汪勁松

* 東華工程科技股份有限公司 合肥 230034

遠傳差壓液位測量受環(huán)境溫度影響的誤差分析

汪勁松

*東華工程科技股份有限公司 合肥 230034

分析因環(huán)境溫度變化，利用隔膜密封系統(tǒng)在測壓過程中存在偏差的原因，通過實例計算，對對稱與非對稱式遠傳差壓液位測量系統(tǒng)進行誤差的比較和分析，提出液位測量系統(tǒng)的選型建議。

隔膜密封系統(tǒng) 遠傳差壓液位測量 環(huán)境溫度 誤差分析

在化工生產過程中，利用遠傳隔膜密封系統(tǒng)測量生產過程中的壓力與液位參數(shù)，有著非常廣泛的運用。對液位參數(shù)的測量，一般采用對稱或非對稱式遠傳差壓的方式，普遍認為對稱式系統(tǒng)可消除環(huán)境溫度波動對液位測量的影響，但在工程應用過程中，其測量值與實際液位仍然存在一定偏差，給生產過程的監(jiān)控帶來不利影響。

首先簡單介紹隔膜密封系統(tǒng)的測量原理與遠傳差壓液位的測量方式，繼而從環(huán)境溫度變化的角度，分析遠傳隔膜密封系統(tǒng)在測壓過程中產生誤差的影響因素，再通過實例計算，分別對對稱與非對稱式液位測量系統(tǒng)所產生的誤差進行比較，綜合理論分析和計算結果，提出液位測量系統(tǒng)的選型建議。希望對相關設計和應用人員提供一定參考和幫助。

1 測量原理與測量方式

隔膜密封系統(tǒng)是利用膜片與填充液將過程介質與變送器的傳感元件完全隔離，使介質不直接接觸傳感元件。當膜片承受過程壓力時產生形變，經毛細管或直裝式連接件內的填充液將壓力傳遞到變送器的傳感元件上，通過內置電路，將傳感元件產生的位移轉換成模擬或總線信號。

利用遠傳差壓隔膜密封系統(tǒng)測量液位，一般采用兩種方式：對稱式與非對稱式，兩者的測量原理見圖1。

對稱式遠傳差壓液位測量，在差壓變送器高、低壓側分別裝有相同型號規(guī)格的遠傳隔膜密封件；非對稱式遠傳差壓液位測量，變送器高壓側直接安裝在設備本體上，低壓側與隔膜密封件之間以毛細管連接。

圖1 對稱與非對稱式遠傳差壓液位測量

2 環(huán)境溫度的影響

遠傳隔膜密封測壓系統(tǒng)的溫度性能主要有兩點影響因素：膜片的剛度與填充液的溫度特性[1]。

膜片的剛度為膜片的固有特性，主要與膜片的材質、厚度、直徑等有關。直徑較大的膜片彈性更大，當填充液體積發(fā)生膨脹或收縮時，彈性較大的膜片可以更好的吸收填充液體積上的變化，降低了變送器傳感元件部位所承受的壓力波動，因此選擇較大直徑的膜片，可減少因填充液體積變化所致的測量誤差。

填充液的溫度特性主要反映在兩個方面，一是溫度對填充液體積的影響：填充液會隨溫度的變化產生膨脹或收縮的現(xiàn)象[2]。其體積的單位變化量主要與液體的體積膨脹系數(shù)有關，即當溫度改變1℃時，液體體積的變化與其在0℃下的體積之比。而毛細管中的填充液體積越大，其產生的總變化量也越大，因此為減小體積變化量，一方面可選擇體積膨脹系數(shù)較小的填充液，另一方面通過減少毛細管的長度與內徑，使填充液體積盡量小。但減少毛細管內徑會增強填充液的節(jié)流效果，減緩壓力的傳遞，導致測量系統(tǒng)的響應時間增加，因此在選擇毛細管內徑時需綜合考慮兩者關系。綜上所述，填充液體積變化的大小與溫度的變化量、膜片剛度、毛細管的長度和內徑以及填充液自身特性等因素有關；二是溫度對填充液密度的影響：填充液密度會隨溫度的變化而增大或減小。若取壓點與變送器之間存在高度差，設計時確定的變送器零點遷移量則會發(fā)生改變，該變量的大小取決于溫度的變化量、填充液自身特性以及變送器與取壓點之間的高差。

綜合以上分析，當變送器低于取壓口時，環(huán)境溫度對遠傳隔膜密封系統(tǒng)的影響見表1。

表1 環(huán)境溫度變化對測壓系統(tǒng)的影響

3 環(huán)境溫度對測量誤差的實例計算

對于對稱式液位測量系統(tǒng)，由于變送器兩側均采用完全相同的遠傳隔膜密封件，因此溫度對變送器兩側填充液體積的影響相互抵消。而對于非對稱式液位測量系統(tǒng)，則需分別考慮溫度對填充液體積和密度產生的影響。

以北方某化工項目為例，該地區(qū)環(huán)境溫度-25.5～39.7℃，設備法蘭間距3600mm，設計選用DC200硅油作為填充液，膜片材質316L，過程連接法蘭尺寸3″，毛細管內直徑1.1mm、長度4m。

液位測量系統(tǒng)的設計遷移量：

△P遷=h·sg=32.81 kPa

(1)

式中，h為過程連接法蘭的間距，mm；sg為填充液在25℃時的比重。

對稱式液位測量系統(tǒng)，環(huán)境溫度為-25.5℃時，因填充液體積變化引起的測量誤差相互抵消：

∈體=∈高壓側-∈低壓側=0 kPa

(2)

因填充液密度變化引起的測量誤差：

∈密=h·sg·γ·△T=-1.80 kPa

(3)

式中，γ為填充液的體積膨脹系數(shù)，1/℃；△T為環(huán)境與設計溫度的差值，℃。繼而可得系統(tǒng)的綜合誤差為：

∈總=∈體+∈密=-1.80 kPa

(4)

同理，環(huán)境溫度為39.7℃時，對稱式系統(tǒng)的測量誤差分別為：

∈體=0 kPa ∈密=0.52kPa ∈總=0.52 kPa

非對稱式液位測量系統(tǒng)，環(huán)境溫度為-25.5℃時，通過公式(2)：

∈體=∈高壓側-∈低壓側=-0.31 kPa

該部分計算比較復雜，涉及到多方面因素的作用，上面結果是通過由艾默生公司提供的Instrument Toolkit軟件計算導出的。

因密度變化引起的測量誤差與綜合誤差與對稱式系統(tǒng)的計算方法相同，可得：

∈密=-1.80 kPa ∈總=-1.42 kPa

同理，環(huán)境溫度為39.7℃時，非對稱式系統(tǒng)的測量誤差分別為：

∈體=-0.15 kPa ∈密=0.52 kPa ∈總=0.38 kPa

將上面計算結果進行對比，極端環(huán)境溫度下測量誤差及其與遷移量的比例計算見表2。

表2 極端環(huán)境溫度下測量誤差及其與遷移量的比例

將不同的環(huán)境溫度帶入式(2)～(4)進行計算，可得環(huán)境溫度變化對對稱與非對稱式液位系統(tǒng)測量液位所產生的誤差關系曲線，見圖2。

圖2 對稱與非對稱式差壓液位測量綜合誤差

通過上述計算結果，可得結論：

(1)當環(huán)境溫度波動時，填充液體積和密度的變化對液位測量系統(tǒng)的影響相反，這與表1中的理論分析是一致的，并且填充液密度的變化相較體積對液位測量的影響更顯著。

(2)對稱式液位測量系統(tǒng)無法完全消除環(huán)境溫度的影響，非對稱式液位測量系統(tǒng)相較對稱式，其測量值受溫度變化所產生的綜合誤差略小。

(3)當項目所在地區(qū)的溫差較大，測量系統(tǒng)的環(huán)境溫度偏離設計值較多時，若生產工藝對液位測量有較高的精度要求，建議在控制系統(tǒng)中對實測液位進行環(huán)境溫度補償。

(4)填充液密度變化對液位測量誤差的影響因素較少，當填充液種類和設備確定之后，誤差僅與環(huán)境偏離設計溫度的差值有關，且成正比關系，通過式(3)可對遷移量的誤差進行修正。填充液體積變化對液位測量誤差的影響因素較多，且關系較為復雜，同時隨著儀表使用時間的延長，膜片自身性能可能發(fā)生改變，因此難以通過公式對誤差值實時修正。所以，當控制系統(tǒng)需要對測量值進行溫度補償時，選擇對稱式差壓液位測量系統(tǒng)更為方便。

4 結 語

分析當環(huán)境溫度變化時，遠傳隔膜密封系統(tǒng)測壓產生偏差的原因，對比對稱與非對稱式系統(tǒng)在液位測量中所產生的誤差，通過理論分析和數(shù)據(jù)計算，提出對稱式系統(tǒng)無法完全消除環(huán)境溫度的影響，并給出遠傳差壓液位測量系統(tǒng)的選型建議。

1 楊 陽. 遠傳隔膜密封壓力變送器溫度影響的分析[J]. 自動化儀表，2015(11)：57-60.

2 李宏偉，李勝利. 合理選用隔膜密封壓力變送器[J]. 石油化工自動化，2008(5)：77-78.

2016-08-25)

*汪勁松：助理工程師。2012年畢業(yè)于中國石油大學(華東)控制科學與工程專業(yè)獲碩士學位。從事自控設計工作。 聯(lián)系電話：13695658290，E-mail：2366658049@qq.com。