第三章物位检测仪表

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 物位检测仪表物位检测仪表第一节第一节 概概 述述 概概 述述 n 物位指存储容器或生产设备里液体、固体、气体高度或位物位指存储容器或生产设备里液体、固体、气体高度或位置。置。 n 生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位液位 n 液位、料位、界位统称为物位。液位、料位、界位统称为物位。n 测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。 n 根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。 第二节 浮力式液

2、位测量测量原理测量原理 n 浮力式液位计是根据浮在液面上的浮球或浮标随液位的高浮力式液位计是根据浮在液面上的浮球或浮标随液位的高低而产生上下位移，或浸于液体中的浮筒随液位变化而引低而产生上下位移，或浸于液体中的浮筒随液位变化而引起浮力的变化原理而工作的。起浮力的变化原理而工作的。n （一）恒浮力法液位测量（一）恒浮力法液位测量n 恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值，使浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变定值，使浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变化的原理来测量液位的。化的原理来测量液位的。恒浮力法液位测量恒浮力法

3、液位测量n 将浮子由绳索经滑轮与容将浮子由绳索经滑轮与容器外的平衡重物相连，利器外的平衡重物相连，利用浮子所受重力和浮力之用浮子所受重力和浮力之差与平衡重物的重力相平差与平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。衡，使浮子漂浮在液面上。浮力式液位计有两种，一浮力式液位计有两种，一种是维持浮力不变的液位种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，计，称为恒浮力式液位计，如浮球、浮标式等。另一如浮球、浮标式等。另一种是在检测过程中浮力发种是在检测过程中浮力发生变化的，叫做变浮力式生变化的，叫做变浮力式液位计，如沉筒式液位计液位计，如沉筒式液位计等。等。 图图2-3-1 恒浮力法液位测量恒浮力法液

4、位测量恒浮力法液位测量恒浮力法液位测量n 浮力式液位计结构简单，使浮子漂浮在液面上。则平衡关浮力式液位计结构简单，使浮子漂浮在液面上。则平衡关系为：系为：n 式中式中 W 浮子所受重力；浮子所受重力；n F 浮子所受浮力；浮子所受浮力； n G 平衡重物的重力。平衡重物的重力。n 一般使浮子浸没一半时，满足上述平衡关系。当液位上升一般使浮子浸没一半时，满足上述平衡关系。当液位上升时，浮子被浸没的体积增加，因此浮子所受的浮力时，浮子被浸没的体积增加，因此浮子所受的浮力F增加，增加，则，使原有的平衡关系破坏，则平衡重物会使浮子向上移则，使原有的平衡关系破坏，则平衡重物会使浮子向上移动，直到重新满足

5、上式为止，浮子将停留在新的液位高度动，直到重新满足上式为止，浮子将停留在新的液位高度上；反之亦然。若忽略绳索的重力影响，由公式可见，和上；反之亦然。若忽略绳索的重力影响，由公式可见，和可认为是常数，因此浮子停留在任何高度的液面上时，的可认为是常数，因此浮子停留在任何高度的液面上时，的值也应为常数，故称此方法为恒浮力法。这种方法实质上值也应为常数，故称此方法为恒浮力法。这种方法实质上是通过浮子把液位的变化转换为机械位移的变化。是通过浮子把液位的变化转换为机械位移的变化。G WF恒浮力法液位测量恒浮力法液位测量n 在这种转换方式中，由于浮子上承受的力除平衡重物的重在这种转换方式中，由于浮子上承受的

6、力除平衡重物的重力之外，还有绳索两端垂直长度不等时绳索本身的重力以力之外，还有绳索两端垂直长度不等时绳索本身的重力以及滑轮的摩擦力等，这些外力将会使上述的平衡条件受到及滑轮的摩擦力等，这些外力将会使上述的平衡条件受到影响，因而引起读数的误差。绳重对浮子施加的载荷随液影响，因而引起读数的误差。绳重对浮子施加的载荷随液位而变，相当于在恒定的上附加了变动的成分，但由此引位而变，相当于在恒定的上附加了变动的成分，但由此引起的误差是有规律的，能够在刻度分度时予以修正。摩擦起的误差是有规律的，能够在刻度分度时予以修正。摩擦力引起的误差最大，且与运行方向有关，无法修正，唯有力引起的误差最大，且与运行方向有关

7、，无法修正，唯有加大浮子的定位能力来减小其影响。浮子的定位能力是指加大浮子的定位能力来减小其影响。浮子的定位能力是指浸没浮子高度的变化量所引起的浮力变化量，浸没浮子高度的变化量所引起的浮力变化量，而而 ，则得表达式为，则得表达式为FgA HgAHHFgA H恒浮力法液位测量恒浮力法液位测量n 式中，式中，A为浮子的截面积。可见增加浮子的截面积能显著为浮子的截面积。可见增加浮子的截面积能显著地增大定位能力，这是减小摩擦阻力误差的最有效的途径，地增大定位能力，这是减小摩擦阻力误差的最有效的途径，尤其在被测介质密度较小时，此点更为重要。另外还可以尤其在被测介质密度较小时，此点更为重要。另外还可以采用

8、其他的转换方法，减小上述因素引起的误差。采用其他的转换方法，减小上述因素引起的误差。变浮力法液位测量变浮力法液位测量 n 浮筒液位计是变浮力式液位计的典浮筒液位计是变浮力式液位计的典型仪表，它可克服浮球液位计需要型仪表，它可克服浮球液位计需要转轴、密封结构的缺点。其基本原转轴、密封结构的缺点。其基本原理如图理如图2-3-2所示，当物体被液体所示，当物体被液体浸没的体积不同时，则物体所受的浸没的体积不同时，则物体所受的浮力也不同，因此通过检测物体所浮力也不同，因此通过检测物体所受浮力的变化，便可以知道液位的受浮力的变化，便可以知道液位的变化。横截面积相同，重力为的圆变化。横截面积相同，重力为的圆

9、筒形金属浮筒把弹簧压缩，浮筒的筒形金属浮筒把弹簧压缩，浮筒的重量被弹簧力所平衡，当浮筒的一重量被弹簧力所平衡，当浮筒的一部分被液体浸没时，由于受到液体部分被液体浸没时，由于受到液体的浮力的浮力F作用而使浮筒向上移动，作用而使浮筒向上移动，当与弹簧力达到平衡时，浮筒才停当与弹簧力达到平衡时，浮筒才停止移动。止移动。 图图2-3-2 变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量 n 此时满足如下关系此时满足如下关系n n 式中式中 C 弹簧刚度；弹簧刚度；n X 弹簧压缩位移；弹簧压缩位移；n A 浮筒的截面积；浮筒的截面积；n H 浮筒被液体浸没的高度；浮筒被液体浸没的高度；

10、n 被测液体密度；被测液体密度；n g 重力加速度。重力加速度。cxWAHg变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量 n 当液位变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，浮筒的位当液位变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，浮筒的位置也要发生变化。例如液位升高，则浮筒要向上移动，此置也要发生变化。例如液位升高，则浮筒要向上移动，此时平衡关系为：时平衡关系为：n n 将上述两式相减便得到将上述两式相减便得到n ()()c xxWA HHxg()c xA gHx A gxHK HcA g 变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量n 浮筒产生的位移与液位变化浮筒

11、产生的位移与液位变化h成比例。如果在浮筒的连杆成比例。如果在浮筒的连杆上安装一个铁心，通过差动变压器便可输出相应的电信号，上安装一个铁心，通过差动变压器便可输出相应的电信号，显示液位的数值。除此之外，还可以将浮筒所受的浮力通显示液位的数值。除此之外，还可以将浮筒所受的浮力通过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移变成扭力管的角位过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移变成扭力管的角位移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整的液位计。浮筒式液位计不仅能检测液位，而且还能检测的液位计。浮筒式液位计不仅能检测液位，而且还能检测界面。界面。 恒浮力式恒浮

12、力式 n （一）浮球式液位计（一）浮球式液位计n 浮球液位计是以带有磁性的浮球浮球液位计是以带有磁性的浮球为测量元件，浮球液位计由浮球、为测量元件，浮球液位计由浮球、插杆等组成。浮球液位计通过连插杆等组成。浮球液位计通过连接法兰安装于容器顶上，浮球根接法兰安装于容器顶上，浮球根据排开液体体积相等原理浮于液据排开液体体积相等原理浮于液面，当容器的液位变化时浮球也面，当容器的液位变化时浮球也随着上下移动。随着上下移动。图图2-3-3 浮球液位计浮球液位计浮球式液位计浮球式液位计n 通过磁耦合作用，使传感器内电阻成线性变化，由智能转通过磁耦合作用，使传感器内电阻成线性变化，由智能转换器将电阻变化转换

13、成换器将电阻变化转换成420 mA标准电流信号，可以叠标准电流信号，可以叠加加HART信号输出或就地液晶显示，可现场显示液位的百信号输出或就地液晶显示，可现场显示液位的百分比、分比、420 mA电流及液位值，远传供给控制室可实现电流及液位值，远传供给控制室可实现液位的自动检测、控制和记录。该仪表适用于石油、化工、液位的自动检测、控制和记录。该仪表适用于石油、化工、电力、轻工及医药等行业污水处理及各类常压和承压容器电力、轻工及医药等行业污水处理及各类常压和承压容器内介质液位的测量，尤其对于地下贮槽、贮罐的液位测量内介质液位的测量，尤其对于地下贮槽、贮罐的液位测量最为理想。如图最为理想。如图2-3

14、-3所示为工业现场所用的浮球式液位所示为工业现场所用的浮球式液位计。计。n 浮球式液位计常用于温度、黏度较高而压力不太高的密闭浮球式液位计常用于温度、黏度较高而压力不太高的密闭容器的液位测量。它可以直接将浮球安装在容器内部；对容器的液位测量。它可以直接将浮球安装在容器内部；对于直径较小的容器，也可以在容器外侧另做一个浮球室与于直径较小的容器，也可以在容器外侧另做一个浮球室与容器相通。容器相通。磁翻板液位计磁翻板液位计 n 磁翻板液位计根据浮力原理和磁耦合作用研制而成。当被磁翻板液位计根据浮力原理和磁耦合作用研制而成。当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随测容器中的液位升降时，液

15、位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转器，驱动红、白翻柱翻转180，当液位上升时翻柱由白，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。磁翻板液位计可替代玻璃或玻璃管液位液位清晰的指示。磁翻板液位计可替代玻璃或玻璃管液位计，用来测量有压容器或敞口容器内的液位，不仅可以就计，用来测量有压容器或敞口容器

16、内的液位，不仅可以就地指示，亦可以附加液位越限报警及信号远传功能，实现地指示，亦可以附加液位越限报警及信号远传功能，实现远距离的液位报警和监控。如图远距离的液位报警和监控。如图2-3-5所示为工业现场所所示为工业现场所用的磁翻板液位计。用的磁翻板液位计。磁翻板液位计磁翻板液位计图图2-3-5 磁翻板液位计磁翻板液位计图图2-3-4 磁翻板液位计原理磁翻板液位计原理图图图图2-3-6 干簧管干簧管磁翻板液位计磁翻板液位计 n 远传功能由传感和转换两部分组成。传感部分是一组与介远传功能由传感和转换两部分组成。传感部分是一组与介质隔离的电阻和干簧管（图质隔离的电阻和干簧管（图2-3-6）组成，利用浮

17、子的磁）组成，利用浮子的磁性耦合，随液位的变化使干簧管通断，改变传感部分的电性耦合，随液位的变化使干簧管通断，改变传感部分的电阻（图阻（图2-3-4），经转换部分变为），经转换部分变为420 mA的标准电流信的标准电流信号进行远传。号进行远传。浮子钢带式液位计浮子钢带式液位计 n 液位计大体上讲有机械式传感和液位计大体上讲有机械式传感和电子处理两部分，传感部分是通电子处理两部分，传感部分是通过浮子（浮子在测量的全过程都过浮子（浮子在测量的全过程都是浮在液面上），随着被测液面是浮在液面上），随着被测液面的升降而升降，使固定在浮子上的升降而升降，使固定在浮子上的闭环不锈钢带带动计量轮正反的闭环不锈

18、钢带带动计量轮正反方向旋转，因计量轮的正反转角方向旋转，因计量轮的正反转角度与浮子升降距离成正比，设计度与浮子升降距离成正比，设计量轮的转角为量轮的转角为L/W 图图2-3-7 钢带式液位计原理图钢带式液位计原理图浮子钢带式液位计浮子钢带式液位计n 其中：其中：L 浮子上升或下降的距离浮子上升或下降的距离 n W 计量轮角度所对应的弧长计量轮角度所对应的弧长 n 计量轮的转角通过磁偶合送给电子处理模块，把转角变换计量轮的转角通过磁偶合送给电子处理模块，把转角变换成相应的电压量。成相应的电压量。n 浮子钢带式液位计的原理如图浮子钢带式液位计的原理如图2-3-7所示。整个系统采用所示。整个系统采用

19、了力平衡原理，但对于浮子本身而言仍为恒浮力原理。浮了力平衡原理，但对于浮子本身而言仍为恒浮力原理。浮子吊在钢带的一端，钢带对浮子施以拉力，钢带可以自由子吊在钢带的一端，钢带对浮子施以拉力，钢带可以自由伸缩，当浮子在测量范围内变化时，钢带对浮子的位力基伸缩，当浮子在测量范围内变化时，钢带对浮子的位力基本不变。为了防止浮子受被测液体流动影响，可增加一个本不变。为了防止浮子受被测液体流动影响，可增加一个导向机构。导向机构由悬挂的两根钢管或钢丝所组成，靠导向机构。导向机构由悬挂的两根钢管或钢丝所组成，靠下端的重锤进行定位，浮子沿导向钢丝随液位变化上下移下端的重锤进行定位，浮子沿导向钢丝随液位变化上下移

20、动。如果罐内液体表面流速不大，可以省略导向系统。动。如果罐内液体表面流速不大，可以省略导向系统。浮子钢带式液位计浮子钢带式液位计n 浮子经过钢带和导轮将浮力的变化传到链轮上，链轮周边浮子经过钢带和导轮将浮力的变化传到链轮上，链轮周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为转动，的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为转动，由指示盘指示出液位。在链轮轴上再安装转角传感器或变由指示盘指示出液位。在链轮轴上再安装转角传感器或变送器，就可以实现液位信号和远传。当浮子浸没在液体中送器，就可以实现液位信号和远传。当浮子浸没在液体中某一个高度时，液体对浮子产生的浮力为某一个高度时，液体对浮子产生

21、的浮力为F，若浮子本身，若浮子本身的重力为的重力为W，恒力弹簧对浮子的力为，恒力弹簧对浮子的力为T，整个系统平衡时，整个系统平衡时应满足：应满足： n T=W-Fn 如果液位升高，则在瞬间会使浮力如果液位升高，则在瞬间会使浮力F增加，恒力弹簧会通增加，恒力弹簧会通过钢带将浮子向上拉升，钢带上的小孔和链轮上的钉状齿过钢带将浮子向上拉升，钢带上的小孔和链轮上的钉状齿啮合，从而钢带的线位移变为链轮的角位移。当位力恒定，啮合，从而钢带的线位移变为链轮的角位移。当位力恒定，链轮的周长、钉状齿间距及钢带的孔间距均制造得很精确链轮的周长、钉状齿间距及钢带的孔间距均制造得很精确时，可以得到较高的测量精度。但这

22、种传动方式密封比较时，可以得到较高的测量精度。但这种传动方式密封比较困难，不适用于有压容器，因此通常多用于常压储罐的液困难，不适用于有压容器，因此通常多用于常压储罐的液位测量。位测量。浮子钢带式液位计浮子钢带式液位计n 它的测量范围一般为它的测量范围一般为020m，测量精度可以达到，测量精度可以达到0.03%。若采用远传信号方式，不仅可以提供远传标准。若采用远传信号方式，不仅可以提供远传标准信号，还可以在现场提供液位的液晶数字显示。信号，还可以在现场提供液位的液晶数字显示。变浮力式液位计变浮力式液位计 n 浮筒式液位计就是应用变浮力原理测量液位的一种典型仪浮筒式液位计就是应用变浮力原理测量液位

23、的一种典型仪表。浮筒液位计是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计的表。浮筒液位计是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计的液位和界位测量仪表，浮筒式液位计由四个基本部分组成：液位和界位测量仪表，浮筒式液位计由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和指示器，浮筒、弹簧、磁钢室和指示器， 图图2-3-8 浮筒式液位计浮筒式液位计变浮力式液位计变浮力式液位计n 浸在液体中的浮筒受到向下的重力、向上的浮力和弹簧弹浸在液体中的浮筒受到向下的重力、向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时，到新的平衡。弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时，到新的平衡。弹簧的伸缩使与其刚性连接的磁钢产生位移。这样通过指示簧的

24、伸缩使与其刚性连接的磁钢产生位移。这样通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。在磁钢室内器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。在磁钢室内部，有一个高性能永久磁钢，这样就会在其周围产生磁场。部，有一个高性能永久磁钢，这样就会在其周围产生磁场。当液位固定到某一个高度时，浮筒处于动平衡状态时，磁当液位固定到某一个高度时，浮筒处于动平衡状态时，磁钢周围的磁场分布也趋于稳定。钢周围的磁场分布也趋于稳定。n 扭力管式浮筒液位计的测量部分如图扭力管式浮筒液位计的测量部分如图2-3-9所示，作为液所示，作为液位检测元件的浮筒位检测元件的浮筒1垂直地悬挂在杠杆垂直地悬挂在杠杆2的左端，杠杆的左端，杠杆

25、2右右端与扭力管端与扭力管3以及扭力管内的芯轴以及扭力管内的芯轴4垂直紧固连接，并由固垂直紧固连接，并由固定在外壳上的支点所支承。扭力管的另一端固定在外壳定在外壳上的支点所支承。扭力管的另一端固定在外壳5上，芯轴的另一端为自由端，用以输出角位移。上，芯轴的另一端为自由端，用以输出角位移。 扭力管式浮筒液位计扭力管式浮筒液位计图图2-3-9 扭力式浮筒式液位计扭力式浮筒式液位计图图2-3-10 扭力式浮筒式液位计实物图扭力式浮筒式液位计实物图扭力管式浮筒液位计扭力管式浮筒液位计n 当液位低于浮筒下端时，浮筒的全部质量作用在杠杆上，当液位低于浮筒下端时，浮筒的全部质量作用在杠杆上，此时作用力为此时

26、作用力为n (2-3-6）n 此时经杠杆作用在扭力管上的扭力矩最大，使扭力管产生此时经杠杆作用在扭力管上的扭力矩最大，使扭力管产生最大的扭角最大的扭角 （约为（约为7）。当液位浸没整个浮筒时，）。当液位浸没整个浮筒时，作用在扭力管上的扭力矩最小，使扭力管产生的扭角为作用在扭力管上的扭力矩最小，使扭力管产生的扭角为 （约为（约为2）。当液位为高度）。当液位为高度H时，浮筒的浸没深度为，时，浮筒的浸没深度为，作用在杠杆上的力为作用在杠杆上的力为n (2-3-7）n 式中式中 浮筒的截面积；浮筒的截面积；n 浮筒上移的距离；浮筒上移的距离；n 被测液体的密度。被测液体的密度。0FWmaxminHx(

27、)XFWA HxgAx扭力管式浮筒液位计扭力管式浮筒液位计n 由式（由式（2-3-6）可知，浮筒上移的距离与液位高度成正比，）可知，浮筒上移的距离与液位高度成正比，即即 ，所以上式可以写成为，所以上式可以写成为n (2-3-8）n 浮筒所受浮力的变化量为：浮筒所受浮力的变化量为：n 由上式可见液位由上式可见液位 与与 成正比关系。随液位升高浮力成正比关系。随液位升高浮力增加，作用于杠杆的力增加，作用于杠杆的力 减小，扭力管的扭角减小，扭力管的扭角 也减也减小。将扭角的角位移由芯轴小。将扭角的角位移由芯轴4输出，并通过机械传动放大输出，并通过机械传动放大机构带动指针就地指示液位的高度。也可以将此

28、角位移转机构带动指针就地指示液位的高度。也可以将此角位移转换为气动或电动的标准信号，以适用远传和控制的需要。换为气动或电动的标准信号，以适用远传和控制的需要。xKH(1)XFWAHKg0(1)XFFFAKgH HFHxF第三节 静压式液位测量 静压式液位测量静压式液位测量 n 静压式液位计的测量原理：容器中盛有液体或固体物料静压式液位计的测量原理：容器中盛有液体或固体物料时，物体对容器的底部或侧壁会产生一定的静压力。当时，物体对容器的底部或侧壁会产生一定的静压力。当液体的密度均匀，或固体颗粒及物料的密度与疏密程度液体的密度均匀，或固体颗粒及物料的密度与疏密程度均匀时，此静压力与物料的物位高度成

29、正比。测出这个均匀时，此静压力与物料的物位高度成正比。测出这个静压力的变化就可知道物位的变化。在测量液面上部空静压力的变化就可知道物位的变化。在测量液面上部空间气相压力有波动的密闭容器的液位时，则采用测量差间气相压力有波动的密闭容器的液位时，则采用测量差压的方法。压的方法。压力式液位计压力式液位计 n 压力式液位计是一种测量液压力式液位计是一种测量液位的压力传感器，包括静压位的压力传感器，包括静压液位计、液位变送器、液位液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器、压力传感器、水位传感器、压力变送器等，适用于石油化工、变送器等，适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、冶金、电力、制药、供排水、

30、环保等系统和行业的各种介环保等系统和行业的各种介质的液位测量。如图质的液位测量。如图2-3-11所示为压力变送器测量敞口所示为压力变送器测量敞口容器液位。容器液位。图图 2-3-11 压力变送器测量液位压力变送器测量液位1敞口容器 2变送器 3液位零面压力式液位计压力式液位计 n 测压仪表通过引压管与容器底部相连，当液体密度测压仪表通过引压管与容器底部相连，当液体密度 为常为常数，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。数，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。n PgHPHg压力式液位计压力式液位计n 由此可见，测量的高度与变送器安装的位置和介质密度有由此可见，测量的高度与变送器安装的位置和介

31、质密度有关。关。n 压力计式液位计的优点是简单，测量范围不受限制，信号压力计式液位计的优点是简单，测量范围不受限制，信号可以远传；缺点是精度受到压力表精度的限制，而且只适可以远传；缺点是精度受到压力表精度的限制，而且只适用于敞口容器的测量，当液体密度发生变化时，会引入一用于敞口容器的测量，当液体密度发生变化时，会引入一定的误差。定的误差。n 如果被测介质具有腐蚀性，应在仪表与被测液体之间加装如果被测介质具有腐蚀性，应在仪表与被测液体之间加装隔离罐。但是应注意隔离液与被测液体之间不能发生互溶隔离罐。但是应注意隔离液与被测液体之间不能发生互溶现象。当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置现象。

32、当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高度差引起的固定压力进行修正。时，应对其位置高度差引起的固定压力进行修正。差压式液位计差压式液位计 n 差压式液位计主要用于密闭有压容器的液位测量。由测量差压式液位计主要用于密闭有压容器的液位测量。由测量原理可知，凡是能够测量差压的仪表都可以用于密闭容器原理可知，凡是能够测量差压的仪表都可以用于密闭容器液位的测量。实际生产中，应用最多的是电容式差压变送液位的测量。实际生产中，应用最多的是电容式差压变送器。器。n （一）零点迁移问题（一）零点迁移问题n 采用差压式液位计测量液位时，由于安装位置不同，一般采用差压式液位计测量液位时，由于安装

33、位置不同，一般情况下均会存在零点迁移的问题。下面分无迁移、正迁移情况下均会存在零点迁移的问题。下面分无迁移、正迁移和负迁移和负迁移3种情况进行讨论。种情况进行讨论。零点迁移问题零点迁移问题 n 1.无迁移无迁移n 被测介质黏度较小，无腐蚀，无被测介质黏度较小，无腐蚀，无结晶，并且气相部分不冷凝，变结晶，并且气相部分不冷凝，变送器安装高度与容器下部取压位送器安装高度与容器下部取压位置在同一高度。置在同一高度。n 将差压变送器的正、负压室分别将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压与容器下部和上部的取压P+、P-相连接，如果被测液体的密度相连接，如果被测液体的密度为为 ，则作用于差压变送

34、器正、，则作用于差压变送器正、负压室的差压为负压室的差压为n 当液体由当液体由H=0变化到最高液位变化到最高液位H=Hmax时，时， 由零变化到最由零变化到最大差压大差压 ，变送器对应的输，变送器对应的输出为出为420 mA。pppgH pmaxp+-差压变送器H图图 2-3-12 无迁移无迁移正迁移正迁移n 实际测量中，变送器的安装位置往往不与容器下部的取压实际测量中，变送器的安装位置往往不与容器下部的取压位置同高，被测介质也是黏度较小、无腐蚀、无结晶，并位置同高，被测介质也是黏度较小、无腐蚀、无结晶，并且气相部分不冷凝，变送器安装高度与容器下部取压位置且气相部分不冷凝，变送器安装高度与容器

35、下部取压位置不在同一高度，下部取压位置低于最低液位的距离为，这不在同一高度，下部取压位置低于最低液位的距离为，这时液位高度时液位高度 压差压差 之间的关系式为之间的关系式为Hp+-差压变送器hH图图 2-3-13 正迁移正迁移pgHgh 正迁移正迁移n 当当H=0时，时，P=gh0，并且为常数项，作用于变送器，并且为常数项，作用于变送器使其输出大于使其输出大于4 mA；n 当当H=Hmax时，最大压差时，最大压差Pmax=gHmax+gh，使变，使变送器输出大于送器输出大于20 mA;这时可以通过调整变送器，使变送这时可以通过调整变送器，使变送器在器在H=0、P=gh时，其输出为时，其输出为4

36、mA。变送器的量程。变送器的量程仍然为仍然为gHmax，当，当H=Hmax、Pmax=gHmax+gh时，变送器的输出为时，变送器的输出为20mA，从而实现了变送器输出与液，从而实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系。位之间的正常对应关系。pgHgh 负迁移负迁移 n 有些介质对仪表会产生腐蚀作用，或者气相部分会产生冷有些介质对仪表会产生腐蚀作用，或者气相部分会产生冷凝使导管内的凝液随时间而变，这些情况下，往往采用在凝使导管内的凝液随时间而变，这些情况下，往往采用在正、负压室与取压点之间分别安装隔离罐或冷凝罐的方法。正、负压室与取压点之间分别安装隔离罐或冷凝罐的方法。因此，负压侧引压导管也有

37、一个附加的静压作用于变送器，因此，负压侧引压导管也有一个附加的静压作用于变送器，使得被测液位使得被测液位H=0时，压差不等于零。变送器安装高度与时，压差不等于零。变送器安装高度与容器下部取压位置处在同一高度，但由于气相介质容易冷容器下部取压位置处在同一高度，但由于气相介质容易冷凝，而且冷凝液高度随时间而变，则可以事先将负压导管凝，而且冷凝液高度随时间而变，则可以事先将负压导管充满被测液体，则此时液位充满被测液体，则此时液位H与压差与压差P之间的关系式为之间的关系式为1pgHgh 1+-差压变送器隔离罐Hh图图 2-3-14 负迁移负迁移负迁移负迁移n 由上式可知，当由上式可知，当H=0时，时，

38、P=-1gh2，则当液位升高时，电容式液位计两电极间总的介，则当液位升高时，电容式液位计两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，值减小，电容量也减小。值减小，电容量也减小。n 电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有且，只有1和和2的恒定才能保证液位测量准确，因被测介的恒定才能保证液位测量准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。n 电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐电容液位计体积小

39、，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。蚀性和高压的介质的液位测量。电容式液位计电容式液位计n 电容式物位传感器是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容式物位传感器是根据圆筒形电容器原理进行工作的，结构。它由两个长度为结构。它由两个长度为L，半径分别为，半径分别为R和和r的圆筒形金属的圆筒形金属导体组成内、外电极，中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容导体组成内、外电极，中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。电容的表达式为：器。电容的表达式为：n n 式中式中 内、外电极之间的介电常数。内、外电极之间的介电常数。n 改变改变R、r、L其中任意一个参数时，均会引起电容其中任意一个参数时，

40、均会引起电容C变化。变化。实际物位测量中，实际物位测量中，R和和r固定，采用改变固定，采用改变L的方式进行测量。的方式进行测量。电容式物位传感器实际上是一种可变电容器，随着物位的电容式物位传感器实际上是一种可变电容器，随着物位的变化，必然引起电容量的变化，且与被测物位高度成正比，变化，必然引起电容量的变化，且与被测物位高度成正比，从而可以测得物位。从而可以测得物位。 2lnLCRr非导电介质的液位测量非导电介质的液位测量 n 当测量石油类制品、某些有机液体当测量石油类制品、某些有机液体等非导电介质时，电容传感器可以等非导电介质时，电容传感器可以采用如图采用如图2-3-17所示方法。它用一所示方

41、法。它用一个光电极个光电极1作为内电极，用与它绝缘作为内电极，用与它绝缘的同轴金属圆筒的同轴金属圆筒2作为外电极点，外作为外电极点，外电极上开有孔和槽，以便被测液体电极上开有孔和槽，以便被测液体自由流进或流出。内、外电极之间自由流进或流出。内、外电极之间采用绝缘材料采用绝缘材料3进行绝缘固定。进行绝缘固定。图图 2-3-17 非导电液位测量非导电液位测量非导电介质的液位测量非导电介质的液位测量n 当被测液体当被测液体H=0时，电容器内、外电极之间气体介电常数时，电容器内、外电极之间气体介电常数为为0，电容器的电容量为，电容器的电容量为 n 当液位为基本高度当液位为基本高度H时，电容器可以视为两

42、部分电容的并时，电容器可以视为两部分电容的并联组合，即联组合，即n 式中式中 H 电极被液体浸没昀高度；电极被液体浸没昀高度；n x 被测液体的介电常数；被测液体的介电常数；n 0 气体的介电常数。气体的介电常数。2lnLCRr022()lnlnxxHLHCRRrr非导电介质的液位测量非导电介质的液位测量n 当液位变化时，引起电容的变化量为当液位变化时，引起电容的变化量为C=Cx-C0，n 由此可见，由此可见，C与被测液位与被测液位H成正比，因此测得电容的变化成正比，因此测得电容的变化量便可以得到被测液位的高度。为了提高灵敏度，希望量便可以得到被测液位的高度。为了提高灵敏度，希望H前的系数尽可

43、能大，但介电常数取决于被测介质，则在电前的系数尽可能大，但介电常数取决于被测介质，则在电极结构上，应使极结构上，应使R接近于接近于r以减小分母，所以一般不采用容以减小分母，所以一般不采用容器壁做外电极，而是采用直径较小的竖管做外电极。这种器壁做外电极，而是采用直径较小的竖管做外电极。这种方法只适用于流动性较好的介质。方法只适用于流动性较好的介质。C02 ()lnxHRr 导电介质的液位测量导电介质的液位测量 n 如果被测介质为导电液位，内电极要采用绝缘材料覆盖，如果被测介质为导电液位，内电极要采用绝缘材料覆盖，即加一个绝缘套管（一般采用聚四氟乙烯护套），可以采即加一个绝缘套管（一般采用聚四氟乙

44、烯护套），可以采用金属容器壁与导电液体一起做外电极，如图用金属容器壁与导电液体一起做外电极，如图2-3-18所示。所示。当容器为非导电体时，必须引入一个辅助电极（金属棒），当容器为非导电体时，必须引入一个辅助电极（金属棒），其下端浸至被测容器底部，上端与电极安装法兰有可靠的其下端浸至被测容器底部，上端与电极安装法兰有可靠的导电连接，以使两电极中有一个与大地仪表地线相连，保导电连接，以使两电极中有一个与大地仪表地线相连，保证仪表的正常测量。证仪表的正常测量。图图 2-3-18 导电液位测量导电液位测量图图 2-3-19 非导电料位测量非导电料位测量导电介质的液位测量导电介质的液位测量n 若绝缘材

45、料的介电常数为若绝缘材料的介电常数为，电极被导电液体浸没的高度，电极被导电液体浸没的高度为为H，则该电容器的电容变化量可以表示为：，则该电容器的电容变化量可以表示为：n n 式中式中 R 绝缘套管的外半径；绝缘套管的外半径；n r 内电极的外半径。内电极的外半径。n 上式可见，由于上式可见，由于、R和和r均为常数，测得均为常数，测得C即可获得被即可获得被测液位测液位H。但此种方法不能适用于黏滞性介质，因为当液。但此种方法不能适用于黏滞性介质，因为当液位变化时，黏滞性介质会黏附在内电极绝缘套管表面上，位变化时，黏滞性介质会黏附在内电极绝缘套管表面上，形成虚假的液位信号。形成虚假的液位信号。C2l

46、nHRr 固体料位的测量固体料位的测量n 由于固体物料的流动性较差，故不宜采用双筒电极。由于固体物料的流动性较差，故不宜采用双筒电极。n 对于非导电固体物料的料位测量，通常采用一根不锈钢金对于非导电固体物料的料位测量，通常采用一根不锈钢金属棒与金属容器壁构成电容器的两个电极，如图属棒与金属容器壁构成电容器的两个电极，如图2-3-18所所示，金属棒示，金属棒l作为内电极，容器壁作为外电极。将金属电作为内电极，容器壁作为外电极。将金属电极棒插入容器内的被测物料中，电容变化量极棒插入容器内的被测物料中，电容变化量C与被测料位与被测料位H的关系仍可用非导电液位的式（的关系仍可用非导电液位的式（2-3-

47、17）来表述，只是）来表述，只是式中的式中的x代表固体物料的介电常数，代表固体物料的介电常数，r代表容器壁的内径，代表容器壁的内径，其他参数相同。其他参数相同。n 如果测量导电的固体料位，则需要对图如果测量导电的固体料位，则需要对图2-3-19中的金属棒中的金属棒内电极加上绝缘套管，测量原理同导电液位测量，也可用内电极加上绝缘套管，测量原理同导电液位测量，也可用式（式（2-3-18）表述。）表述。n 同理，还可以用电容物位计测量导电和非导电液体之间及同理，还可以用电容物位计测量导电和非导电液体之间及两种介电常数不同的非导电液体时间的分界线。两种介电常数不同的非导电液体时间的分界线。第五节 雷达

48、液位计 雷达液位计测量原理雷达液位计测量原理基本原理基本原理n 雷达液位计采用发射雷达液位计采用发射-反射反射-接收的工作模式接收的工作模式n 雷达传感器采用高频振荡器作为微波发生器，发生器产生雷达传感器采用高频振荡器作为微波发生器，发生器产生的电磁波用波导管将它引到辐射天线，以波束的形式发射的电磁波用波导管将它引到辐射天线，以波束的形式发射电磁波信号。当发射波遇到障碍物，例如液体液面时，部电磁波信号。当发射波遇到障碍物，例如液体液面时，部分被吸收，部分被反射回来，反射回来的回波信号仍由天分被吸收，部分被反射回来，反射回来的回波信号仍由天线接收，通过测量发射波与液位反射波之间某种参数关系线接收

49、，通过测量发射波与液位反射波之间某种参数关系来实现液位测量。来实现液位测量。基本原理基本原理n 距离物料表面的距离距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程与脉冲的时间行程T成正比：成正比： n 其中其中C为光速为光速 n 因空罐的距离因空罐的距离E已知，则物位已知，则物位L为：为：n L=E-D n 在发射的时间间隔里，天线系统作为接收装置使用。仪表在发射的时间间隔里，天线系统作为接收装置使用。仪表分析、处理运行时间小于十亿分之一秒的回波信号，并在分析、处理运行时间小于十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波。雷达传感器利用特殊的时间极短的一瞬间分析处理回波。雷达传感器利用特殊的时间间

50、隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进间隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进行分析处理。行分析处理。2TDC图图 2-3-21 雷达液位计雷达液位计非接触式雷达液位计非接触式雷达液位计 n 常用喇叭或杆式天线来发射与接收微波，可以用来测量各常用喇叭或杆式天线来发射与接收微波，可以用来测量各种液体介质，不会受到液体介质本身的密度、浓度、温度种液体介质，不会受到液体介质本身的密度、浓度、温度等物理因素的影响，能够用于一些非挥发性腐蚀性介质的等物理因素的影响，能够用于一些非挥发性腐蚀性介质的测量。同时，雷达液位计对周围工作环境的温度、压力的测量。同时，雷达液位计对周围工作环境的

51、温度、压力的适应性好，可以用于高温、高压等恶劣环境测量。可替代适应性好，可以用于高温、高压等恶劣环境测量。可替代劳动强度大的人工投尺或带重锤的卷尺、维修率高的接触劳动强度大的人工投尺或带重锤的卷尺、维修率高的接触式仪表、电容等，如图式仪表、电容等，如图2-3-21所示为西门子雷达液位计。所示为西门子雷达液位计。非接触式雷达液位计非接触式雷达液位计n 雷达液位计的局限性：雷达液位计的局限性：n （1）影响雷达的性能是介电常数，理论上在真空中雷达）影响雷达的性能是介电常数，理论上在真空中雷达衰减极小，当空气中存在对雷达衰减物质，例如：含高介衰减极小，当空气中存在对雷达衰减物质，例如：含高介电性的粉

52、尘粉末（石墨，铁合金等），水蒸气很大，测量电性的粉尘粉末（石墨，铁合金等），水蒸气很大，测量距离和效果要受影响。距离和效果要受影响。n （2）被测介质的挥发气体会在天线上聚集，水蒸汽会在）被测介质的挥发气体会在天线上聚集，水蒸汽会在天线上聚结，此时，会影响雷达波发射，严重时雷达波不天线上聚结，此时，会影响雷达波发射，严重时雷达波不能发出。能发出。n （3）被测介质的介电常数不能太小。图）被测介质的介电常数不能太小。图 2-3-22 导波雷导波雷达液位计达液位计n （4）尽管温度和压力对雷达影响极小，但雷达天线是由）尽管温度和压力对雷达影响极小，但雷达天线是由不同材料做成，雷达适应温度和压力的使

53、用范围与所用的不同材料做成，雷达适应温度和压力的使用范围与所用的材料和密封结构有关。材料和密封结构有关。接触式雷达液位计接触式雷达液位计n 导波雷达液位计的工作原理和雷达液位导波雷达液位计的工作原理和雷达液位计相同，只是电磁脉冲以光速沿钢缆或计相同，只是电磁脉冲以光速沿钢缆或导波杆传播，当遇到被测介质表面时，导波杆传播，当遇到被测介质表面时，液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高的传播时间成正比，

54、经计算得出液位高度，如图度，如图2-3-22所示为西门子导波雷达所示为西门子导波雷达液位计。液位计。图图 2-3-22 导波雷达液位计导波雷达液位计接触式雷达液位计接触式雷达液位计n 若容器中存在两种不同介质，当上面一层的介质介电常数若容器中存在两种不同介质，当上面一层的介质介电常数较小，而下面的介质介电常数较大时，高频微脉冲沿着探较小，而下面的介质介电常数较大时，高频微脉冲沿着探测组件传播遇到上层介质时，由于其介电常数较小，因而测组件传播遇到上层介质时，由于其介电常数较小，因而有极少的能量被这一层介面反射，而大部分能量穿透上层有极少的能量被这一层介面反射，而大部分能量穿透上层介质继续向下传播

55、，遇到两层的介面时，由于下层介质的介质继续向下传播，遇到两层的介面时，由于下层介质的介电常数较大，因而会有较大的能量被反射回来。因而导介电常数较大，因而会有较大的能量被反射回来。因而导波雷达是可以测量两种不同介质的介面，其测量条件是上波雷达是可以测量两种不同介质的介面，其测量条件是上层介电常数比下层介质介电常数小层介电常数比下层介质介电常数小10以上。对于介电常数以上。对于介电常数比较小的液体物料可以采用双探杆式测量方式，以保障良比较小的液体物料可以采用双探杆式测量方式，以保障良好的准确测量。好的准确测量。n 若容器中存在雾气或泡沫，由于电磁波不通过空间传播，若容器中存在雾气或泡沫，由于电磁波

56、不通过空间传播，因而雾气不会引起信号的衰减，泡沫也不会对信号进行散因而雾气不会引起信号的衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量，雾气或泡沫对测量无影响。射而损失能量，雾气或泡沫对测量无影响。接触式雷达液位计接触式雷达液位计n 测量粘稠介质时，介质在波导体上的沉积和涂污对液位测测量粘稠介质时，介质在波导体上的沉积和涂污对液位测量的影响极小。介质在探头上的涂污对测量液位的影响可量的影响极小。介质在探头上的涂污对测量液位的影响可分为两种：膜状涂污和桥接。膜状涂污是在液位降低时，分为两种：膜状涂污和桥接。膜状涂污是在液位降低时，高粘液体或轻油浆在探头上形成的一种覆盖层，由于这种高粘液体或轻油浆在探头

57、上形成的一种覆盖层，由于这种涂污在探头上涂层均匀，因此对测量基本无影响；但桥接涂污在探头上涂层均匀，因此对测量基本无影响；但桥接性涂污的形成却能导致明显的测量误差，当块状或条状介性涂污的形成却能导致明显的测量误差，当块状或条状介质污垢粘结于波导杆上或桥接于两个波导杆之间时，就会质污垢粘结于波导杆上或桥接于两个波导杆之间时，就会在该点测得虚假液位。在该点测得虚假液位。第六节 超声波物位计 基本原理基本原理 n 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以

58、波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于波和超声波，高于20KHz的声波称为超声波。声波可以在的声波称为超声波。声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。声波气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强则衰减在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强则衰减最大，液体次之，固体吸收最少则衰减最小。最大，液体次之，固体吸收最少则衰减最小。 图图 2-3-23 超声波液位计超声波液位计基本原理基本原理n 当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密

59、度不同、当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质分界面上，传播方向便发生改变。即一部声速不同的介质分界面上，传播方向便发生改变。即一部分被反射（反射角分被反射（反射角=入射角），一部分折射到相邻介质内。入射角），一部分折射到相邻介质内。如果两种介质的密度相差悬殊，则声波几乎全部被反射。如果两种介质的密度相差悬殊，则声波几乎全部被反射。因此，根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物因此，根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，即可测得物位高度。位高度之间的关系，即可测得物位高度。测量原理测量原理 n 设超声探头至物位的垂直距离为，设超声探头至物

60、位的垂直距离为，由发射到接收所经历的时间为，超由发射到接收所经历的时间为，超声波在介质中传播的速度为，则存声波在介质中传播的速度为，则存在如下关系：在如下关系：n n 对于一定的介质是已知的，因此，对于一定的介质是已知的，因此，只要测得时间即可确定距离，用探只要测得时间即可确定距离，用探头高度减去即得知被测物位高度。头高度减去即得知被测物位高度。图图2-3-24 测量原理测量原理12Hvt测量方法测量方法 n 实际应用中可以采用多种方法，根据传声介质的不同，有实际应用中可以采用多种方法，根据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式；根据探头的工作方式，又有自气介式、液介式和固介式；根据探头的工