Дифференциальный манометр (ДМ) измеряет уровень жидкости, определяя гидростатическое давление столба жидкости над точкой отсчёта. Прибор не измеряет уровень напрямую: он фиксирует разность давлений, а система управления пересчитывает показание в значение уровня, используя известную плотность технологической жидкости.

Метод применим в открытых и закрытых резервуарах, с разделительными сосудами и без них, для практически любых технологических жидкостей. Сам прибор не меняется в зависимости от задачи — меняется схема подключения и настройка диапазона.

Физическая основа

Гидростатическое давление описывается простой зависимостью: давление равно высоте столба жидкости, умноженной на её плотность. На дне резервуара с 1000 мм воды (плотность 1,0) гидростатический напор составит 1000 мм вод. ст. Тот же резервуар, заполненный нефтью (плотность 0,85), создаст на том же уровне напор 850 мм вод. ст.

Дифференциальный манометр имеет вход высокого давления (ВД) и вход низкого давления (НД). Прибор регистрирует разность между ними. Вся логика измерения уровня с помощью ДМ строится на этом принципе.

Открытый резервуар

В открытом резервуаре вход НД сообщается с атмосферой. На вход ВД действует только давление столба жидкости. При минимальном уровне (0%) дифференциальное давление равно нулю. При максимальном уровне оно равно гидростатическому напору жидкости в заполненном резервуаре.

Если резервуар высотой 2000 мм заполнен жидкостью с плотностью 0,9, диапазон настройки прибора составит от 0 мм вод. ст. (0% уровня) до 1800 мм вод. ст. (100% уровня). Прибор выдаёт 4 мА при пустом резервуаре и 20 мА при полном.

Положение прибора может влиять на расчёт, если импульсная трубка от нижнего отбора давления до прибора заполнена технологической жидкостью: тогда статический напор жидкости в трубке необходимо учесть при задании нижнего значения диапазона (НПД).

Закрытый резервуар: сухая трубка

В закрытом резервуаре пространство над жидкостью находится не при атмосферном давлении. Вход НД соединяется с верхней частью резервуара через импульсную трубку, заполненную газом или паром — это сухая трубка (dry leg). Поскольку плотность газа пренебрежимо мала, он не создаёт дополнительного гидростатического напора на входе НД.

Расчёт аналогичен открытому резервуару: на вход ВД действует напор технологической жидкости, на вход НД — давление, близкое к нулю. Закрытые резервуары с сухой трубкой дают положительный калибровочный диапазон.

Закрытый резервуар: мокрая трубка

Если технологическая жидкость конденсируется или пар нельзя использовать в трубке низкого давления, её заполняют эталонной жидкостью — как правило, глицерином, силиконовым маслом или другим совместимым составом. Это мокрая трубка (wet leg).

Мокрая трубка создаёт постоянный, заранее известный напор на входе НД. При уровне 0% этот напор превышает напор технологической жидкости на входе ВД, что даёт отрицательное дифференциальное давление. При уровне 100% разность уменьшается, но, как правило, остаётся отрицательной. Прибор настраивается на этот отрицательный диапазон: НПД соответствует бо́льшему по модулю отрицательному числу, ВПД — меньшему.

Если в закрытом резервуаре НПД по абсолютной величине больше ВПД, это почти всегда означает наличие мокрой трубки на входе НД.

Системы с выносными мембранными разделителями

Когда применение импульсных трубок нецелесообразно — из-за высокой вязкости жидкости, взвесей, агрессивных сред или риска засорения — вместо трубок устанавливают выносные мембранные разделители. Мембрана монтируется непосредственно в точке отбора давления; капиллярная трубка, заполненная разделительной жидкостью, соединяет её с прибором.

При использовании двух разделителей (нижний и верхний штуцеры резервуара) положение прибора относительно точек отбора давления не влияет на калибровку. НПД и ВПД одинаковы вне зависимости от места установки прибора. Это одно из главных практических преимуществ схемы с двумя разделителями.

На расчёт влияют плотность разделительной жидкости и расстояние по высоте между разделителями. Система с глицерином (плотность ≈ 1,26) при расстоянии между штуцерами 1000 мм создаёт постоянный напор около 1260 мм вод. ст. на той стороне, где установлен разделитель, и это необходимо учесть при задании диапазона.

Что означает точность прибора для измерения уровня

Точность прибора превращается в точность измерения уровня только при известной плотности технологической жидкости. Если фактическая плотность отличается от принятой при настройке на ±0,01, эта погрешность прибавляется к погрешности прибора напрямую.

Для резервуара высотой 2000 мм с водой (плотность 1,0) прибор с точностью ±0,075% ШД даёт погрешность по уровню ±1,5 мм от самого прибора. Любое отклонение плотности добавляется сверху.

Именно поэтому долговременная стабильность не менее важна, чем основная погрешность. Прибор с основной погрешностью ±0,075% ШД, но с дрейфом ±0,25% ВПД за 12 месяцев накопит погрешность по уровню, превышающую основную, ещё до следующей поверки.

Выбор прибора для измерения уровня методом ДД

Диапазон измерений, технологическая жидкость, тип резервуара и требуемая точность определяют подходящую модель прибора. Для большинства задач в водоподготовке, HVAC, лёгкой химии и общем производстве пьезорезистивный датчик диффузионного кремния обеспечивает необходимые характеристики при разумной стоимости.

Серия NCS-PT105IIS производства Microcyber построена на пьезорезистивном датчике диффузионного кремния и выпускается с протоколами HART, Foundation Fieldbus и PROFIBUS PA. Основные характеристики, важные для измерения уровня:

Для задач с более жёсткими требованиями к долговременной стабильности или высоким статическим давлением — например, измерение уровня в реакторах высокого давления или при длинных межповерочных интервалах — серия монокристаллического кремния NCS-PT105IIM обеспечивает стабильность ±0,2% ВПД за 5 лет.