隔膜差壓變送器在兩級氣柜液位計的運用

0、概 述
在我廠乙炔裝置生產中，乙炔氣柜、裂解氣氣柜是整個乙炔裝置生產工藝的重要組成部分，氣柜液位的測量帶有高低連鎖，是生產自動化控制中的重要環節。氣柜液位計的測量穩
定，關系后系統運行的穩定，是一個關鍵的測量參數。
1、原液位測量方式
我廠乙炔裝置中，氣柜是濕氣式氣柜，設置水槽，采用水密封形式，柜體由兩級塔組成，即鐘罩（一塔） 、中節Ⅰ（二塔） ，柜體隨著柜內氣體容量的變化而升降。氣柜液位的測量方法原采用的鋼帶式液位變送器來測量氣柜液位。如圖1。鋼帶式液位變送器包括鋼帶機構、位移傳動機構、變送器三部分。液位計安裝在氣柜下，鋼帶機構中鋼繩一端固定在氣柜頂部，鋼帶機構中鋼帶另一端通過導軌與液位計連接。隨著氣柜的升降，鐘罩帶動鋼帶，鋼帶的移動帶動了液位計中的位移傳動機構，其中的傳動齒輪將液位變化通過藕合器傳遞給變送器的電位器，由液位的變化引起的電阻值變化，產生4-20mADC輸出，由此測得氣柜液位。

鋼帶式液位計存在的問題：
（1）液位計隨著液位升降，鋼帶反復拉動變送器的電位器軸旋轉，導致電位器磨損、損壞，經常出現指示波動，致使液位計成為乙炔、裂解氣柜正常工作的隱患。
（2）液位計鋼帶導管（鋼管）突出空中過高，夏季雷雨期易成為雷擊點，容易被雷擊。
（3）傳動機構經常卡澀。
（4） 氣柜漂移、風吹等因素影響，鋼繩容易脫軌，出現卡死。
（5）鋼帶式液位計結構復雜，采用的VAREC產品，備件周期長，價格昂貴，成本高。
針對以上問題，采取了措施進行處理：
（1）電位器更換，但使用半年之后，該出現又問題。
（2）在氣柜頂部加裝避雷針，并在變送器表殼安裝防雷接地線，可以達到避雷效果。
（3）經常派人使用、扭動復位裝置，并加油潤滑。
（4）鋼繩卡死后，大吊車，已經處理了3次，大吊車費用比較高。
（5）產品更換，用國產的相近代替，但是使用半年后出現上述第1項問題。
乙炔氣柜、裂解氣氣柜是整個乙炔裝置生產工藝的重要組成部分，氣柜液位的測量帶有高低連鎖，是生產自動化控制中的重要環節。鑒于以上原因，我們對液位計進行改型，采用了單法蘭隔膜差壓變送器來測量。
2、現液位測量方式
2.1 差壓變送器工作原理
來自雙側的壓力直接作用于變送器傳感器雙側隔離膜片上，通過膜片內的密封液（一般為硅油）傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉
換器，經過放大等處理變為標準電信號（4-20mA DC的直流電流）輸出。

變送器的差壓公式：
ΔP=P + -P -
根據差壓公式，只要有壓差，那么差壓變送器就可以正常工作了。
2.2 差壓變送器測量液位
壓力是垂直作用在物體單位面積上的力，物理學上稱為壓強，用P表示，單位為帕斯卡，用Pa表示。
液體壓強產生的原因：是由于液體受到重力。
液體壓強特點：(1)液體對容器底和壁都有壓強，(2)液體內部向各個方向都有壓強；(3)液體的壓強隨深度增加而增大，在同一深度，液體向各個方向的壓強相等；(4)不同液體的壓強還跟密度有關系。
液體壓強計算公式：P=ρgh（ρ為液體密度，單位是千克/米3 ；g為9.8牛/千克；h為深度，指液體自由液到液體內部某點的豎直距離，單位是米） 。
根據液體壓強公式可得，液體的壓強與液體的密度和深度有關，而與液體的體積和質量無關。根據帕斯卡定律：液體的流動性，加在密閉液體任一部分的壓強，必然按其原來的大
小，由液體向各個方向傳遞。則液體某一點壓力的公式是P=P 0 +，P 0 為容器內壓力，ρgh為液體壓力。對于已知的液位，ρ、g為常數，P0不變，該點的壓力（壓強）就與液體高度有關，即壓力（壓強）隨液體深度的增加而增大。如圖3所示，液體內A、B、C三點，A、B點為同一深度，C點比A、B點深度要深，則三點的壓力關系：A點壓力P A ＝B點壓力P B ，C點壓力P C ＞A點壓力P A 。

利用液體自身重力的影響，在不同高度的壓力不同，產生壓力差。用壓力差來推算出液體的高度，這就是應用差壓變送器來測量液體的液位。如圖4所示。
變送器的差壓公式：
ΔP=P + -P -P + =ρgh+P 0 ；P - =P 0
ΔP=P + -P - =ρgh+P 0 -P 0 =ρgh

由于化工工廠有些液體介質存在有毒、有害、易燃、易爆、易腐蝕等對人體傷害的性質，為了安全，則采用法蘭隔膜將介質隔離，法蘭與變送器之間有毛細管連接，毛細管內充滿
硅油。測量液位的隔膜差壓變送器類型:雙法蘭隔膜差壓變送器、單法蘭隔膜差壓變送器等。
2.3 單法蘭隔膜差壓變送器的應用
在敞口容器中，測量液位多數采用單法蘭隔膜差壓變送器來測量，圖5。變送器的差壓公式：
ΔP=P + -P - ；P + =ρgh+ρ 硅油 gh 1 +P 大氣壓 ；P - =P 大氣壓ΔP=P + -P - =ρgh+ρ 硅油 gh 1在上述公式中，在液位高度h為零液位，差壓值ΔP為ρ 硅油gh 1 ，不為零，這是由于毛細管內硅油液體壓力的影響，這就需要遷移，目的是保證實際液位在零液位時，變送器輸出也為零，遷移量為ρ 硅油 gh 1 。遷移量＞0，為正遷移；遷移量＜0，為負遷移。

從遷移量公式中得，由于硅油自重的影響，在零液位時，如果存在以下情況，則遷移量也有所不同：
（1）設定的零液位時法蘭的安裝高度不同。
（2）變送器安裝位置高度發生變化。
（3）法蘭隨著設備安裝高度升降，而變送器固定不動。為了進一步了解毛細管內硅油壓力的作用，做一個這樣的實驗：
單法蘭隔膜差壓變送器固定好，負壓側與大氣相通，正壓側與單法蘭隔膜毛細管相連，電路部分連接好，用電流表串接在電流回路中檢測變送器的輸出。實驗者手舉單法蘭上下移
動，差壓變送器輸出電流也跟著變化。這一實驗表明，由于毛細管內硅油液體受到重力的作用，產生了液體壓力，單法蘭隔膜差壓變送器在沒有外加壓力下，差壓變送器的差壓值由毛細管內硅油液體壓力產生，并隨著高度增加而增大。
利用這一實驗，目前我廠采用單法蘭隔膜差壓變送器來測量氣柜液位。安裝如圖6所示。
單法蘭隔膜差壓變送器固定在二級檢修平臺上，負壓側通大氣，正壓側采用單法蘭隔膜毛細管連接，法蘭固定在鐘罩頂部，變送器正壓側的壓力即為毛細管內硅油自重產生的壓力，隔膜隨著氣柜升降，差壓變送器的輸入壓力也隨之而變，產生4-20mADC輸出，由此測得氣柜液位。

變送器的差壓公式：
ΔP=P + -P -
P + =ρ 硅油 gh+P 大氣壓
P - =P 大氣壓
ΔP=P + -P - =（ρ 硅油 gh+P 大氣壓 ）-P 大氣壓 =ρ 硅油 gh我廠氣柜液位測量高度為18米，則測量量程：
ΔP=ρ 硅油 gh=0.93*1000*9.8*18=164.052kPa硅油密度ρ取0.93*1000kg/m3，g～9.8牛/千克在液位高度h為零液位時，硅油自重的影響，差壓值ΔP=ρ 硅油 gh 1 不為零，這就需要遷移，保證變送器輸出為零。在氣柜液位高度h為零液位時，法蘭隔膜低于變送器安裝位置，遷移量＜0，需要負遷移。假如變送器固定在氣柜液位的中點位置，h 1 =9米，遷移量=ρ 硅油 gh 1 =0.93*1000*9.8*（-9）=-82.026kPa,變送器的組態測量范圍：-82.026～82.026kPa。
（1）單法蘭隔膜差壓變送器測量液位的要求：
①單法蘭隔膜差壓變送器需要定制，我廠采用的羅斯蒙特變送器，毛細管zui長長度為15米。由于氣柜采用兩節塔節，總高度到達20米，變送器只需安裝在中間二級檢修平臺上，
這樣就能滿足氣柜達到zui高、zui低時的長度要求。
②查詢變送器廠家提供的相關詳細資料，硅油密度要準確，不然影響測量，產生誤差。
③設定變送器的測量范圍時，需要先將變送器固定后再進行，并且需要和工藝人員溝通，確認氣柜的中間高度。
④變送器的安裝位置要選擇在背風處，不要被風吹動，盡量使毛細管穩定，并且比較空曠的空間，使毛細管不要與周圍框架絞纏。
⑤法蘭隔膜的安裝方向不要向上，防止積水和下雨時落雨沖擊膜片產生附加外力，影響測量結果。
（2）單法蘭隔膜差壓變送器校驗方法：
①將儀表負壓側通大氣，正壓側配裝法蘭加相應壓力，接通電源穩定3min后，此時變送器為4mA，若有偏差則在調校菜單內調整零點，使之輸出為4mA。
②變送器正壓側配裝法蘭輸入量程信號，負壓側配裝法蘭加相應壓力，變送器輸出為20mA，若有偏差則在調校菜單內調整量程使之輸出為20mA。
③重復步驟（1） 、 （2）使之符合要求為止。
④將測量范圍分為5點，按0%、25%、50%、75%、
逐點輸入信號，變送器的輸出值應在允許范圍內，若超差，反復調整零位、量程。
3、單法蘭隔膜差壓變送器與鋼帶液位計測量的比較，優點3.1 結構不同
單法蘭隔膜差壓變送器結構簡單，組成部件少：單法蘭隔膜、毛細管、差壓變送器，全部都密封，無可動部件。鋼帶式液位計結構復雜：鋼帶、位移傳動機構、變送器，可動部件
多，容易出現卡澀現象。
3.2 測量原理不同
差壓變送器測量傳感器雙側隔離膜片上的壓力差，測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器，經過放大等處理變為標準電信號輸出。而鋼帶式液位計通過鋼帶的移動帶動了液位計中的位移傳動機構，其中的傳動齒輪將液位變化通過藕合器傳遞給變送器的電位器，由液位的變化引起的電阻值變化，產生標準電信號輸出，電位器的長期滑動，容易磨損、損壞，電阻值出現死區，使得測量值出現波動、不穩定。
3.3 校驗方法
單法蘭隔膜差壓變送器校驗方法簡單、方便、易于操作，只需通過對膜盒打壓，用475手操器設定變送器 （變送器帶HART協議） 的量程。而鋼帶式液位計需要在鐘罩上拉動鋼
繩，上下配合。
3.4 人工成本
單法蘭隔膜差壓變送器維修、校驗時只需人力2人。而鋼帶式液位計校驗時，需要上下配合，人力4人。
3.5 維修維護成本
差壓變送器備件通用性強，如果只是電路板出問題，只需更換表頭電路板。而鋼帶式液位計備件專一性強。
3.6 費用成本
單法蘭隔膜差壓變送器備件表計整體價格便宜，比原鋼帶液位計的一塊電路板的價格還低。
通過一年時間的應用，單法蘭隔膜差壓變送器測量氣柜液位滿足了工藝生產的要求，儀表故障率、日常維護量為零，消除了鋼帶液位計存在的問題，保證了氣柜穩定運行，為整個裝置的“長、滿、優、穩”運行提供了保障。