摘 要 從測量原理、零點與量程的計算方法、測量精度、測量穩(wěn)定性、價格及維護(hù)成本等方面對雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計進(jìn)行了比較。結(jié)果表明: 除了雙法蘭差壓液位變送器的適用介質(zhì)溫度范圍小于浮筒液位計外，在測量精度、測量范圍、穩(wěn)定性、調(diào)校方法及價格等方面均優(yōu)于浮筒液位計。而且，在一定的測量范圍內(nèi)，可以用雙法蘭差壓液位變送器替代浮筒液位計獲得被測容器的真實液位。
  在煉油、石油化工、煤化工及煤制油等工業(yè)領(lǐng)域，液位是重要的工藝參數(shù)之一。測量液位的儀表種類繁多，如伺服液位計、差壓式液位變送器、超聲波液位計、雷達(dá)液位計、鋼帶液位計及浮筒液位計等^［1］，需依據(jù)工藝的實際工況，選用不同類型的液位計。較為常用的液位測量儀表是雙法蘭差壓液位變送器和浮筒液位計，筆者將從雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的測量原理、維護(hù)調(diào)校方法、測量精度、穩(wěn)定性及零點與量程的計算方法等方面對二者進(jìn)行比較。
 
1、問題的提出：
 一般來說，在工程項目的《儀表專業(yè)工程統(tǒng)一規(guī)定》或裝置的《儀表說明書》中，液位儀表的選型原則是: 對于測量范圍在 2 000mm 以內(nèi)、比重為 0． 5 ～ 1． 5 的液體液面測量，與測量范圍在1 200mm以內(nèi)、比重差為 0． 5 ～ 1． 5 的液體界面測量，優(yōu)先選用外浮筒液位計。筆者對雙法蘭差壓液位變送器進(jìn)行分析研究后認(rèn)為此原則定值得商榷。實踐表明: 利用雙法蘭差壓液位變送器不僅可以在大的測量范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測量液位，在小測量范圍內(nèi)也同樣可以準(zhǔn)確測量。因此，在液位測量與界面測量中，只要利用就地液位計或其他手段能獲得在一定測量范圍內(nèi)被測容器的真實液位，原則上可以用雙法蘭差壓液位變送器來替代浮筒液位計。
 
2、雙法蘭差壓液位變送器：
2.1、測量原理雙法蘭差壓液位變送器的安裝方式：
  如圖 1 所示，其中 LT 為測量容器 V 的液位的雙法蘭差壓變送器，LG 為與被測容器相連接的就地液位計。就地液位計 LG 通常是玻璃板( 管) 液位計，采用連通器原理，在保溫完好的情況下，可以直接觀察現(xiàn)場被測容器的實際液位。

圖 1 雙法蘭差壓液位變送器安裝示意圖

由液柱壓強(qiáng)公式 P = ρgh 可得:
 
p = p ₊  － p _－  = ρ₁ gH₁ + ρgh + ρ₃ g( H₃ － h) － ρ₂ gH₂ + Z
 

 
式中 g ———重力加速度，9． 80m / s² ;
 
H₁———雙法蘭差壓液位變送器到被測容器正取壓點的高度，m;
H₂———雙法蘭差壓液位變送器到被測容器負(fù)取壓點的高度，m;
H₃———被測容器正、負(fù)取壓點之間的高度 ( H₃ = H₂ － H₁ ) ，m;

p ———雙法蘭差壓液位變送器正、負(fù)壓室
 
之間的壓差，kPa;
 
Z———雙法蘭差壓液位變送器產(chǎn)生的零點漂移;
 
ρ ———在設(shè)計溫度和壓力下，被測容器內(nèi)介質(zhì)的密度，kg / m³ ;
 
ρ₁———雙法差壓液位變送器正取壓毛細(xì)管硅油密度，kg / m³ ;
 
ρ₂———雙法差壓液位變送器負(fù)取壓毛細(xì)管硅油密度( 通常情況下與 ρ₁ 的值相等) ，kg / m³ ;
 
ρ₃———在設(shè)計溫度和壓力下，被測容器內(nèi)液體上部氣體介質(zhì)的密度，kg / m³ 。
 
零點漂移 Z 具體包括: 由雙法蘭膜片接觸不同的介質(zhì) ( 被測容器內(nèi)液體與液體上部的氣體) 所產(chǎn)生的溫度差造成的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移; 由于環(huán)境溫度對毛細(xì)管內(nèi)硅油的影
［2］;
響所引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移由于安裝引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移; 其他原因引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移。
 
從式( 1) 可以看出，雙法蘭差壓液位變送器正、負(fù)壓室間的差壓 p 是隨著被測容器內(nèi)介質(zhì)高度 h 變化而變化的，此壓差被轉(zhuǎn)換為 4 ～ 20mA
 
后輸出。
 
2． 2 零點與量程的計算根據(jù)式( 1) ，當(dāng) h = 0 時:

 
其中， p₀ 和 p₁₀₀ 分別為雙法蘭差壓液位變送器的零點和量程。
 
式( 1) 是計算差壓液位變送器零點與量程的常規(guī)關(guān)系式。但在實際生產(chǎn)過程中，被測容器內(nèi)的溫度、壓力與設(shè)計給定的溫度、壓力均有偏差，這就使得無法準(zhǔn)確得知被測容器內(nèi)的液體密度ρ，被測容器內(nèi)液體上部的氣體密度 ρ₃ 和差壓液位變送器所產(chǎn)生的零點漂移 Z。由于上述原因，在實際應(yīng)用中計算雙法蘭差壓液位變送器的零點時，忽略了被測容器內(nèi)液體上部的氣體與變送器的零點漂移; 在計算雙法蘭差壓液位變送器的量程時，將設(shè)計給定的被測容器介質(zhì)密度直接代入式( 3) 且忽略了被測容器內(nèi)液體上部的氣體與變送器的零點漂移。由此計算的差壓液位變送器零點與量程必然導(dǎo)致液位測量不準(zhǔn)，因此無法按式 ( 2) 、(3) 準(zhǔn)確計算雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程。
 
分析式( 1) ，當(dāng)雙法蘭差壓液位變送器按設(shè)計要求安裝后，變送器到正、負(fù)取壓法蘭間的距離
 
H₁ 和 H₂ 可以用直尺準(zhǔn)確測量，即 H₁ 和 H₂ 是定值; H₃ 是正、負(fù)取壓法蘭之間的距離，也是一個定值; g 是重力加速度。盡管在實際生產(chǎn)過程中很難獲取 ρ 與 ρ₃ 的準(zhǔn)確值，但在相對穩(wěn)定( 被測容器內(nèi)的溫度、壓力相對穩(wěn)定) 的情況下，ρ、ρ₁ 、ρ₂ 與 ρ₃ 的數(shù)值是相對固定的，也可以看成常數(shù); Z 是
 
由各種因素產(chǎn)生的變送器零點漂移，很難準(zhǔn)確得知 Z 的數(shù)值，但在實際生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定的情況下， Z 是一個定值。從式( 1) 可以看出，差壓液位變送器正、負(fù)壓室的壓差 p 與被測容器的液位 h 之間是線性關(guān)系，除了被測容器液位 h 是
 
變量外，其余參數(shù)均可以看成常數(shù)。由此可見，差壓液位變送器正、負(fù)壓室的壓差 p 是被測容器液位 h 的一次函數(shù)，其表達(dá)式為:
 

 
其中，h 為差壓液位變送器的指示液位，此值為與變送器相連接的 DCS 或其他儀表的顯示值，即由差壓液位變送器的輸出( 4 ～ 20mA) 轉(zhuǎn)換成的液位顯示值; K 和 C 分別為 p 一次函數(shù)的斜率和截距，均為待求常數(shù)。
 
利用差壓液位變送器測量液位的目的就是要
 
使差壓變送器的測量輸出值 h 與被測容器內(nèi)的實際液位 h'的值相一致，即 h = h'。則式( 4) 可以改寫成:
 

 
對于智能差壓變送器，可以通過 375 或 BT200 等智能通信器直接讀出與實際液位相對應(yīng)的 p; h'的值可以通過安裝在被測容器上的就地液位計觀測; K'、C' 分別為 p 一次函數(shù)的斜率和截距，為待求常數(shù)。
 由于實際生產(chǎn)過程中不允許出現(xiàn)實際液位為較低或***高的工況，因此，不能直接觀測差壓液位變送器的零點與量程。筆者利用式( 5) 間接地計算出了差壓液位變送器的準(zhǔn)確零點與量程，具體步驟如下:
a．  在生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定的情況下，當(dāng)被測容器就地液位計指示為 h₁ '時，利用與差壓液位變送器相連接的手操器( 375 或 BT200 等) 觀測與 h₁ '
 
相對應(yīng)的差壓液位變送器正、負(fù)壓室的壓差 p₁ ，
 
即可得 p 與 h' 的一次函數(shù)的一個坐標(biāo)點( p₁ ， h₁ ') ;
 
b． 一段時間后，當(dāng)被測容器就地液位計指示為 h₂ '時，觀測 p 與 h' 的一次函數(shù)的另一個坐標(biāo)點( p₂ ，h₂ ') ，且 h₁ '不等于 h₂ ';
 
c．  確定被測容器液位與差壓液位變送器正、
 
負(fù)壓室間的壓差關(guān)系式。
 
將以上兩個坐標(biāo)點代入式( 5) 可得:
 

 
式( 8) 即為差壓液位變送器正、負(fù)壓室的壓差 p 與被測容器實際液位 h'的一次函數(shù)，利用此式即
 
可準(zhǔn)確計算差壓液位變送器的零點與量程。由式( 8) 可得，當(dāng) h' = 0 時，有:
 

 
當(dāng) h' = 100% 時，有:

 
其中， p₀ 、p₁₀₀ 分別為雙法蘭差壓液位變送
 
器的準(zhǔn)確零點和量程。將差壓液位變送器的零點和量程分別調(diào)整為 p₀ 、 p₁₀₀ ，則變送器的指示值與被測容器上的就地液位計指示值在整個測量范
 
圍內(nèi)完全一致。
 
3、浮筒液位計：
3.1、測量原理：
 
浮筒液位計是利用變浮力原理來測量液位的，其敏感元件是浮筒，根據(jù)浮筒被液體浸沒高度不同導(dǎo)致所受浮力的不同來檢測液位的變化，如圖 2 所示。

圖 2 浮筒液位計工作原理示意圖
將一橫截面積為 A，質(zhì)量為 m 的圓柱形空心
 
金屬浮筒懸掛在彈簧上，由于彈簧的下端被固定，因此彈簧因浮筒的重力被拉伸。當(dāng)浮筒沒有浸沒在液體中時，浮筒的重力與彈簧的拉力達(dá)到平衡，此時有:
 

 
x₀ ———彈簧由于重力被拉伸所產(chǎn)生的位移。
 
此時杠桿作用在扭力管上的扭力***大，使扭力管產(chǎn)生***大的扭角。當(dāng)液體浸沒浮筒的高度增加時，浮筒受到液體浮力的作用而向上移動，當(dāng)彈簧的拉力與液體對浮筒的浮力之和與浮筒的重力平衡時，浮筒停止移動。設(shè)液位高度為 H，浮筒由于向上移動實際浸沒在液體中的長度為 h，浮筒移動的距離即彈簧的位移量為 x，則有:
 

 
根據(jù)力平衡原理可得:
 

 
由式( 14) 可知，當(dāng)液位 h 發(fā)生變化時，浮筒產(chǎn)生位移 x，由此可見，浮筒液位計的檢測原理實質(zhì)上就是將液位轉(zhuǎn)換成敏感元件的位移。當(dāng)浮筒杠桿的拉力發(fā)生變化，扭力管的扭矩也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致扭力管的角位移發(fā)生變化，由振蕩器、渦流差動變壓器、直流放大器和解調(diào)器組成的轉(zhuǎn)換器將扭力管輸出的角位移轉(zhuǎn)換成 4 ～ 20mA電流輸出 實現(xiàn)液位的測量。
 
3． 2 零點與量程的計算根據(jù)浮筒受力平衡可得:

 
當(dāng)浮筒中沒有液體( 即 h = 0) 時，浮筒杠桿的拉力與浮筒的重力平衡:
 

 
其中，F(xiàn)₀ 為浮筒液位計的零點。
 
當(dāng)浮筒中充滿液體( 即 h = H － x) 時，浮筒杠桿的拉力與浮筒的重力和浮筒所受浮力之差相平衡，即:
 

 
其中，F(xiàn)₁₀₀ 為浮筒液位計的量程。
 
由式( 16) 可知，浮筒液位計的零點只與浮筒的重力有關(guān)。由式( 17) 可知，浮筒液位計的量程不僅與浮筒的重力有關(guān)，還與被測容器內(nèi)的液體密度及彈簧的位移等有關(guān)。
 
4、雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的比較：
4 .1、測量原理：
  利用雙法蘭差壓液位變送器測量液位時，被測容器內(nèi)液體高度的變化引起變送器正、負(fù)壓室間的壓差變化，雙法蘭差壓液位變送器將其正、負(fù)壓室間的壓差轉(zhuǎn)換成 4 ～ 20mA 電流信號輸出。浮筒液位計是利用被測容器內(nèi)液體高度的變化引起浮筒液位計的杠桿拉力變化，進(jìn)而扭力管的扭矩發(fā)生變化，導(dǎo)致扭力管的角位移發(fā)生變化，由振蕩器、渦流差動變壓器、直流放大器和解調(diào)器組成的轉(zhuǎn)換器將扭力管輸出的角位移轉(zhuǎn)換成 4 ～ 20mA 電流輸出。雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計均可以測量液位。
 
4.2、零點與量程計算方法：
4.2.1、傳統(tǒng)計算方法：
 按照式( 2) 計算雙法蘭差壓液位變送器的零點，按式( 3) 計算其量程; 按式( 16) 計算浮筒液位計的零點，按式( 17) 計算其量程。
 從式( 2) 可以看出，按傳統(tǒng)方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點不僅受被測容器內(nèi)液體上部氣體密度的影響，同時也受變送器零點漂移的影響。在實際生產(chǎn)過程中，很難得知被測容器內(nèi)液體上部氣體的準(zhǔn)確密度，也很難得知變送器零點漂移的準(zhǔn)確值，因此，按式( 2) 計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點是不準(zhǔn)確的。從式( 16)可以看出，浮筒液位計的零點僅是浮筒的重力，是一個準(zhǔn)確的數(shù)值。
 由式( 3) 可知，按傳統(tǒng)方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不僅受被測容器內(nèi)液體密度的影響，同時也受變送器零點漂移的影響，因此，按式( 3) 計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程也是不準(zhǔn)確的。由式( 17) 可知，浮筒液位計的量程僅受被測容器內(nèi)液體密度的影響。
 綜上所述，按傳統(tǒng)方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程比計算浮筒液位計的零點
與量程的準(zhǔn)確性要差。由于在測量取源間距較小時，浮筒液位計的重量、價格與維護(hù)成本相對較低，且浮筒液位計的測量準(zhǔn)確性較高。因此，一般取源間距在 2 000mm 以下時，可選擇浮筒液位計來測量液位; 當(dāng)取源間距大于 2 000mm 時，盡管雙法蘭差壓液位變送器測量準(zhǔn)確性低于浮筒液位計，由于取源間距( 測量范圍) 增大，使得浮筒液位計的重量、價格與維護(hù)成本增加，綜合考慮選擇雙法蘭差壓液位變送器測量液位。

4.2.2、新計算方法：
 按式( 9) 計算雙法蘭差壓液位變送器的零點，按式( 10) 計算其量程; 按式( 16) 計算浮筒液位計的零點，按式( 17) 計算其量程。
 從式( 9) 可以看出，按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器零點不會受到被測容器內(nèi)液體上部氣體密度的影響，同時也不會受到其零點漂移的影響。在生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定的情況下，只要讀取的實際液位與相對應(yīng)的差壓變送器正、負(fù)壓室間的壓差是準(zhǔn)確的，則按照式( 9) 計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點就是準(zhǔn)確的。從式 ( 16) 可以看出，浮筒液位計的零點僅是浮筒的重力，是一個準(zhǔn)確的數(shù)值。
 從式( 10) 可以看出，按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不會受到被測容器內(nèi)液體上部氣體密度的影響，同時也不會受到其零點漂移的影響，也不需要知道被測容器內(nèi)液體的準(zhǔn)確密度。在生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定的情況下，只要讀取的實際液位與相對應(yīng)的差壓變送器正、負(fù)壓室間的壓差是準(zhǔn)確的，則按照式( 10) 所計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程就是準(zhǔn)確的。從式 ( 17) 可以看出，浮筒液位計的量程受到被測容器內(nèi)液體密度的影響。因此，按照新的計算方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程比浮筒液位計的量程要準(zhǔn)確。
 綜上所述，按式( 9) 、(10) 計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程，其測量液位的準(zhǔn)確度要高于浮筒液位計。
 
4.3、測量范圍：
 從式( 9) 、(10) 可以看出，不論法蘭取源間距是大還是小，按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程都不受被測容器內(nèi)液體密度的影響，也不會受到被測容器內(nèi)液體上部氣相介質(zhì)密度的影響，同時也有效地克服了雙法蘭差壓液位變送器的零點漂移。即按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程在測量液位時不受測量范圍的影響。
 從式( 17) 可以看出，浮筒液位計的量程受到被測容器內(nèi)液體密度的影響，且法蘭取源間距越大，浮筒液位計的量程所受到的影響也越大; 此外，在相同的壓力等級條件下，法蘭取源間距越大，浮筒的重量也越大。因此，浮筒液位計的量程受限取源間距。綜上，雙法蘭差壓液位變送器測量液位的范圍比浮筒液位計寬。

4.4、測量精度、穩(wěn)定性與介質(zhì)溫度：
 目前，主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的測量精度可達(dá) 0.065% ，高精度的測量精度可達(dá)0.025% ; 主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的穩(wěn)定性可達(dá) ± 0.1% /3 年( 即三年不用校驗) ，高穩(wěn)定性的可達(dá) ± 0.1% /5 年。若雙法蘭毛細(xì)管內(nèi)填充低溫硅油，其所接觸的介質(zhì)溫度范圍在 － 130 ～ 132  ; 若填充高溫硅油，其所接觸的介質(zhì)溫度范圍為 20 ～ 350  。
 主流的普通浮筒液位計的測量精度為1.0% ，高精度的為 0.5% ; 普通的浮筒液位計所測介質(zhì)溫度范圍為 － 110 ～ 400  ，特殊的所測介質(zhì)溫度范圍為 － 196 ～ 400  。目前主流浮筒液位計還沒有穩(wěn)定性指標(biāo)。
 綜上，雙法蘭差壓液位變送器的測量精度高于浮筒液位計，雙法蘭差壓液位變送器的測量介質(zhì)溫度適用范圍小于浮筒液位計，雙法蘭差壓液位變送器的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于浮筒液位計。

4.5、校驗方法：
4.5.1、雙法蘭差壓液位變送器：
 雙法蘭差壓液位變送器的校驗就是調(diào)整變送器的零點與量程，使其在允許的誤差范圍內(nèi)。按式( 10) 、(11) 計算雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程。用 0% 、25% 、50% 、75% 和 100% 的壓力進(jìn)行校驗，當(dāng)壓力穩(wěn)定后記錄標(biāo)準(zhǔn)電流表上顯示的電流值并做回程誤差校驗，如果誤差超過允許誤差范圍，應(yīng)重新調(diào)整校驗^［4］。實際應(yīng)用表明: 目前主流的智能雙法蘭差壓液位變送器僅利用HAＲT 或 BT200 手操器就能完成變送器的校驗，其校驗結(jié)果完全能夠滿足測量精度的要求。

4.5.2、浮筒液位計：
 浮筒液位計在生產(chǎn)運行過程中，其測量精度對測量結(jié)果有著較大的影響，因此，需要對其精度進(jìn)行校驗和標(biāo)定。浮筒液位計的校驗通常使用灌液法和掛重法 。
 灌液法適用于浮筒安裝在現(xiàn)場不方便拆裝，并且對儀表的精度要求不高的情況，一般用水作為標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行校驗。在校驗時根據(jù)實際測量介質(zhì)的工作密度和刻度，換算為用水校驗的刻度值，即首先在外浮筒標(biāo)記零點 ( 一般是下法蘭中心線) 、量程位置( 灌水高度 = 介質(zhì)比重 / 水比重 × 浮筒法蘭間距) 和中間各點位置 ( 25% 、50% 和 75% ) 。一般由外筒的排空閥連接軟管至量程處，往浮筒里注水到 0% 、25% 、50% 、75% 和 100% ，
 分別觀察變送器顯示是否對應(yīng)每點數(shù)值，并根據(jù)顯示數(shù)值，分別調(diào)整浮筒液位計的零點與量程。對于利用比水密度大的工作液體的浮筒，不能校驗 100% 時的刻度。
 掛重法先根據(jù)不同高度的液位計算對應(yīng)的掛重( 掛重 = mg － πD² /4 ( H － x) ρ_介 ) 。準(zhǔn)備好砝碼和砝碼盤，將砝碼盤掛在懸掛浮筒的位置上，根據(jù)計算的 0% 、25% 、50% 、75% 和 100% 掛重，分別在砝碼盤中碼放砝碼，觀察并記錄浮筒液位計的輸出，并根據(jù)顯示數(shù)值分別調(diào)整浮筒液位計的零點與量程。該校驗方法需要拆卸浮筒，比較麻煩且費時、費力。
 浮筒液位計的校驗不論采用灌液法還是掛重法，都會直接或間接地受到介質(zhì)密度的影響，由于在實際生產(chǎn)過程中很難得到被測介質(zhì)的準(zhǔn)確密度，因此不論怎樣校驗浮筒液位計，其測量準(zhǔn)確度都較差。而且通過實際應(yīng)用表明: 浮筒液位計的校驗比雙法蘭差壓液位變送器的校驗準(zhǔn)確度低且費時、費力。
 
4.6、費用對于類似的溫度、壓力與相近的取源間距，一般來講，主流浮筒液位計的采購價格是雙法蘭差 高于雙法蘭差壓液位變送器。

 
5、結(jié)束語：
 從測量原理來說，雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計都可以測量液位，除了雙法蘭差壓液位變送器的適用介質(zhì)溫度范圍小于浮筒液位計外，其余方面，雙法蘭差壓液位變送器均優(yōu)于浮筒液位計。在煉油、石油化工、煤化工及煤制油等行業(yè)的液位測量與界面測量中，只要能利用就地液位計或其他手段獲得在一定測量范圍內(nèi)被測容器的實際液位，原則上可以利用雙法蘭差壓液位變送器來替代浮筒液位計。