利用差壓變送器測量液位時的遷移原理以及故障分析

【摘要】: 本文詳細論述了利用差壓變送器測量液位時的遷移原理，并結合筆者的經驗給出了帶遷移的差壓變送器故障的具體分析方法。

【液面的遷移】
    在應用差壓變送器測量液面時，如果差壓變送器的正、負壓室與容器的取壓點處在同一水平面上，就不需要遷移。而在實際應用中，出于對設備安裝位置和便于維護等方面的考慮，測量儀表不一定都能與取壓點在同一水平面上; 又如被測介質是強腐蝕性或重粘度的液體，不能直接把介質引入測壓儀表，必須安裝隔離液罐，用隔離液來傳遞壓力信號，以防被測儀表被腐蝕。這時就要考慮如何消除介質和隔離液的液柱對測壓儀表讀數造成的影響，從而提高儀表的靈敏度。遷移分為無遷移、負遷移和正遷移。

【1 無遷移】
    將差壓變送器的正、負壓室與容器的取壓點安裝在同一水平面上，如圖1 所示。

設A 點的壓力為P負，B 點的壓力為P正，被測介質的密度為ρ，重力加速度為g，則ΔP = P正－ P負=ρgh + P負－ P負= ρgh; 如果為敞口容器，P 負為大氣壓力，ΔP = P正－ ρgh，由此可見，如果差壓變送器正壓室和取壓點相連，負壓室通大氣，通過測B 點的表壓力就可知液面的高度。當液面由h = 0 變化為h = hmax時，差壓變送器所測得的差壓由ΔP = 0 變為ΔP = ρghmax，輸出由4mA 變為20mA。假設差壓變送器對應液位變化所需要的儀表量程為0 ～ 30kPa，當液面由空液面變為滿液面時，所測得的差壓由0 變為30kPa。

【負遷移】
　　如圖2 所示，為了防止密閉容器內的液體或氣體進入差壓變送器的取壓室，造成引壓管線的堵塞或腐蝕，在差壓變送器的正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離液罐，并充以隔離液，其密度為ρ1。

　　
　　當H = 0 時，P正= ρ1gh1 P負= ρ1g( H + h1)ΔP = P正－ P負= － ρ1gH
　　當H = Hmax時，P正= ρ1gh1 + ρgH P負= ρ1g( H +h1)
　　ΔP = P正－ P負= ρgH － ρ1gH = ( ρ － ρ1) gH
　　當H = 0 時，ΔP = － ρ1gH，在差壓變送器的負
　　壓室存在一靜壓力ρ1gH，使差壓變送器的輸出小于4mA。當H = Hmax時，ΔP = ( ρ － ρ1) gHmax，由于在實際工作中ρ ＞ ρ1，所以，在最高液位時，負壓室的壓力也遠大于正壓室的壓力，使儀表輸出仍小于實際液面所對應的儀表輸出。這樣就破壞了變送器輸出與液位之間的正常關系。
　　為了使儀表輸出和實際液面相對應，就必須把負壓室引壓管線這段H 液柱產生的靜壓力ρ1gH 消除掉，要想消除這個靜壓力，就要調校差壓變送器，也就是對差壓變送器進行負遷移，ρ1gH 這個靜壓力叫做遷移量。
　　調校差壓變送器時，負壓室接輸入信號，正壓室通大氣。假設儀表的量程為30kPa，遷移量ρ1gH =30kPa，調校時，負壓室加壓30kPa，調整差壓變送器零點使其輸出為4mA; 之后，負壓室不加壓，調整差壓變送器量程直至輸出為20mA，中間三點按等刻度校驗。輸入與輸出的關系見表1。

　　
　　當液面由空液面升至滿液面時，變送器差壓由ΔP = － 30kPa 變化至ΔP = 0kPa，輸出電流值由4mA 變為20mA。
　　
【 正遷移】
　　在實際測量中，變送器的安裝位置往往與最低液位不在同一水平面上，如圖3 所示。容器為敞口容器，差壓變送器的位置比最低液位低h 距離，ΔP= P = ρgH + ρgh。
　　當H = 0 時，ΔP = ρgh，在差壓變送器正壓室存在一靜壓力，使其輸出大于4mA。
　　當H = Hmax時，ΔP = ρgH + ρgh，變送器輸出也遠大于20mA，因此，也必須把ρgh 這段靜壓力消除掉，這就是正遷移。
　　
　　
　　調校時，正壓室接輸入信號，負壓室通大氣。假設儀表量程仍為30kPa，遷移量ρgh = 30kPa。輸入與輸出的關系見表2。
　　
　　
　　如果現場所選用的差壓變送器屬智能型，能夠與HART 手操器進行通訊協議，可以直接用手操器對其進行調校。
【2. 4 測量范圍、量程范圍和遷移量的關系】
    差壓變送器的測量范圍等于量程和遷移量之和，即測量范圍= 量程范圍+ 遷移量。如圖4 所示，
　　a 量程為30kPa，無遷移量，測量范圍等于量程為30kPa; b 量程為30kPa，遷移量為－ 30kPa，測量范圍為－ 30 ～ 0kPa; c 量程為30kPa，遷移量為30kPa，測量范圍為30 ～ 60kPa。由此可見，正、負遷移的輸入、輸出特性曲線為不帶遷移量的特性曲線沿表示輸入量的橫坐標平移。正遷移向正方向移動，負遷移向負方向移動，而且移動的距離即為遷移量。綜上所述，正、負遷移的實質是通過調校差壓變送器，改變量程的上、下限值，而量程的大小不變。如果從負壓室來看，也可以簡單理解為正遷移，好比在負壓室增加ρgh 遷移量，而正遷移好比在負壓室減少ρgh 遷移量。
　　
　　3、利用遷移原理對液面測量方法進行改進從以上分析中可以了解到智能差壓變送器測液面正、負遷移的原理，簡單的來說，就是當h = 0 時，若變送器感受到的△p = 0，則不需要遷移; 若變送器感受到的△p ＞ 0。則需要正遷移; 若變送器感受到的△p ＜ 0。則需要負遷移。這樣在實際應用中，就可以根據生產裝置的工藝情況和儀表的使用條件及周圍環境等靈活應用，對差壓測量液面故障進行簡單的處理并進行相應的改進。
　　1) 正遷移故障
　　判斷正遷移的差壓變送器在現場使用過程中測量是否準確，首先應打開三閥組平衡閥，關閉差壓變送器三閥組的正、負壓測量室，打開儀表放空堵頭，此時儀表輸出應≤4mA。如果輸出＞ 4mA，可能是正壓室放空堵頭或三閥組有些堵。其次，關閉正壓室取壓點，打開放空開關，這時輸出應為4mA。如果輸出低于4mA，可能是遷移量變小或零位偏低;若導壓管有隔離罐，可能是隔離液沒有灌滿或從旁處漏掉，或者冬季運行伴熱管線投運溫度過高，導致隔離液揮發較快; 如果輸出高于4mA，說明遷移量變大或零位偏高。
　　2) 負遷移故障
　　判斷負遷移的差壓變送器在現場使用過程中測量是否準確，首先打開三閥組平衡閥，關閉差壓變送器三閥組的正、負壓測量室，打開儀表放空堵頭，儀表輸出應為20mA。其次，關閉正、負壓室取壓點，打開放空開關，此時，儀表輸出應為4mA，如果不為20mA 或4mA，應檢查正、負壓室放空堵頭是否堵，遷移量是否改變，零位是否準確，隔離液是否流失等。這兩種應用的故障現象還要考慮到液位測量取壓后的正負遷移量問題。如果遷移量沒有與實際安裝位置的遷移量相對應，其所測量出的液位也是不準確的。另外如果測量的容器內的氣體要考慮到是否有液化或冷凝的可能。如果有單純的導壓管連接就需要考慮其冷凝或液化后的液體能夠回流到容器內，不至于流進負導壓管，對測量造成顯示偏小。導壓管中所充介質如果隨溫度的升高而氣化，這種情況就需要定期的給引壓管內充液。如果仍然不能保證正常的測量，那就需要考慮改變測量方式了，或需用其他方式的測量儀表。
　　4 結論
　　通過對差壓液位變送器測液面遷移的原理及故障處理措施分析，說明了怎樣在生產過程中檢查和處理此類儀表的故障，對怎樣處理和判斷差壓液位計故障提供了一種工作思路和方法。由于儀表檢測與控制過程中出現的故障現象比較復雜，正確判斷、及時處理生產過程中儀表故障，是儀表維護人員必須具備的能力。只有在工作實踐中不短的學習、不斷的總結經驗，靈活運用，才能保證生產裝置穩定運行，同時也能提高自己的工作能力和業務水平

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