平面雙法蘭式差壓變送器測(cè)液面安裝方式

摘要:平面式雙法蘭變送器通常用于對(duì)流量、液位、密度等工藝過(guò)程物理量的檢測(cè)。該文簡(jiǎn)述了平面式雙法蘭變送器進(jìn)行液位測(cè)量的基本原理，著重介紹利用平面式雙法蘭變送器對(duì)液位測(cè)量中的3種安裝方案。這3種方案分別是:垂直式安裝方案、下傾式安裝方案和水平式安裝方案。在此基礎(chǔ)上,該文分析了3種安裝方案的優(yōu)缺點(diǎn),并提出了平面式雙法蘭差壓變送器測(cè)量液位儀表時(shí)的最佳安裝方式為水平式安裝方案。水平式安裝方案不僅可徹底解決平面雙法蘭變送器在大量程液位檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)起始段和終始段的非線性問(wèn)題,同時(shí)解決了在小量程液位檢測(cè)過(guò)程中無(wú)法使用平面雙法蘭變送器的問(wèn)題，為小量程液位的檢測(cè)提供了一種可實(shí)施的檢測(cè)安裝方案。
       在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)中，,使用平面式雙法蘭差壓變送器對(duì)流量、壓差、液面、介面進(jìn)行測(cè)量是很普遍的，尤其對(duì)高粘度介質(zhì)的流量和液面的測(cè)量使用更為廣泛，就使用了大量的平面式法蘭差壓變送器來(lái)測(cè)量重介質(zhì)的液面和流量，但在使用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題主要問(wèn)題在使用大直徑的平面式法蘭式差壓變送器時(shí),在檢測(cè)范圍的初始段(約15%以內(nèi))和檢測(cè)范圍的終段(約85%以上)呈現(xiàn)出不同程度的非線性問(wèn)題。在小量程的液位檢測(cè)時(shí)非線性問(wèn)題體現(xiàn)的尤為嚴(yán)重,故而無(wú)法使用。
       當(dāng)時(shí)解決方案采用小直徑的平面式雙法蘭式差壓變送器,問(wèn)題得到了一些緩解,但只是非線性區(qū)域縮小了，但沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。對(duì)于小量程的液位檢測(cè)問(wèn)題,無(wú)奈之下,采用了更換檢測(cè)方式(采通用差壓變送器)解決了檢測(cè)過(guò)程中的非線性問(wèn)題，但是由于引壓系統(tǒng)易阻塞等問(wèn)題在檢測(cè)過(guò)程中故障頻發(fā)且數(shù)據(jù)的可靠性仍不如人意在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)工作中的觀察及對(duì)在液位檢測(cè)時(shí)平面式雙法蘭差壓變送器檢測(cè)特性的深入解讀,總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn),下面就對(duì)用平面雙法蘭式差壓變送器測(cè)液面的經(jīng)驗(yàn)，如:檢測(cè)的非線性、於堵等問(wèn)題的解決,闡述一下分析和做法。
1平面雙法蘭式差壓變送器測(cè)液面的檢測(cè)原理
       平面式雙法蘭差壓變送器測(cè)液面的垂直式安.裝方案如圖1所示，這是一種常規(guī)的安裝方式，也是一般儀表使用說(shuō)明書(shū)中提供的安裝方案。

       由液體靜力學(xué)可知,以Po為基本感壓面感受的壓，力將隨著液位高度的變化而變化，其關(guān)系式為明
Po=Hxpg(1)
       由式(1)可知,Po感受的壓力與液位的高低變化呈線性關(guān)系,因此只要檢測(cè)出壓力Po即可得知工藝設(shè)備內(nèi)部的實(shí)際液位高度
工藝設(shè)備內(nèi)部液位的實(shí)際檢測(cè)運(yùn)算如下:

2圓形膜片的感壓過(guò)程
       平面式雙法蘭式差壓變送器一般是由2個(gè)圓形感壓膜片組成,分別去感受儀表正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)的壓力，,對(duì)圓形感壓膜片的過(guò)程進(jìn)行分析,即可得到合理的感壓過(guò)程的結(jié)論。圖2所示為感壓膜片的簡(jiǎn)圖。
膜片感壓過(guò)程的基本公式為


       式中:P為圓形金屬膜片實(shí)際感受的壓強(qiáng);H為圓形感壓膜片的直徑，同時(shí)也是液面從0~H的液位高度;S為感壓膜片的表面積;p為被測(cè)介質(zhì)的密度;g為重力加速度。
       式(9)表明了圓形感壓膜片的感壓過(guò)程是非線性的，它是隨著感壓膜片浸入液體中的深度變化(線性)感壓膜片的感壓面積在做著非線性的變化，圖3所示為液位變化與感壓的關(guān)系曲線。

3平面式雙法蘭差壓變送器進(jìn)行液位檢測(cè)的3種安裝方案
3.1平面式雙法蘭變送器的垂直安裝方案
        如圖4是一種由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提供的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)安裝方式,此種安裝方式比較常見(jiàn),現(xiàn)在一般企業(yè)在使用平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面(介面)時(shí)還是多用此種安裝方.案,容器內(nèi)的液位水平面.與平面式雙法蘭變送器的圓形感壓膜片呈垂直的90°夾角,故又被稱(chēng)之為平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面(介面)的垂直安裝方案。

       在圖4中,液體壓力作用在垂直安裝的正壓側(cè)圓形感壓膜片的表面上，作用在垂直安裝的負(fù)壓側(cè)圓形感壓膜片表面上的壓力,起初是容器內(nèi)的氣體壓力,隨著液位的上升，負(fù)壓感壓膜片表面上的受壓隨著被液體的逐漸浸沒(méi)也進(jìn)入了非線性模式，平面式雙法蘭液位檢測(cè)的基本運(yùn)算為

       由式(13)可得到平面雙法蘭變送器測(cè)量液面(介面)垂直安裝方案的感壓曲線,圖5所示為垂直安裝方案液位變化與差壓的關(guān)系曲線。(注:通常正壓法蘭的感壓直徑與負(fù)壓法蘭的感壓直徑是相等的)

3.2平面式雙法蘭變送器的下傾式安裝方案
       為提高測(cè)量的精度,改善檢測(cè)的非線性和提高可靠性，減少故障,取重介質(zhì)污物堆積和粘稠附著物體測(cè)量帶來(lái)的影響。我們采用了如圖6所示的測(cè)量安裝方案。

       由于法蘭的感壓面與容器內(nèi)的被測(cè)液面呈一定的夾角,故稱(chēng)之為下傾式安裝方案。這種安裝方案使H+o(H-o)的有效高度(感壓距離)縮短了,根據(jù)測(cè)量感壓公式式(13)得知，當(dāng)H+0縮短后,式(13)中第一部分的數(shù)值將會(huì)變小，這樣一來(lái)儀表的測(cè)量零點(diǎn)(或感壓膜的下部)便會(huì)向感壓膜片的中心線靠攏,感壓運(yùn)算如下:

        依據(jù)式(14),我們得到了如圖7所示垂直安裝方案液位變化與差壓的關(guān)系曲線，式(14)感壓公式中第一部分的數(shù)值變小，使測(cè)量中非線性段占全量程的百分比也小了，提高了全量程檢測(cè)的契合度。

3.3平面式雙法蘭變送器的水平式安裝方案
        為了徹底解決平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面(介面)的非線性問(wèn)題及在小范圍的測(cè)量中無(wú)法正常使用的問(wèn)題,經(jīng)專(zhuān)業(yè)研討,我們提出了第三種測(cè)量安裝方式即水平式安裝方案，如圖8所示.

       這種安裝方式由于感壓膜片的平面與容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的水平面是平行的且在同一平面，故稱(chēng)之為水平安裝方案。由感壓公式式(13)得知,當(dāng)H。o不再變化時(shí)，也就是說(shuō)感壓膜片的感壓面積不再隨液位浸沒(méi)的變化而變化時(shí),式(13)中的正壓第一部分和負(fù)壓
片的感壓斜率為零,所以非線性部分的變化率也為.零,故爾,這種測(cè)量安裝方式不存在非線性的問(wèn)題,使儀表的全量程 的測(cè)量精度有了徹底的改觀。同時(shí),感壓膜片所在的水平面即為儀表測(cè)量的感壓零點(diǎn),這樣就解決了測(cè)量零點(diǎn)界面不清晰,儀表輸出.零點(diǎn)不易確定的問(wèn)題,感壓運(yùn)算如下:

       這種水平測(cè)量安裝方案從根本上徹底解決了常規(guī)測(cè)量安裝方式、垂直測(cè)量安裝方案和下傾測(cè)量安裝方案中原本存在的諸多問(wèn)題,使測(cè)量更趨合理,所以適用于各種測(cè)量范圍和介質(zhì)的液面及介面的測(cè)量，液位變化與差壓的關(guān)系曲線如圖9所示，徹底解決了檢測(cè)中出現(xiàn)的非線性問(wèn)題。

4三種安裝方案的使用分析
4.1三種安裝方案感壓過(guò)程分析
       在相同的量程范圍下，使用同一種平面式雙法蘭變送器測(cè)量液面(參數(shù)相同)的情況下得到分析結(jié)果如表1所示，

4.2使用維護(hù)特點(diǎn)
4.2.1平面式雙法蘭變送器的垂直安裝方式的特點(diǎn)
       適用于一般測(cè)量精度要求不高的大測(cè)量范圍的場(chǎng)合,當(dāng)液位檢測(cè)范圍與法蘭感壓膜片直徑的比.值較小時(shí),儀表在低量程區(qū)間和高量程區(qū)間的線性都會(huì)比較差,在儀表測(cè)量范圍比較小時(shí)(如檢測(cè)范圍較小的情況時(shí))且測(cè)量精度要求較高時(shí),由于其非線性段占測(cè)量范圍的百分比數(shù)值較大,就會(huì)從儀表的測(cè)量初始段及的末尾段,會(huì)有很大的一段區(qū)間出現(xiàn)非線性誤差,，這個(gè)誤差是無(wú)法修正的,所以測(cè)量的結(jié)果也就不是那么盡如人意。式(13)中的第二部分是當(dāng)液面越過(guò)了H+o高度后膜片的感壓面積不再發(fā)生變化的一段,這段為感壓的線性段,在這段中,感壓膜片的受力雖仍為正弦特性,但膜片的水平中心線的上下兩側(cè)是完全對(duì)稱(chēng)的,所以膜片上下兩部分的平均受力正好為膜片水平中心線.上的受力,故當(dāng)△Hmax>Ho時(shí)則取膜片面積上的平均受力即可。
       當(dāng)測(cè)量介質(zhì)不清潔且粘稠易凝并含有較多的介質(zhì)時(shí),垂直安裝方式不論是大范圍的還是小范圍的測(cè)量都不會(huì)獲得令人滿意的測(cè)量結(jié)果。在我們的多次檢修中發(fā)現(xiàn),粘稠介質(zhì)和雜質(zhì)會(huì)附著在感壓膜片的表面,改變了感壓膜片的表面張力,改變了力的傳遞的大小，時(shí)間長(zhǎng)久附著在感壓膜片表面的雜質(zhì)還會(huì)固化或附著在感壓膜片上(一般是感壓膜片的下部附著物較多)，使儀表的測(cè)量出現(xiàn)明顯的偏差(一般儀表指示偏低)。目前,為克服以上的問(wèn)題各使用單位一般采用加溫的防冷凝,加沖洗液的方式防雜質(zhì)堵塞。但當(dāng)壓力傳遞通道沒(méi)有堵到一定程度時(shí)，沖洗液起不到明顯的作用,雜質(zhì)依舊附著或堆積在膜片的下半部，垂直安裝方案所示的正壓入.口處,這種安裝方案同時(shí)還存在測(cè)量的零點(diǎn)界面不清楚的問(wèn)題。于是,我們根據(jù)實(shí)踐采用了下傾式取壓安裝方案。
4.2.2平面式雙法蘭變送器的下傾式取壓安裝的特點(diǎn)
       下傾式取壓安裝方式使H2o(H_o)的有效高度(感壓距離)縮短了，提高了測(cè)量的精度改善檢測(cè)的非線性和提高可靠性,降低了重介質(zhì)污物在取壓口堆積的可能性，和粘稠附著物體測(cè)量帶來(lái)的影響，提高了全量程檢測(cè)的契合度和可靠性。
       下傾式取壓使導(dǎo)壓管中的重介質(zhì)污物自然滑落入容器中,不易在導(dǎo)壓管內(nèi)產(chǎn)生污物堆積,方便.了介質(zhì)交換。同時(shí)由于法蘭面有一定的傾斜角度給附著物在法蘭面的附著帶來(lái)了一-定的困難。當(dāng)選擇合適的導(dǎo)管長(zhǎng)度時(shí)熱傳遞和介質(zhì)交換會(huì)使附著物(或冷凝物)液化。這樣就基本.上解決了重質(zhì)污物的堆積堵塞和冷凝堆積的問(wèn)題。這種測(cè)量安裝方案--般適用于大測(cè)量范圍的液位測(cè)量。但是測(cè)量效果只是相對(duì)垂直式安裝有所改善,但并沒(méi)有從根本.上解決非線性和測(cè)量零點(diǎn)不清晰的問(wèn)題。
4.2.3平面式雙法蘭變送器的水平安裝的特點(diǎn)
        為了解決小范圍的測(cè)量存在的非線性和測(cè)量零點(diǎn)界面不清的問(wèn)題,提出了水平安裝方案，這種安裝方案中,由于感壓膜片的感壓平面與容器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的水平面基本是平行的,感壓膜片的感壓過(guò)程是全面積的,沒(méi)有漸浸過(guò)程,故這種測(cè)量安裝方案不存在非線性的問(wèn)題，推論結(jié)果表明,儀表在全.量程范圍內(nèi)的測(cè)量精度有了徹底的改觀。同時(shí),感壓膜片所在的水平面即為儀表測(cè)量的感壓零點(diǎn),這樣就解決了測(cè)量零點(diǎn)界面不清晰,儀表輸出零點(diǎn)不易確定的問(wèn)題,同時(shí)也增加了檢測(cè)的反應(yīng)靈敏度。

5結(jié)語(yǔ)
       通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和理論總結(jié),第一種安裝方案和第三種安裝方案各有特點(diǎn),第一種安裝方案安裝相對(duì)簡(jiǎn)便,適用于大量程檢測(cè);第三種安裝方案安裝相對(duì)復(fù)雜,最適合小量程的檢測(cè)，第三種安裝方案解決了第一種和第二種安裝方案導(dǎo)致的檢測(cè)中發(fā)生的非線性問(wèn)題,尤其徹底解決了平面式雙法蘭差壓變送器對(duì)微小量程液位檢測(cè)的瓶頸。