Справочник по настройке промышленных гидростатических уровнемеров

А.А. Калашников 
 
 
 
 
 
 
 
 
СПРАВОЧНИК  
ПО НАСТРОЙКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ  
ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ УРОВНЕМЕРОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Инфра-Инженерия 
Москва-Вологда 
2017 



ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 
 
УДК 621.3:53.087 
ББК 31.21 
         К17 
  Калашников А.А.  
К17    Справочник по настройке промышленных гидростатических уровнеме-  
           ров / А.А. Калашников. – М.: Инфра – Инженерия, 2017.– 194 с. 
ISBN 978-5-9729-0167-8 
Справочник содержит технические описания основных промышленных 
гидростатических схем измерения уровня, количественные данные и процедуры расчетов, позволяющие выполнить оценку систематических составляющих погрешности измерений и определить настроечные параметры измерительных каналов с учетом коррекции показаний. 
Справочник составлен с позиции практического инженера и будет полезен персоналу, осуществляющему пусконаладочные работы, техническое обслуживание и ремонт оборудования КИП, а также может представлять практический интерес для студентов и аспирантов технических 
вузов, специализирующихся в соответствующих областях. 
УДК 621.3:53.087 
ББК 31.21 





© Калашников А.А., автор, 2017 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2017 
ISBN 978-5-9729-0167-8 
2 


СОДЕРЖАНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.............................................................................................................. 4 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ...................................................................................................... 5 
I. ОСНОВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 
ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД 
.................................................................... 6 
1.1 Измерение уровня в технологических емкостях под давлением ................. 6 
1.2 Измерение уровня в открытых технологических емкостях 
.......................... 9 
II. ОЦЕНКА СИСТЕМАТИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОГРЕШНОСТИ 
ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ 
................................................................................................ 13 
2.1 Соотношения для расчетов систематической составляющей 
погрешности, вызванной несоответствием шкал измерений и фактической базы 13 
2.2 Соотношение для расчета систематической составляющей погрешности, 
вызванной изменением теплофизических характеристик рабочей среды ................ 17 
III. ПРОЦЕДУРЫ РАСЧЕТОВ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ В ЗАДАЧАХ 
НАСТРОЙКИ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ УРОВНЕМЕРОВ ...................................... 19 
3.1 Коррекция показаний на фактическую базу ИК уровня ............................. 19 
3.2 Температурная коррекция показаний на «горячую» шкалу (за счет 
поправочных коэффициентов) ..................................................................................... 20 
3.3 Температурная коррекция показаний на «горячую» шкалу (за счет 
индивидуальной настройки первично-измерительного преобразователя) ............. 24 
3.4 Коррекция показаний на высоту гидростолба в импульсной линии ......... 25 
3.5 Коррекция показаний на номинальное значение плотности рабочей 
среды в открытой технологической емкости ............................................................. 26 
IV. ТАБЛИЦЫ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТИ 
ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПРАВОЧНЫХ 
КОЭФФИЦИЕНТОВ .................................................................................................... 27 
4.1 Теоретические основы составления таблиц ................................................. 28 
4.2 Применение табличных значений K1, B1 в расчетах погрешности 
измерений уровня и коррекции показаний ИК на «горячую» шкалу 
...................... 28 
4.3 Область применения таблиц .......................................................................... 29 
4.4 Таблица значений максимальной погрешности и поправочных 
коэффициентов для состояния насыщения воды (по температуре) 
......................... 30 
4.5 Таблица значений максимальной погрешности и поправочных 
коэффициентов для состояния насыщения воды (по давлению) ............................. 45 
4.6 Таблица значений максимальной погрешности и  поправочных 
коэффициентов .............................................................................................................. 59 
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….........189
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
С внедрением цифровых программно-технических комплексов в современной энергетике наблюдается спрос к повышению уровня автоматизации в 
части систем контроля и управления технологическим процессом. В частности, 
свое развитие получили новые методы по обработке измерительных сигналов 
от гидростатических уровнемеров, обеспечивающие выполнение автоматической коррекции показаний измерительных каналов в условиях динамически 
меняющихся технологических процессов. Реализация методов позволила  оптимизировать настроечные параметры измерительных каналов и повысить точность их показаний. 
Несмотря на данные успехи в области обеспечения достоверности показаний КИП, наблюдается нехватка учебно-методической литературы, которая 
бы учитывала новые подходы по настройке и корректировке показаний измерительных каналов уровня жидких сред. 
Настоящий справочник обобщает и систематизирует знания по настройке 
и современным принципам реализации коррекции показаний гидростатических 
уровнемеров энергетических объектов. 
Данные, приведенные в справочнике, применимы для любых областей 
промышленности, где осуществляются измерения уровня жидких сред гидростатическим способом (посредством датчиков давления/разности давлений). 
4 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
Настоящий справочник посвящен инженерной деятельности по настройке 
и коррекции показаний измерительных каналов уровня с датчиками давления/разности давлений (осуществляющих измерения гидростатическим способом) на объектах энергетики. 
Справочник включает: 
- технические описания основных промышленных гидростатических схем 
измерения уровня жидких сред; 
- процедуры расчетов систематических составляющих погрешности измерений; 
- технические описания и порядок выполнения расчетов применяемых 
корректировок показаний промышленных гидростатических уровнемеров; 
- таблицы значений погрешности измерений и поправочных коэффициентов к гидростатическим уровнемерам в зависимости от термодинамических характеристик воды и водяного пара. 
Указанные в справочнике сведения позволяют выполнить анализ и оптимизировать настроечные параметры измерительного канала уровня, оценить 
достоверность показаний и определить необходимые поправочные коэффициенты, задаваемые в программно-технических комплексах из состава АСУТП 
современных производств. 
 
 
5 


I ОСНОВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 
ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД 
 
 
1.1 Измерение уровня в технологических емкостях под давлением 
 
Организация измерений уровня посредством датчиков разности давлений 
(гидростатическим способом) для технологических емкостей, находящихся под 
давлением/разряжением, выполняется с применением однокамерных и двухкамерных уравнительных сосудов [4, 6]. Типовая схема измерения уровня с применением однокамерного уравнительного сосуда (УСО) приведена на рисунке 1. 
 
 
Рисунок 1 - Измерение уровня в технологической емкости под давлением  
с применением однокамерного уравнительного сосуда 
1 – технологическая емкость под давлением; 2 – однокамерный уравнительный сосуд (УСО); 
3 – штуцер (врезка плюсовой импульсной линии);  
4 – плюсовая импульсная линия (трубная проводка); 5 – коренные вентили;  
6 – штуцер (врезка минусовой импульсной линии); 7 – минусовая импульсная линия;  
8 – отсечные вентили; 9 – датчик разности давлений (ДД);  
ΔP – измеряемый перепад давлений; h1 – высота импульсных линий до нижнего штуцера;  
H – база уровнемера;  
h0 – расстояние от внутренней образующей дна емкости до нижнего штуцера;  
Lmax – максимальное измеряемое значение уровня;  
Lmin – значение уровня, соответствующее высоте нижнего штуцера 
 
При данной схеме измерений уравнительному сосуду сообщается давление/разрежение со стороны технологической емкости, и на датчике разности 
давлений (ДД) в общем случае возникает перепад: 
ΔP = PΣ’’+’’ – PΣ’’-’’ = Pвн + ρ ил1ÂgÂ(h1+ H) – Pвн – (ρил2ÂgÂh1+ ρсрÂgÂL) =  
= ρил1ÂgÂH + (ρил1 – ρил2) g h1 – ρсрÂgÂL, 
(1) 
6 


где  ΔP – измеряемый перепад давлений; 
PΣ’’+’’ – общее давление, оказываемое со стороны плюсовой линии; 
PΣ’’-’’ – общее давление, оказываемое со стороны минусовой линии; 
Pвн – давление/разрежение внутри технологической емкости; 
ρил1 – плотность среды в плюсовой импульсной линии и УСО; 
ρил2 – плотность среды в минусовой импульсной линии и УСО; 
g – местное ускорение свободного падения на площадке производственного объекта; 
h1 – высота импульсных линий до нижней врезки; 
H – база датчика уровня; 
L – уровень среды в технологической емкости; 
ρср – плотность рабочей среды в технологической емкости. 
При текущем значении уровня L > H + h0 (рисунок 1) гидростатическое 
давление ρсрāgā(L – H – h0) воздействует как на плюсовую, так и минусовую 
импульсную линию (ИЛ), в связи с чем компенсируется, и область измерений 
датчика ограничивается величиной фактической базы уровнемера H. В результате, измеряя разность давлений ΔP и задавая зависимость (1), определяется текущее значение уровня L на протяжении всей высоты базы H. 
Основные преимущества данной схемы измерения: 
1) рабочая среда в плюсовой импульсной линии и в технологической емкости находится под одним давлением; 
2) независимо от изменения плотности рабочей среды верхняя точка измерений уровня фиксирована и определяется местоположением уравнительного 
сосуда. 
Причины появления возможных неточностей показаний: 
1) несоответствие изначально заданных шкал измерений по отношению к
фактической базе уровнемера (эвентуально для тех случаев, когда на этапе проектирования не представляется возможным спрогнозировать точное место размещения УСО); 
2) изменение плотности рабочей среды в технологической емкости по отношению к значениям, которые учитывают настроечные параметры измерительного канала (ИК); 
3) разные температурные условия среды в технологической емкости и в
импульсных линиях; 
4) наличие разных фаз среды (например, воды и водяного пара) в технологической емкости. 
Применяемые корректировки показаний с целью исключения систематической погрешности: 
1) коррекция на фактическую базу гидростатического уровнемера (по
«холодной» шкале); 
2) температурная коррекция на плотность рабочей среды в технологической емкости (на «горячую» шкалу). 
Когда температура рабочей среды в технологической емкости равна температуре окружающего воздуха, соответствующая шкала измерений ИК, обес7 

печивающая достоверность показаний, условно называется «холодной». Когда 
температура рабочей среды выше температуры окружающего воздуха, соответствующая шкала измерений условно называется «горячей». 
С целью обеспечения одинаковых температурных условий рабочей среды 
в плюсовой импульсной линии и в технологической емкости в промышленности применяются двухкамерные уравнительные сосуды (УСД). 
 
Рисунок 2 - Измерение уровня с применением двухкамерного  
уравнительного сосуда 
1 – технологическая емкость под давлением;  
2 – двухкамерный уравнительный сосуд (УСД); 3 – штуцер;  
4 – трубные проводки; 5 – камера с переменным уровнем среды (минусовая);  
6 – камера, в которой уровень среды поддерживается постоянным (плюсовая);  
7 – минусовая импульсная линия; 8 – плюсовая импульсная линия; 9 – коренные вентили;  
10 – отсечные вентили; 11 – датчик разности давлений (ДД) 
 
При наличии теплоизоляции за счет циркуляции рабочей среды в минусовой камере УСД поддерживаются одинаковые температурные условия в камерах сосуда и в технологической емкости [4, 6]. 
С учетом данных особенностей перепад давлений на датчике в общем 
случае описывается выражением: 
 
ΔP = PΣ’’+’’ – PΣ’’-’’ = Pвн + ρилÂgÂh1+ ρусдÂgÂH – Pвн – (ρилÂgÂh1+ ρсрÂgÂL) =  
= ρусдÂgÂH – ρсрÂgÂL, 
 
где ρил – плотность среды в импульсных линиях; 
ρусд – плотность среды в плюсовой камере (с постоянным уровнем среды) в 
УСД. 
Основные преимущества данной схемы измерения: 
1)рабочая среда в УСД и технологической емкости находится в одинаковых условиях как по давлению, так и по температуре; 
2)фактическая база уровнемера определяется размером двухкамерного 
уравнительного сосуда, что позволяет абсолютно точно задавать шкалу измерительного канала на этапе проектирования; 
8 


3) импульсные линии (ИЛ), отходящие к датчику, трассируются в непосредственной близости друг к другу, что обеспечивает одинаковые температурные условия, и, следовательно, одинаковую плотность среды в обеих линиях. В 
связи с этим гидростолбы в ИЛ уравновешивают друг друга и не влияют на показания датчика разности давлений (ДД). 
Причина появления возможных неточностей показаний: 
1) изменение плотности двухфазной рабочей среды в технологической емкости по отношению к значениям, которые учтены в настройках измерительного 
канала; 
С целью исключения систематической погрешности измерений уровня, 
вызванной вышеуказанной причиной, по необходимости вводится температурная коррекция показаний на плотность рабочей среды (на «горячую» шкалу). 
1.2 Измерение уровня в открытых технологических емкостях 
Для организации измерений уровня в открытых технологических емкостях, сообщающихся с атмосферой (находящихся под атмосферным давлением), применяются гидростатические схемы измерения с использованием датчиков избыточного давления (ДИ) и разности давлений (ДД). 
Типовая схема измерения уровня с использованием датчика избыточного 
давления представлена на рисунке 3. 
Рисунок 3 - Измерение уровня в открытой технологической емкости  
с применением датчика избыточного давления 
1 – открытая технологическая емкость, сообщающаяся с атмосферой;  
2 – штуцер (место врезки импульсной линии); 3 – коренной вентиль;  
4 – импульсная линия (трубная проводка); 5 – отсечной вентиль;  
6 – датчик избыточного давления (ДИ); P – измеряемое давление; 
 h1 – высота импульсной линии;  
h0 – расстояние от внутренней образующей дна емкости до штуцера; 
 Lmax – максимальное измеряемое значение уровня;  
Lmin – значение уровня, соответствующее высоте нижнего штуцера 
9 

При данной схеме измерений уровня температура среды в импульсной 
линии и в технологической емкости равна температуре окружающего воздуха. 
Измеряемое избыточное давление на датчике определяется суммой давлений: 
 
P = ρÂgÂL + ρÂgÂh1 = ρÂgÂ(L + h1) 
 
где ρ – плотность среды в технологической емкости и в импульсной линии. 
Достоинством данной схемы является простота ее реализации. 
 
Основные недостатки: 
1)Изменение плотности рабочей среды приводит к «плавающему» верхнему пределу измерений уровня; 
2)Измерительная схема не имеет компенсации гидростолба в импульсной 
линии; 
3)Высота импульсной линии (ИЛ) должна быть соизмерима с диапазоном 
измеряемого уровня. С увеличением высоты ИЛ изменения уровня будут составлять меньшую долю от всей шкалы измерений датчика, что приводит к 
уменьшению рабочей области варьирования измерительного сигнала и, следовательно, к снижению помехоустойчивости показаний. 
 
Причины появления возможных неточностей показаний: 
1)отличие рабочего значения плотности среды от значения, в соответствии с которым выполнена настройка измерительного канала 
2)настройка измерительного канала без учета гидростолба в импульсной 
линии. 
 
Применяемые корректировки показаний: 
1)коррекция на номинальное значение плотности среды (по необходимости); 
2)коррекция показаний на высоту гидростолба в импульсной линии. 
Влияние гидростатического столба в импульсной линии на результаты 
измерений исключается при размещении датчика на уровне врезки (в этом случае h1 = 0), а также за счет применения уравнительного сосуда и датчика разности давлений (ДД). 
 
 
 
 
10