差壓變送器在界面測量中的運(yùn)用

     石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)中經(jīng)常使用各種塔、槽、罐、反應(yīng)釜等容器來儲存生產(chǎn)過程中使用的反應(yīng)物、采集物和生成物，這類介質(zhì)通常沒有固定的形態(tài)（一般多為氣體或液體等流體），也經(jīng)常是多種介質(zhì)的混合物，其中，不相溶的流體混合物在容器中通常會以分層形式存在，要了解混合物組成情況、對生產(chǎn)過程進(jìn)行精確控制，需要測量分層流體的分界面位置。但由于這些容器通常為封閉容器，其中的化工物料也通常具有毒性、腐蝕性或具有較高的危險性（如易燃易爆等），有些對儲存環(huán)境也有嚴(yán)格的要求，借助常用工具對分界面進(jìn)行人工測量顯然是不現(xiàn)實的。

1 現(xiàn)狀調(diào)查
    目前，測量這類容器內(nèi)介質(zhì)的分界面的一般方法是采用磁浮式液位計，使用密度位于上層流體密度和下層流體密度之間的浮子，使得浮子漂浮在分界面處，通過測量浮子位置得到各分界面位置。這種測量方法要求分界面上下介質(zhì)的密度差異
大、介質(zhì)潔凈，對浮子材質(zhì)要求也較高（介質(zhì)通常具有較強(qiáng)的腐蝕性），為便于測量浮子體積不能太小。這種測量方法通常采用頂裝式安裝，而這種方式最大的特點就是對其日常維護(hù)極為不便。在設(shè)備運(yùn)行時，對于容器內(nèi)分界面上下介質(zhì)密度差異較小、介質(zhì)特性復(fù)雜（如具有強(qiáng)腐蝕性等）時，磁浮式液位計正好會出現(xiàn)各種問題，在實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)測量不正常時不能維修的情況。因此這種測量方法在生產(chǎn)中形同虛設(shè)，不但不能給生產(chǎn)帶來方便，還給儀表維護(hù)單位增加不少工作，甚至可能會給工藝造成誤操作。

    另外一個對分界面的測量方法是采用雷達(dá)液位計，通過識別各分界面處反射的雷達(dá)波來測定分界面位置。此測量方法要求分界面上下介質(zhì)的介電常數(shù)差異大，在雷達(dá)液位計安裝完畢后須通過其軟件對雷達(dá)液位計進(jìn)行濾波調(diào)試，對于分界面上下介電常數(shù)差異小的介質(zhì)調(diào)試很難成功。對于具有腐蝕性的介質(zhì)界面測量，雷達(dá)液位計還須選用防腐性雷達(dá)液位計。可見，對于分界面的測量（特別是對介質(zhì)介電常數(shù)差異小或具有腐蝕性介質(zhì)），采用雷達(dá)液位計不但投資大，而且存在調(diào)試不成功而不能測量的風(fēng)險。

    綜上所述，我們可以看出以上兩種對于容器內(nèi)界面的測量方法，在實際的生產(chǎn)過程中均各自存在較大的弊端。對于容器內(nèi)分界面的測量，兩種測量方法對于介質(zhì)的要求都非常苛刻，且具有投資大和有不能正常測量風(fēng)險存在的特點。對于存在于容器內(nèi)的兩種介質(zhì)密度差異小、介電常數(shù)相差小、腐蝕性強(qiáng)的分界面測量，采用上述兩種常規(guī)的直接測量方法很難達(dá)到真正的測量目的。在實際生產(chǎn)中我們應(yīng)用目前自動化行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)通過多次實驗，針對現(xiàn)場特定條件提出了一種通過差壓變送器測量上下界面壓差，間接測量容器內(nèi)界面的方法。在實際的生產(chǎn)測量中在我單位已廣泛使用，深受使用單位的歡迎。

2 工作原理
2.1 原理及方法

    針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，根據(jù)物理力學(xué)理論基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場工藝的特殊性，提出了對充滿容器內(nèi)兩介質(zhì)分界面測量的新思路。即通過差壓變送器對容器內(nèi)界面上下固定兩點間壓差的測量，再利用目前控制系統(tǒng)（DCS或PLC等）的可編程技術(shù)，計算出容器內(nèi)分界面的具體位置。根據(jù)力學(xué)有所不同我們知道：界面上下介質(zhì)密度的不同，如果分界面上下介質(zhì)在固定區(qū)間內(nèi)所占比例不同，區(qū)間內(nèi)的壓差值則不同，且存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。經(jīng)過推理和不斷實踐，我們實現(xiàn)了對存在于容器內(nèi)的兩種介質(zhì)密度差異小、介電常數(shù)相差小、腐蝕性強(qiáng)、測量精度要求高、工藝介質(zhì)特性復(fù)雜的分界面測量。

2.2 原理圖標(biāo)注說明
1：容器；
2：容器內(nèi)介質(zhì)1，密度為ρ1；
3：容器內(nèi)介質(zhì)2，密度為ρ2；
4：容器上部取壓口（變送器負(fù)壓）；
5：容器下部取壓口（變送器正壓）；
6：差壓變送器（法蘭式）；
7：容器上部進(jìn)料口；
8：容器下部進(jìn)料口；
9：容器上部出料口；
10：容器下部出料口；
H：變送器正、負(fù)取壓口間距（固定距離）；
h1：容器上部取壓口距界面距離；
h2：容器下部取壓口距界面距離。
注：圖中容器內(nèi)橫線表示界面以上介質(zhì)、斜線表示界面以下介質(zhì)。

3 技術(shù)方案

為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：
差壓變送器的選用及安裝調(diào)試
差壓變送器的此裝置中的作用是：在生產(chǎn)過程中檢測出容器正、負(fù)取壓口間的壓差值。在這種特殊條件下差壓變送器最好選用法蘭式智能差壓變送器，以避免其負(fù)壓帶來其它外界干擾因素。變送器的安裝方式為法蘭連接，變送器的量程最好設(shè)置為ρ2gH（單位為Pa）。變送器的標(biāo)定方法是：按原理圖在容器上安裝后，在變送器正負(fù)壓受力為零的條件下，通過手操器（帶HART協(xié)議功能）對其零位和量程進(jìn)行設(shè)定，主要目的是遷移變送器毛細(xì)管內(nèi)硅油給其負(fù)壓室?guī)�來的固定壓力�?/span>

主要計算設(shè)備介紹及實現(xiàn)方法

    根據(jù)各單位實際情況可采用集散控制系統(tǒng)（DistributedControl System）或可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogic Controller）采集現(xiàn)場變送器輸出信號（4~20mA）。利用系統(tǒng)的可編程功能可計算出容器內(nèi)介面的具體位置。由原理圖可得已知條件：差壓變送器測量的容器上下差壓Δ Pa、變送器正負(fù)壓間距離H、分界面上層介質(zhì)2的密度ρ1、分界面下層介質(zhì)3的密度ρ2。由原理圖不難得出如下公式：

Δ Pa=ρ1gh1+ρ2gh2 （1）

由原理圖可知：H=h1+h2 （2）

由式（1）、式（2）得：

Δ Pa=ρ1g（H-h2）+ρ2gh2=ρ1gH+gh2（ρ2-ρ1）

H變送器正負(fù)壓間距離；
ρ1表示分界面上介質(zhì)密度；
ρ2表示分界面下介質(zhì)密度；
h1表示分界面上介質(zhì)離界面高度；
h2表示分界面高度；
g為當(dāng)?shù)刂亓�加速度常�?shù)。

由此可見，計算設(shè)備根據(jù)固定值H和 Δ Pa代入上下介質(zhì)密度ρ1及ρ2計算，得出分界面高度h2。

此外，當(dāng)被測介質(zhì)具有較強(qiáng)腐蝕性時，在差壓變送器應(yīng)采用相對應(yīng)的防腐雙法蘭差壓變送器。就能夠有效地解決該裝置的抗腐蝕問題。對于測量要求高低用戶可自由選用不同檔次的變送器。

4 效 果
    本方案測量原理簡單、計算速度快、易于實現(xiàn)且對高度、體積和/或重量數(shù)據(jù)均可進(jìn)行監(jiān)控，可以根據(jù)工藝要求對容器內(nèi)的兩種液體介質(zhì)進(jìn)行方便的監(jiān)控，從而對容器內(nèi)的界面、液位進(jìn)行有效的控制。