压差式液位计计算原理（自控猫调试差压式液位计的结构及工作原理）

柳北剑

差压式液位计（differential pressure type level gauge）是利用液柱产生的压力来测量液位的高度的仪表，在液位发生变化后，高压侧法兰处膜片所接收到的压力就会随之变化，变送器计算出的压差值也会随之发生变化，它们之间有线性的关系。通常情况下高压侧（H侧）与低压侧（L侧）不能装反，一般H侧装于设备低处，L侧装于设备高处。安装前设备法兰面应清理干净，垫片不能放偏，以免膜片被戳破或者形变导致变送器失真。

变送器根据测量范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种，从精度角度来分类的话，因为我们国家标的精度就为0.5%.所以近年来又可以分为高精度压力变送器（0.1%或0.2%或0.075%）和一般压力变送器（0.5%）。如果液相密度变化较大，则不宜采用差压式液位计.

1.1 差压式液位计的结构及工作原理

双法兰差压变送器结构：主要部件为传感器模块、电子元件外壳、毛细管、高低压侧法兰及膜片。传感器模块包括充油传感器系统（隔离膜、充油系统和传感器）以及传感器电子元件。

差压式液位计工作原理：将一个空间用敏感元件（多用膜盒）分割成两个腔室，分别向两个腔室引入压力时，传感器在两方压力共同作用下产生位移（或位移的趋势），这个位移量和两个腔室压力差（差压）成正比，将这种位移转换成可以反映差压大小的标准信号（4-20mA DC信号）输出，毛细管、导压管、填充液的作用是将所接收到的压力传递给变送器内部进行运算。

差压变送器所测量的结果是压强差，即△P=ρg△h。桶槽一般是圆柱形，圆柱形截面积S是不变的。在温度变化时，介质体积膨胀或缩小，实际液位也会升高或降低，但变送器所检测到的压力始终是保持不变的。如果需要显示实际液位，也可以在DCS系统引入介质温压补偿予以解决。

1.2 差压式液位计的种类及应用

差压变送器有普通差压变送器和微差压变送器，根据外形结构可分为单法兰式差压液位计、双法兰式差压液位计、平衡容器式差压液位计。

单法兰式差压液位计：单法兰液位变送器可对各种常压容器进行液位、密度的测量，有平法兰和插入式法兰两种，它可以直接安装在管道或容器的法兰上。由于隔离膜片直接与液体介质相接触，无须将正压侧用导压管引出，因此可以测量高温、高粘度、易结晶、易沉淀和强腐蚀等介质的液位、压力和密度。

与双法兰式差压液位计的区别：

1、从原理上说：都是差压变送器 法兰膜盒；

2、从结构上说：单法兰液位变送器是只有1个法兰膜盒联通高压侧，低压侧通大气，双法兰液位变送器是高低压侧分别通过充油毛细管和两个法兰膜盒相连（也有1根毛细管的情况，下面装单法兰变送器、从单法兰变送器低压侧引出1根毛细管到上法兰膜盒）；

3、从工程应用来说：都只能测固定密度液体液位，单法兰变送器只能用于与大气想通的常压设备的液位，而双法兰变送器则可以适用密闭设备釜罐测液位；

4、从经济性来说，双法兰肯定是比单法兰贵，毕竟多了1个法兰膜盒和毛细管。

双法兰式差压液位计：

双法兰差压液位计是测量变送器高低压侧之差的仪表，输出标准信号给DCS或PLC等系统。它与一般的压力变送器不同的是它有2个压力接口， 差压变送器一般分为正压端和负压端，通常情况下，差压变送器正压端的压力应大于负压端才能测量。

双法兰式液位变送器是使用毛细管法兰变送器进行测量，它相当于将变送器测量元件中的隔离膜片延长到设备开口处，可以有效的消除粘稠、腐蚀或存在严重相变的介质对测量带来的影响。

变送器的“硅油”

我们一般在选择单、双法兰压力、差压变送器时，主要是根据操作温度来选择膜片的硅油类型，根据操作压力来选择膜片连接法兰的压力等级、连接形式。但是，很多选型人员总是忽略硅油选型不止以操作温度为依据，还要注意操作压力对于硅油允许范围的影响。

从下面三家国际知名品牌的硅油技术数据表中，我们可以看到，不同厂家硅油在不用操作压力范围下，允许的温度范围也不相同。

对于常压工况，普通硅油都可以满足要求；

在温度超过操作温度超过190℃的正压工况，就需要考虑选择标号较高的硅油；

对于超过250℃的常压工况，需要考虑高温硅油；在负压或者真空，并且操作温度超过190℃的工况，就需要特别注意了。

对于操作温度超过300℃的工况，我们一般不建议使用法兰膜片测量的方式，无论是可修理式焊接还是全焊接式。

工艺温度超过300℃，就会引起硅油膨胀，当超过硅油的汽化点，硅油就发生蒸发。可考虑导压管或者磁致伸缩液位计。

对于真空高温应用场合，不推荐使用毛细管远传方式。因为毛细管会随环境温度的升高，而引起变送器的响应时间延迟。建议使用全焊接直连法兰型。

如果是190℃以内的真空和负压的工况下，选用毛细管在安装时，必须保证变送器和取压点位置在同一水平或低于最低取压点。在选型时要注意，毛细管长度要大于上下法兰间距至少1米。

硅油密度会随着环境温度的变化而变化，热胀冷缩也会引起膜盒作用力的变化，引起双法兰的测量误差，比如冬天中午和晚上温差很大，相对的误差就较大，艾默生由此提出不等长毛细管补偿方案，不过还是建议等长配置。如果采用不等长配置，必须精确计算，否则可能带来更大的误差。

某知名厂牌X系列：

填充液

选型代号

允许温度

密度20℃ Kg/dm³

粘度20℃ m²/s-10⁶

膨胀系数1/℃

Pabs＜1bar

Pabs＞1bar

硅油M5

1

-60～80

-90～80

0.914

4

0.00108

硅油M50

2

-40～150

-40～250

0.96

50

0.00104

高温硅油

3

-10～200

-10～350

1.07

39

0.008

某知名厂牌Y系列：

填充液

选型代号

允许温度℃

环境温度

比重Kg/dm³

Pabs＞2.7Kpa（20mmHg abs）

一般硅油

A

-10～315

-10～60

1.07

一般硅油

B

-10～210

-30～60

0.94

高温硅油

C

10～315

10～600

1.09

某知名厂牌Z系列：

填充液

选型代号

允许温度℃

密度20℃ Kg/dm³

粘度25℃ m²/s-10⁶

膨胀系数1/℃

P绝压＜1bar

P绝压＞1bar

DC200硅油

D

-45～100

-45～205

0.93

9.5

0.00108

DC704硅油

C

0～200

0～315

1.07

44

0.00095

Syltherm XLT硅油

A

不适用

-75～150

0.85

1.6

0.001199

平衡容器式差压液位计：

平衡容器式差压液位计主要是由平衡容器（又称为水位差压转换置）、压力信号导管和差压变送器三部分组成。平衡容器是作为测量汽水管路中的压力用的.采用平衡容器为了防止压力突变时导致引压管内的液柱随之波动，减小其测量水位时的误差。

平衡容器分为单室平衡容器和双室平衡容器。单室平衡容器本身没有自我补偿能力。双室平衡容器是一种结构巧妙，具有一定自我补偿能力的水位测量装置。在基准杯的上方有一个圆环形漏斗结构将整个双室平衡容器分隔成上下两个部分，为了区别于单室平衡容器，故称为双室平衡容器。

单室：

单室平衡容器，其水面高度L是一定的，当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入密闭容器；要降低时，由蒸汽冷凝水来补充。因此当平衡容器中的水密度一定时，正压管压力为定值，负压管与密闭容器连通的，输出压力的变化反映了容器内水位的变化。

现在单室平衡容器用的比较多，它把压力与密度的关系、温度与密度的关系等计算公式写入DCS系统，温度和压力变化后，由压力变送器、温度变送器把信号传入DCS系统，系统会自动计算水位变化。测量前应根据所测介质的性质，把平衡容器的堵头拆开，灌入冷水或其他液体作为隔离液。单室的平衡容器一般用来测量大型锅炉的汽包液位或者压力变化很大的容器。

双室：

双室平衡容器由内外两层容室构成，平衡器的外层容室与锅炉汽包的蒸汽相连且充满了冷凝水；内层容室经平衡容器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，使用的是连通器原理，所以内层容室水位高度随汽包水位而变化。这样结构的双层容器保证了外层容室的水温基本相等，因而可以减少由于温度不同所产生的测量误差。当水面高于平衡器上端导压管时，水经导压管流入锅炉汽包，使外层容室水位高度始终保持不变。内层容室经平衡器下侧导压管与锅炉汽包水位相连，其水位高度随汽包的水位变化而变化。如果蒸汽的压力、温度参数恒定时，差压变送器的输出信号仅与锅炉汽包的水位有关。

双室平衡容器机械的部分补偿了压力对水位测量的影响，在零水位及额定工况下较准确，当偏离零水位或额定压力时，往往出现过补偿和欠补偿。所以双室平衡容器一般用来测小型锅炉的汽包液位或者本身压力变化不大的容器。

仪表防腐措施：

在石油及化工行业，企业生产过程中产生出大量腐蚀物质。工艺过程使用的检测仪表腐蚀现象严重，进而大大降低了仪表使用寿命。

在实际生产过程中，腐蚀原因的存在，造成仪表故障率频繁发生。企业通过经常更换仪表，来保证生产设备的正常运行，从而增加了企业运营及维护成本。化工行业应用广泛使用的防腐方法有：隔离法、防腐材料法、研制防腐传感器、安装耐腐阀门等，其中隔离方法是最常用的。

气体隔离法：气体隔离的原理是在检测点与仪表检测元件之间的导压管内充满空气，避免检测的压力介质直接与仪表接触，保护仪表不会被高压力的被测介质损坏。气体隔离法也叫注气保护法，在采用压力变送器对低压力或绝对压力测量时采用。检测点的压力变化由导压管内的空气传感到仪表变送器内，经仪表敏感元件检测得到结果。

液体隔离法：测量氯化氢气、氧化氮气、氯气等介质时，用全氟三丁胺或者其它的隔离液充灌在隔离罐内，将腐蚀介质与检测仪表的金属零部件隔离起来。液体隔离法存在着一些弊端，比如增加液封就会出现液封介质，被测介质可能与液封介质之间发生化学反应，从而出现新的腐蚀问题降低隔离效果。

膜片隔离：由于聚四氟乙烯有高润滑、耐高低温、耐气候老化、耐腐蚀、不粘附、张力小、摩擦系数低的特点，对多数化学溶剂和药品有抵抗能力。因此，化工仪表的防腐隔离膜片由聚四氟乙烯构成。具体应用方法是，用聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯膜片粘附或喷涂在压力变送器的波纹管上或压力表弹簧管上，使得腐蚀介质、传感元件相隔离达到防腐目的。

每种隔离液的相对密度、粘度、蒸汽压、沸点、凝固点、闪点、性质和用途都是不一样的。根据所测介质的物理性质及化学性质选择隔离液是非常重要的。选择不合适的隔离液，轻则污染所测介质，重则引发事故造成财产损失及人员伤亡。

排除介质与隔离液的化学反应，同一种介质在我国南方与北方所选择的隔离液也会有很大差别。比如北方的冬季气温可降至零下15度以上，南方最低气温不到0度。在偏冷地区，应选择具备防冻能力的隔离液，最好以本地区历年来最低温度为基准，另外再留有裕度。偏冷地区差压变送器安装时导压管越短越好，另外根据需要对导压管加保温层。

对于易冻的仪表就要想办法加蒸汽伴热、电伴热或热水伴热，但是要保证伴热蒸汽量和压力，电伴热在易燃易爆区域要考虑防爆。除此之外要加强巡检，保证对每颗仪表的运行状态都能做到心中有数。

在受高温介质的影响下会导致隔离液蒸发或者挥发导致变送器差压值的失真，除此之外隔离液受低温介质的影响会凝固或结晶，压力无法正常传递给变送器。所以选择合适的隔离液尤为重要。下表为常用隔离液的性质及用途。

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