第七章 液位测量

1、第七章液位测量第七章液位测量 液位是指开口容器或密封容器中液体 介质液面的高低，用来测量液位的仪表称 为液位计。 这里只介绍应用较为广泛的浮力式、 差压式、电气式液位计的结构、原理及应 用。 第一节静压式液位计第一节静压式液位计 一、利用静压差测量液位的原理一、利用静压差测量液位的原理 静压式液位检测方法是根据液柱静压与液柱高 度成正比的原理来实现的。其原理如图7-1所示， 根据流体静力学原理可得 H PA PB gHPPP AB 图图7-1 7-1 静压式液位计原理静压式液位计原理 当容器为敞口时，则P0为大气压，上式变为： gHPPp 0 二、压力表测量液位计二、压力表测量液位计 当压力仪

2、表与取压点当压力仪表与取压点( (零液位零液位) )不在同一水平位置不在同一水平位置 时，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。时，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。 图图7-2 7-2 压力式液位计压力式液位计 (a)压力表测液位；(b)法兰式压力变送器测液位 三、法兰式压力变送器液位计三、法兰式压力变送器液位计 由于对于粘稠液体或有凝结性的液体，为由于对于粘稠液体或有凝结性的液体，为 避免导压管堵塞，可采用法兰式压力变送器和避免导压管堵塞，可采用法兰式压力变送器和 容器直接相连，其在导压管处加有隔离膜片，容器直接相连，其在导压管处加有隔离膜片， 导压管内充人硅油，借助硅油传递压

3、力。容器导压管内充人硅油，借助硅油传递压力。容器 与压力表之间用法兰将管路连接，故称与压力表之间用法兰将管路连接，故称“法兰法兰 液位计液位计”。 四、压差式液位计四、压差式液位计 如图7-3所示。差压液位计指示值除与液位 高度有关外，还与液体密度和差压仪表的安装 位置有关。实际安装时不一定能满足压力检测 仪表安装在零液位处；采用法兰式差压变送器 时，由于在从膜盒至变送器的毛细管中充以硅 油，无论差压变送器在什么高度，一般均会产 生附加静压，可通过计算进行校正，更多的是 对压力(差压)变送器进行零点调整，使它在只 受附加静压(静压差)时输出为“0”，这种方 法称为“量程迁移”。 （一）无迁移（

4、一）无迁移 当液位H在0Hmax范围内变化时，对应的P在 0Pmax范围内变化，变送器输出IP在量程上下限 间相应变化。 图图7-37-3压差式液位计原理压差式液位计原理 (a)无迁移；(b)负迁移；(c)正迁移 gHP 1 （二）负迁移（二）负迁移 这样就破坏了变送器输出IP与液位之间的正常关 系,调整变送器上的迁移弹簧，使变送器在H0， 输出IP为量程下限； 在HHmax时， 为最大差压，变送器输出IP为量程上限，这样就实现 了变送器输出与液位之间的正常关系。称为负迁移 量。 022012121 ()(PghPgHghPPP ghhgHP 2121 )( ghhP 212 )( ghhgH

5、P 2121maxmax )( ghhZ 212 )( （三）正迁移（三）正迁移 图图7-3(c)7-3(c)所示的测量装置中，液位高度所示的测量装置中，液位高度H H与压差之间与压差之间 的关系为的关系为 ghHP 1 )( 五、高位水箱的液位测量五、高位水箱的液位测量 在液位计系统中接入一个U形管压差计，便可 将液位计接到比容器位置低得多的场所进行液位测 量或监控。图7-5所示为锅炉中测量锅筒水位的水位 计工作原理图。这种水位计可以安装到位置比锅筒 低得多的运行人员操作台上进行锅筒水位监控。 在正常工况下， 化简上式可得： gRHHgRgHgH 203210 )( 0 23 12 HR 在

6、锅筒水位降低h值条件下， 设低地位水位计的横截面积为f1，膨胀室的横截面积 为f2，则 由式(7-6)、(7-7)、(7-8)可得 gHHRhghRhghHghHgh 203121104 )()()()( h f f h 1 1 21 42121 3 /1 )/1 ( ff ff 第二节电接触式液位计第二节电接触式液位计 一、电容式液位计一、电容式液位计 电容式液位传感器是利用被测物的介电 常数与空气(或真空)不同的特点进行检测的， 电容式物位计由电容式物位传感器和检测电 容的测量线路组成。 图图7-6 7-6 导电液体的电容式液位测量导电液体的电容式液位测量 1-导电液体；2-容器；3-不锈

7、电极；4-绝缘套 （一）测量导电液体的电容式液位传感器（一）测量导电液体的电容式液位传感器 当液位高度为H=0时，圆筒电容器的电容量C0为： 当液位高度为H时，圆筒电容器的电容量C为 当容器内液位高度有零变化到H时，圆筒电容器的电 容变化量C为 )/ln( 2 0 0 0 dD L C )/ln( )(2 )/ln( 2 0 0 dD HL dD H C )/ln( 2 )/ln( 2 0 0 0 dD H dD H CCC 通常，D0D，0，则上式可简化为 当电极确定后，、D、d为定值，上式可写为 可见，当电极确定后，、D、d为定值，传感器的电 容变化量与液位的变化量呈线性关系。测出电容变化

8、 量就可求出被测液位。且绝缘套管的介电常数较大， Dd较小时，传感器的灵敏度较高。 )/ln( 2 dD H C KHC （二）测量非导电液体的电容式液位传感器（二）测量非导电液体的电容式液位传感器 图图7-7 7-7 非导电液体的电容式液位测量非导电液体的电容式液位测量 1-非导电液；2-容器；3-不锈钢外管；4-不锈钢内管；5-绝缘套 当被测液位H=0时介质是空气，电容器的电容量为 当液位为H时上下介质分别是空气和液体，电容C为 当容器液位高度有零变化到H时，电容变化量C为 可见，当电极确定后，、D、d为定值，传感器的电 容变化量与液位的变化量呈线性关系。测出电容变化 量就可求出被测液位。

9、 )/ln( 2 0 0 dD L C )/ln( )(2 )/ln( 2 0 dD HL dD H C H dD CCC )/ln( )(2 0 0 二、电接点液位计二、电接点液位计 由于密度和所含导电介质的数量不同，液体与其蒸 汽在导电性能上往往存在较大的差别，电接点液位 计正是利用这一差别进行液位检测的，通过液体汽、 液相电阻的不同指示液位高低。电接点液位计的基 本组成和工作原理如图7-8所示。 图图7-8 7-8 电接点液位计测量原理电接点液位计测量原理 1-汽包；2-测量筒；3-电极；4-绝缘套；5-指示灯 电接点液位计得到了较为广泛的应用， 尤其是在锅炉汽包水位的测量中，由于其 测

10、量结果受汽包压力变化的影响很小，故 适用于锅炉变参数工况下的水位测量。但 是，这种液位计的液位指示信号具有非连 续的阶跃性，因此不宜作为液位连续调节 的信号传感器。用电接点液位计测量锅炉 汽包水位时，除了上述误差外，最主要的 误差是测量筒内水柱温降所造成的测量筒 水位与汽包重力水位之间的偏差，因而应 该对测量筒采取保温措施。 第三节浮力式液位计第三节浮力式液位计 浮力式液位检测的基本原理是通过测量漂 浮于被测液面上的浮子(也称浮标)随液面变化 而产生的位移检测液位；或利用沉浸在被测液 体中的浮筒(也称沉筒)所受的浮力与液位的关 系检测液位。前者为恒浮力式检测，一般称浮 子式液位计。后者为变浮力

11、式检测，一般称浮 筒式液位计。 一、浮子式液位计一、浮子式液位计 浮子漂浮在液面上, 其平衡关系为 图图7-9 7-9 浮子式液位计测量原理浮子式液位计测量原理 1-浮子；2-绳索；3-重锤；4-刻度尺 21 WFW 当液位上升时，浮子所受浮力F增加，则W1 FX，由式(7-19)可得，H=h，H可表示为 hHX )(XXKAhW XKAh A XK h A XK H 变浮力物位检测方法实质上就是将液位转 换成敏感元件浮筒的位移变化。可应用信号变 换技术进一步将位移转换成电信号，配上显示 仪表在现场或控制室进行液位指示和控制。图 7-12是在浮筒的连杆上安装一铁芯，可随浮筒 一起上下移动，通过

12、差动变压器使输出电压与 位移成正比关系，从而检测液位。 第四节超声波液位计第四节超声波液位计 一、一、 声学法液位计工作原理声学法液位计工作原理 声学法液位计利用声波传播过程中的一些物 理特性如声速、声波反射或声波减弱等来测量液 位的。声波式液位计是一种非接触式物位计，无 可动部件，不受被测介质的导电率、导热系数或 介电常数等的影响。因此应用面广，可用于有毒、 有腐蚀性、高粘度液体的测量。但不宜用于含气 泡、悬浮杂质和波浪较大的液体液位测量，否则 会因乱反射而产生误差。此外，这种液位计因设 备较复杂，价格较高。 声波液位计可以采用频率较低的声频或频率较高的 超声频发射声波。对气体介质一般用声频

13、，因为超声 频在气体中声能衰减较大；对液体或固体介质可用超 声频。超声波是指频率高于20kHz的声波，超声波声束 集中，不易扩散，可提高测量精度。 图图7-13 7-13 声波反射式液位计工作原理声波反射式液位计工作原理 (a)液体中反射；(b)气体中反射；(c)固体中反射 二、超声波液位计二、超声波液位计 超声波液位计由超声波换能器和测量电路 组成。超声波换能器作为传感器检测液位的变 化，并把液位变化转换为电信号。通过测量电 路的放大处理，由显示装置指示液位。 超声波换能器是根据压电晶体的“压电效 应”和“逆压电效应”原理实现电能一超声波 能的相互转换，其原理如图7-14所示。 图图7-14 7-14 压电效应原理图压