位计：
平衡容器式差压液位计主要是由平衡容器、导压管和差压变送器三部分组成。平衡容器是作为测量汽水管路中的压力用的.采用平衡容器为了防止压力突变时导致引压管内的液柱随之波动，减小其测量水位时的误差。
4.1单室：
单室平衡容器，其水面高度L是一定的，当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入密闭容器；要降低时，由蒸汽冷凝水来补充。因此当平衡容器中的水密度一定时，正压管压力为定值，负压管与密闭容器连通的，输出压力的变化反映了容器内水位的变化。
现在单室平衡容器用的比较多，它把压力与密度的关系、温度与密度的关系等计算公式写入DCS系统，温度和压力变化后，由压力变送器、温度变送器把信号传入DCS系统，系统会自动计算水位变化。测量前应根据所测介质的性质，把平衡容器的堵头拆开，灌入冷水或其他液体作为隔离液。单室的平衡容器一般用来测量大型锅炉的汽包液位或者压力变化很大的容器。
4.2双室：
双室平衡容器由内外两层容室构成，平衡器的外层容室与锅炉汽包的蒸汽相连且充满了冷凝水；内层容室经平衡容器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，使用的是连通器原理，所以内层容室水位高度随汽包水位而变化。这样结构的双层容器保证了外层容室的水温基本相等，因而可以减少由于温度不同所产生的测量误差。当水面高于平衡器（外层）上端导压管时，水经导压管流入锅炉汽包，使外层容室水位高度始终保持不变。内层容室经平衡器下侧导压管与锅炉汽包水位相连，其水位高度随汽包的水位变化而变化。如果蒸汽的压力、温度参数恒定时，差压变送器的输出信号仅与锅炉汽包的水位有关。
双室平衡容器一般用来测小型锅炉的汽包液位或者本身压力变化不大的容器。
四、零点迁移
所谓零点迁移,就是为克服差压液位计在安装过程中,由于变送器取压口与容器取压口不在同一水平线或采用隔离措施后产生的零点偏移,而采取的一种技术措施。
在仪表施工的过程中，出于对设备安装位置和便于维护及工艺人员操作等方面的考虑，变送器不一定都能与取压点在同一水平面上；
又如被测介质是强腐蚀性或重粘度的液体，不能直接把介质引入变送器，必须安装隔离液罐，用隔离液来传递压力信号，以防被测仪表被腐蚀。这时就要考虑被测介质和隔离液柱对测压仪表读数的影响。
为了消除安装位置或隔离液对测压仪表读数的影响，因此要进行零点迁移，差压变送器使用应注意可用量程，包含硅油迁移量，特别是对于小量程差压变送器。零点迁移可分为三大类：无迁移、负迁移、正迁移。
无迁移举例：
差压式液位计是通过液体对变送器正负压室上产生的差压来进行测量的，如果变送器的正、负压室与容器的取压点处在同一水平面上，H=0时，ΔP=0；即ΔP=P正-P负=ρgH，压力会随着液位的升高而呈线性变化。
如储罐内的液体密度为1.2，液位在0-4m范围内浮动，求变送器的量程。
解：根据公式：ΔP=P正-P负=ρgH
满液位时：P1=1.2×9.8×4=47.06Kpa
空液位时：P1=1.2×9.8×0=0Kpa
满/空液位时：P2=0Kpa
变送器的量程为：0-47.06Kpa
正迁移举例：
当差压变送器在液位基准面下方h处时，这个时候就需要做正迁移了。
如储罐内的液体密度为1.2，液位H在0-4m范围内浮动，h为1m,求变送器的量程。
解：根据公式：ΔP=P正-P负=ρgH
低压侧P2：因与大气相通默认为0
高压侧P1：P1＝ρg(H+h)
满液位时：P1=1.2×9.8×（4+1）=58.8Kpa
空液位时：P1=1.2×9.8×（0+1）=11.76Kpa
变送器的量程为：11.76-58.8Kpa
结论：造成此台变送器零点正迁移的原因是液位为0时，仍然存在11.76Kpa液位压力施加给变送器正压侧。
负迁移举例：
如图所示的液位测量系统，气相导压管中充满的不是气体而是冷凝水（其密度与容器中的水的密度大致相等）。
如储罐内水的密度为1.0，液位H在0-2m范围内浮动，H0为2.5m,求变送器的量程。
解：根据公式：ΔP=P正-P负=ρgH
低压侧P2：P2＝ρgH0
高压侧P1：P1＝ρgH
低压侧满液位时：P2 =1.0×9.8×2.5=24.5Kpa
低压侧空液位时：P2 =1.0×9.8×2.5=24.5Kpa
高压侧满液位时：P1 =1.0×9.8×2=19.6Kpa
高压侧空液位时：P1 =1.0×9.8×0=0Kpa
根据公式：ΔP=P正-P负
满液位时：ΔP=19.6-24.5=-4.9Kpa
空液位时：ΔP=0-24.5=-24.5Kpa
变送器的量程为：-24.5至-4.9Kpa
结论：造成此台变送器零点负迁移的原因是液位为0时，仍然存在-24.5Kpa液位压力施加给变送器负压侧。
综上所述：当液位为0时，ΔP＞0时需要对变送器做正迁移，ΔP＜0时需要对变送器做负迁移，ΔP=0时无需对变送器做任何迁移。
变送器安装在不同位置对液位的影响
A:双法兰液位计安装在密闭容器低端法兰水平线以下,变送器安装在密闭容器低端法兰水平线以下, 如下图所示。
假设ρ介为介质密度=1.5，ρ0为硅油密度=0.93，H0为介质量程0-5m,H1=1m，H2=6m，求变送器的量程。
解：
量程：ΔP=ρ介×g×H0=1.5×9.8×5=73.5Kpa
高压侧空液位压力：P（+）=ρ0×g×H1=0.93×9.8×1=9.114Kpa
低压侧空液位压力：P（-）=ρ0×g×H2=0.93×9.8×6=54.684Kpa
空液位时压力差：ΔP=P（+）-P（-）=9.114-54.684=-45.57Kpa
满液位时压力差：ΔP=空液位压力差ΔP+量程值ΔP=-45.57+73.5=27.93Kpa
变送器的量程为：-45.57至27.93Kpa
B:双法兰液位计安装在密闭容器法兰水平线中间,变送器安装在密闭容器高低端法兰水平线中间,如下图所示。
假设ρ介为介质密度=1.5，ρ0为硅油密度=0.93，H0为介质量程0-5m,H1=2m，H2=3m，求变送器的量程。
解：
量程：ΔP=ρ介×g×H0=1.5×9.8×5=73.5Kpa
高压侧空液位压力：P（+）= ρ0×g×-H1=0.93×9.8×-2=-18.228Kpa
低压侧空液位压力：P（-）=ρ0×g×H2=0.93×9.8×3=27.342Kpa
空液位时压力差：ΔP=P（+）-P（-）=-18.228-27.342=-45.57Kpa
满液位时压力差：ΔP=空液位压力差ΔP+量程值ΔP=-45.57+73.5=27.93Kpa
变送器的量程为：-45.57至27.93Kpa
C:双法兰差压变送器安装在密闭容器高端法兰水平线以上,如下图所示。
假设ρ介为介质密度=1.5，ρ0为硅油密度=0.93，H0为介质量程0-5m,H1=6m，H2=1m，求变送器的量程。
解：
量程：ΔP=ρ介×g×H0=1.5×9.8×5=73.5Kpa
高压侧空液位压力：P（+）= ρ0×g×（-H1）=0.93×9.8×-6=-54.684Kpa
低压侧空液位压力：P（-）=ρ0×g×（-H2）=0.93×9.8×-1=-9.114Kpa
空液位时压力差：ΔP=P（+）-P（-）=-54.684-（-9.114）=-45.57Kpa
满液位时压力差：ΔP=空液位压力差ΔP+量程值ΔP=-45.57+73.5=27.93Kpa
变送器的量程为：-45.57至27.93Kpa
结论：从上面的计算中可以得出，双法兰液位变送器不管安装在什么位置，其量程和零点迁移量是一样的。实际安装中推荐第一种安装方法，其他两种易使硅油倒灌造成膜盒鼓包，损坏变送器。
来源：热控圈