多變量的液位測量方法密度補償調平消除了幾乎所有誤差

多變量的液位測量方法密度補償調平消除了幾乎所有誤差
罐液位測量是差壓（d / p）電池測量技術的第二常見應用。首先是流體流速測量。

流量或液位測量的準確度高度依賴于知道一個或多個實際流體密度。讓我們看一下具有積分密度計算的多變量變送器，以改善液位測量。
差壓變送器在液位測量中很常見。它們的成本相對較低，易于獲得，易于安裝，材料，工藝連接和壓力范圍廣泛，因此非常適用于液位應用。
然而，由于液體柱產生的靜水壓頭取決于液體的密度，因此從靜水壓頭測量推斷出的液位精度取決于液位計算中使用的密度的精度。
對于容許某種程度的液位誤差的應用，可以使用液體密度的假設。但是，液位測量將具有與假定密度值的實際密度變化成比例的誤差。
獨立測量壓差，絕對壓力和幾個溫度的液位計算解決方案可以計算所需的所有密度值。然而，為了正確地做到這一點，我們需要多個測量設備及其所有現場接線和I / O通道，以及復雜的流體計算算法。
或者，具有整體計算能力的單個多變量發射器可以提供極大改進的精確水平測量，盡管由壓力和溫度的變化引起的密度變化。這種方法比多個設備和所有合成的控制器或系統計算更簡單，更穩健。

擺脫計算資源
盡管其他技術不斷改進，差分流量計和液位變送器仍然在許多工業測量領域占據主導地位，包括碳氫化合物生產和精煉，化學品生產和發電。
然而，如果僅測量壓差并且未確定密度，則差分頭流量測量是不準確的。因此，知識淵博的用戶已經將流量計算技術應用于頭部流量測量數十年，特別是在測量有價值的可壓縮流體（例如天然氣，氨和蒸汽）時。這種方法通常需要在系統或流量計算機中單獨測量和傳輸流體壓力和溫度以及計算流體密度。
多變量發射機在過去幾年中迅速普及。這是由于更具成本效益的測量和流量計算軟件，大大提高了流量測量的準確性。
多變量變送器可連續測量壓差，絕對壓力，過程和設備溫度。這些多變量發射機采用ad / p小區發射機的外形。
迄今為止，較常見的應用是通過使用具有主要頭部裝置的發射器（例如孔板，文丘里管或多點平均皮托管元件）實現的密度補償質量或標準體積流量測量。
具有板載計算的多變量發射機正在廣泛部署，以便在測量點獲得更好的精度。此外，它們還通過消除設備及其過程連接來提高可靠性并降低成本; 以及較小化現場布線和I / O通道和機架空間。此外，它們消除了面板，PLC或控制系統中對復雜計算資源的需求。請注意，為獲得較佳精度，密度效應遠遠超出簡單的理想氣體定律校正。
此外，這種分布式功能的降低成本使得將補償應用于之前必須忽略的測量工程師更具成本效益和實用性，因為改進的過程測量和控制是不合理的。
現在，隨著討論的進步，這些多變量變送器也可用于更精確的液位測量。基于測量的壓力和溫度，板載液體和蒸汽密度計算可以補償不同密度的差壓測量。使用壓力和溫度的測量可以計算許多工藝液體的密度，為改進的靜水液位測量提供了經濟的解決方案。

性能更好的密度
對于給定的重力加速度，罐或容器中的液體頭產生每單位面積或壓力（P）的力，該力與測量點上方的液位（L）與平均密度（r）成正比。列中的液體。這意味著L = P / r。
一側與大氣相通的差壓變送器可以確定通風罐中的液位。
通風坦克
一個通風坦克
雖然這個公式（L = P / r）很簡單，但它的用法可能很復雜。實際上，所有使用壓力變送器用于液位的應用都包括以下一個或多個問題：
發射器不位于零電平點。
變送器遠離油箱，位于主壓力連接的上方或下方。
變送器通過法蘭或密封系統與過程流體隔離。
罐關閉，因此在液體上方受到壓力或真空。
液體上方的流體可以是液體本身的蒸汽或外部源流體，例如氮氣層。
油箱壓力參考連接充滿蒸汽（干腿）。
油箱壓力參考連接充滿液體（濕腿）。
外部濕腿可以存在于變送器的高壓側和低壓側。
這些外部腿的環境條件可以不同。
環境條件通常不同于罐的條件，例如濕腿溫度可能與罐內溫度非常不同。
當然，還有液體和蒸汽密度的變化。
完全定義的應用程序在這里。
完全定義的應用程序
完全定義的應用
在這里，我們需要四個變送器密度值，使用測量的壓力和溫度進行計算。
他們包括：
罐液的密度，r1在溫度T1，液體上的壓力M2。
底部外腿中的罐液密度，溫度T2下的r2，液體上的M2壓力。
液體上方蒸汽的密度，溫度T1和壓力M2下的r3。
上部外腿中的液體密度，在溫度T4下的r4，在液體上具有M2壓力。
罐液和罐蒸汽的溫度在預期的精度限度內大致相等。
此外，罐中的壓力M2由多變量變送器測量的壓力減去罐頂部和變送器（H3）（r3）之間的柱中的液體靜壓頭計算得出。
溫度T1，T2和T4可以由用戶分配給幾個源中的任何一個。多變量變送器具有一個外部電阻溫度檢測器（RTD）輸入。RTD可以測量這些溫度中的任何一個。
認識到外部液體支腿通常處于與發射器本身的溫度相似的環境溫度，發射器可以配置為連續使用測量的內部電子器件或傳感器溫度用于液體支腿溫度。
較后，如果需要，用戶輸入的恒定溫度值也可以代替RTD，電子設備或傳感器溫度。
雖然在確定準確的液位時需要解決許多可能的變量和問題，但通常更好的性能的關鍵變量是更好的密度數據。此外，當罐中的壓力很大時，塔頂蒸氣的密度也可能很大。因此，我們還需要知道或計算蒸汽密度。
對于許多應用，我們可以直接從測量的溫度和壓力中找到液體和頂部蒸汽密度。這些密度計算實際上與流量計算產品中使用的密度計算相同，其中測量壓力和溫度，然后可以計算質量或標準流量。
各種計算方法和標準工作，包括ASME（美國機械工程師協會）表，用于常見流體（如水和蒸汽），API（美國石油協會）烴類流體方程，以及ANSI（美國國家標準協會）和ISO（國際標準組織）其他流體的方程式。此外，計算應允許混合物和用戶輸入的定制流體屬性。
因此，發射器配置工具利用許多常見流體的物理特性表，并提供用戶輸入定制流體數據的手段。
以下等式示出了基于差壓測量（ΔP），壓力測量和計算（M2）以及個體密度計算的一種可能的水平計算（L）。
L = [DP - （r3）（H3-H1-H2） - （r1）（H1） - （r2）（H2）+（r4）（H3）] /（r1-r3）
該等式將根據變送器方向和開放式和封閉式水箱以及干濕腿的各種可能組合而變化。

獨立溫度
使用多變量發射器的密度補償水平消除了使用未補償的單變量發射器時出現的大多數誤差。多變量變送器提供連續，動態計算，較多可達四個獨立密度（罐液，罐內蒸汽，罐和變送器之間的外部腿部液體，以及從罐頂到變送器的外部支管中的蒸汽或液體，已知分別為干腿或濕腿）。
動態補償密度后剩余的水平誤差很小。隨著密度誤差消失，產生的水平精度主要取決于差壓變送器本身的固有精度。這意味著合成水平誤差與在沒有密度變化的水平應用上使用傳統單變量變送器時可能出現的誤差大致相同。
補償精度的精確值將根據幾個條件而變化，包括罐高度和多變量變送器內壓差和壓力測量的測量跨度。
根據所選擇的變送器，測量范圍和一些次要因素，可以獲得大約0.1％跨度的水平精度，這是液體和蒸汽密度的較大變化。這種精確度與上述丙烷和鍋爐鼓應用中未補償的精度形成鮮明對比。
用于密度補償水平測量的多變量變送器的成功實施還要求安裝和配置考慮開式和閉式（加壓）罐，濕腿和干腿，罐和干腿的蒸汽密度校正，液體密度罐和濕腿的校正，罐內液體和每個外部濕腿（高壓側和低壓側）以及干腿中的液體的獨立溫度分配，使用時。

補償液位
以下是丙烷存儲業務（第一）和發電行業（第二）的兩個應用示例。
丙烷儲存容器是直徑為12英尺（~3.5M）的水平圓筒。儲存缸位于室外，并且在0至110°F（-25至65°C）的大氣條件下。加上直接的太陽輻射可能會將溫度升高到150°F。

帶水平傳感器的磁翻板液位計
磁翻板液位計使用多變量計算變送器的補償液位的標稱精度是水平的+/- 0.1％。為了說明使用多變量發射器進行密度補償液位的好處，我們將首先檢查在沒有密度補償的情況下使用傳統單變量變送器時可能存在的液位誤差。
在該應用中，單個可變d / p電池變送器的液位測量性能將來自差壓和變送器（環境）溫度的直接測量。假設包括：儲罐溫度，儲罐壓力和流體成分。

水平測量精度（或不確定性）預測將沿著這條邏輯線進行。
讓我們假設對于特殊應用，在設計條件下，75°F，該水平測量精度為10mm或6/8英寸。然后我們可以檢查由于液體和蒸汽密度變化而可能發生的磁翻板液位計測量誤差的量。
環境可以在0-150°F之間變化，因此性能如下：
在10°F時，儲存的液化石油氣的密度為33.58磅/英尺3，使我們的二次誤差為~10％或12.7英寸。
在100°F時，儲存的液化石油氣的密度為29.52磅/英尺3，使我們的二次誤差為7％或7.8英寸。
在150°F時，儲存的液化石油氣的密度為26.18磅/英尺3，使我們的二次誤差為31％或37.6英寸。
發電示例是75（75英寸，2米）鍋爐鼓。滾筒處于飽和狀態，通常在600 psig下運行。鍋爐鼓壓力可以從設定值加上或減去25 psig。此外，在啟動期間，鼓壓力接近大氣壓開始。
鍋爐鼓和液位變送器
發電廠的鍋爐鼓和液位變送器
在該應用中，單個可變d / p電池變送器的液位測量性能可以來自差壓和變送器（環境）溫度的直接測量。假設包括鼓壓和隔離濕腿溫度。
液位測量精度（或不確定度）計算的工作原理如下：
在參考條件下，600 psig，水平將精確到≈0.1英寸。
但是，在575或625 psig，水平將增加到1.1英寸或> 3％。
在啟動或關閉期間 - 非常關鍵的時間 - 100 psig，水平將是3.1英寸關閉或> 9％的錯誤。
較后，使用流體靜力，力或壓力技術進行液位測量已經廣泛使用了數十年。到目前為止，基于密度變化，液位測量要么是準確的，要么是昂貴的。現在，具有內部動態密度補償的多變量發射器可以提供一種經濟有效的手段，可以大大改善這種久經考驗的真實水平測量技術。