第7章物位检测技术

（b）图为法兰式压力变送器，变送器通过法兰装 在容器底部的法兰上，作为敏感元件的金属膜盒经导 压管与变送器的测量室相连，导压管内封入沸点高、 膨胀系数小的硅油，使被测介质与测量系统隔离。它 可以将液位信号变成电信号或气动信号，用于液位显 示或控制调节。由于是法兰式连接，且介质不必流经 导压管，因此可用来检测有腐蚀性、易结晶、粘度大 或有色介质。
(a) 压力表式液位计
1-旋塞阀 2-引压管
(b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计
3-压力表 4-法兰 5-压力变送器
（a）图为压力表式液位计，它是利用引压管将压 力变化值引入高灵敏度压力表进行测量的。图中压力 表高度与容器底等高，这样压力表读数即直接反映液 位高度。如果两者不等高，当容器中液位为零时，压 力表中读数不为零，而是反映容器底部与压力表之间 的液体的压力差值，该值称为零点迁移量，测量时应 予以注意。这种方法的使用范围较广，但要求介质洁 净，粘度不能太高，以免阻塞引压管。
2.电感式液位计
电感式液位计利用电磁感应现象，液位 变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变 化。电感式液位计既可进行连续测量，也可 进行液位定点控制。
图7-7为电感式液位控制 器的原理图。传感器由不导磁 管子、导磁性浮子及线圈组成。 管子与被测容器相连通，管子 内的导磁性浮子浮在液面上， 当液面高度变化时，浮子随着 移动。线圈固定在液位上下限 控制点，当浮子随液面移动到 控制位置时，引起线圈感应电 势变化，以此信号控制继电器 动作，可实现上、下液位的报 警与控制。图中： 1、3-上下限线圈； 2-浮子
P 1 g H h1 P 1 P2 2 gh2 P 则 P P P2 1 gH 1 gh1 2 gh2 1 gH P1、P2——引入变送器正压室和负压室的压力(Pa)；Z 0 1
为防止由于内外温差使气压引压管中的气体凝结成液体， 2 一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为 ，被测 1 2 1 液体密度为 ，一般都使 ，由图7-3得压力平衡方程：


液位为零时的电容
C0
因此液位为H时的电容变化量
2 0 L D ln 0 d
若 D0 d ，且 0 ，则上式中第二项可忽略，这个条件一般 很容易满足，因此有 2
Cx ln D
2 2 0 C x C C0 D ln D d ln 0 d
（c）图为吹气式液位计，压缩空气通过气泡管通入 容器底部，调节旋塞阀使少量气泡从液体中逸出（大约每 分钟150个左右），由于气泡微量，可认为容器中液体静 压与气泡管内压力近似相等。当液位高度变化时，由于液 体静压变化会使逸出气泡量变化。调节阀门使气泡量恢复 原状，即调节液体静压与气泡管压力平衡，从压力表的读 数即可反映液位高低。这种液位计结构简单，使用方便， 可用于测量有悬浮物及高粘度液体。如果容器封闭，则要 求容器上部有通气孔。其缺点是需要气源，而且只适用于 静压不高、精度要求不高的场合。
式中 H、h——电阻棒全长及液位高度(m)； ——电阻棒的电阻率( m )； A——电阻棒截面积(m2)。 该传感器的材料、结构与尺寸确定后， K1、 K2均为常数，电阻大小R与液位高度h成正比。 电阻的测量可用图中的电桥电路完成。
这种液位计的特点是结构和线路简单，测 量准确，通过在与测量臂相邻的桥臂中接温度 补偿电阻可以消除温度变化对测量的影响。 缺点是：极棒表面生锈、极化以及介质腐蚀性 对电阻棒电阻大小的影响等都会影响测量精度。

H
因此可认为电容变化量与液位高度成正比。 2 若令 S
7.1.4 电学法
电学法按工作原理不同又可分为电阻式、 电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可 动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工 作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电 动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液位 的自动检测和自动控制。
1. 电阻式液位计
电阻式液位计既可进行定点液位控制，也 可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升 或下降到一定位置时引起电路的接通或断开， 引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于 液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反 映液位情况。
右图7-6为 用于连续测 量的电阻式 液位计原理 图。图中： 1-电阻棒； 2-绝缘套； 3-测量电桥
该液位计的两根电极是由两根材料、截面 积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒 两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为
2 2 2 H h H h K 1 K 2 h R A A A
容器内没有液体时，内电极与容器壁组成电容器，绝缘套 和空气作介电层；液面高度为H时，有液体部分由内电极与导 电液体构成电容器，绝缘套作介电层。此时整个电容相当于有 液体部分和无液体部分两个电容的并联。 2H 有液体部分的电容 C1 ln D d 无液体部分的电容 2 0 ( L H ) C2 D ln 0 d 总电容 2 0 ( L H ) 2H C C1 C2 D ln D ln 0 d d 式中， 0、为空气与绝缘套组成的介电层的介电常数以及绝缘 套的介电常数（F/m）；d,D,D0为内电极，绝缘套的外径和容 器的内径（m）；L为电极与容器的覆盖长度（m）。
d
(2)安装形式 在具体测量时。电容 式液位计的安装形式因被 测介质性质不同而稍有差 别。 右图7-9为用来测量 导电介质的单电极电容液 位计，它只用一根电极作 为电容器的内电极，一般 用紫铜或不锈钢，外套聚 四氟乙烯塑料管或涂搪瓷 作为绝缘层，而导电液体 和容器壁构成电容器的外 1-内电极；2-绝缘套 电极。
1. 钢带浮子式液位计
右图7-4为直读式 钢带浮子式液位计， 这是一种最简单的液 位计，一般只能就地 显示。
2. 浮筒式液位计
浮筒式液位计属于 变浮力液位计，当被测 液面位置变化时，浮筒 浸没体积变化，所受浮 力也变化，通过测量浮 力变化确定出液位的变 化量。图7-5为浮筒式 液位计原理图。 图中：1-浮筒；2-弹簧； 3-差动变压器 。
观察管 标尺 观察管 旋塞阀 标尺
开口容器液位测量
密闭容器液位测量
实际应用中，观察管并不一定全是玻璃管， 也可以外包（露出标尺、刻度）金属或其他材料 制成的保护管。这种测量方法最大的优点是简单、 经济、无需外界能源，防爆安全，因此在电厂及 化工领域的连续生产过程中仍有着广泛的应用。 其缺点是不易实现信号的远传控制，而且由于受 玻璃管强度的限制，被测容器内的温度、压力不 能太高。此外，为防止粘稠介质和深色介质沾染 玻璃，影响读数，一般避免用它检测此类介质。
对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液 位计外，还可用差压法进行测量，该法在测量过程中需 消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图7-3 为差压式液位计测量原理示意图。 差压式液位计采 用差压式变送器，将 容器底部反映液位高 度H的压力引入变送 器的正压室，容器上 部的气体压力引入变 送器的负压室。引压 形式可根据液体性质 选择，如粘度大、易 沉淀或易结晶的液体 可采用法兰式安装。
电感式液位计由于浮子与介质接触，不 宜于测量易结垢、腐蚀性强的液体及高粘度 浆液。
3. 电容式液位计
电容式液位计利用液位高低变化影响电容器 电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行 其它形式的物位测量。电容式液位计的结构形式 很多，有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用 范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它 方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测 量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器 的液位。不仅可作液位控制器。还能用于连续测 量。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测 量中的重要地位。 下面将重点介绍其检测原理、测量线路及传 感器安装方式。
H——液位高度(m)； h1、h2——容器底面和工作液面距变送器的高度(m)。 这里Zo＝ 即称为零点迁移量，它与差压 2 gh2 1 gh1 计安装情况有关。一般的差压计都有零点迁移量调节机构， 通过调节可使Zo＝0，这时差压计的读数直接反映液面高度 H。
7.1.3 浮力法
浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助 浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它 在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化 时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮 子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按 浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等； 按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。
(1)检测原理 在液位的连续测量中，多用 同心圆柱式电容器，如右图7-8 所示。同心圆柱式电容器的电容 2L 量： C
ln D
式中： D、d——外电极内径和内电极外径 (m)； ——极板间介质介电常数(F/m)； L——极板相互重叠的长度(m)。 液位变化引起等效介电常数 变化，从而使电容器的电容量变 化，这就是电容式液位计的检测 原理。 图中：1-内电极；2-外电极 。
物位检测包括液位、料位和相界面位置的 检测。
7.1 液位检测方法 7.2 料位检测方法 7.3 相界面的检测
物位检测一般是以容器口为起点，测量物料 相对起点的位置。液位指液体表面位置，液面一 般是水平的，但有些情况下可能有沸腾或起泡。 料位指容器中固体粉料或颗粒的堆积高度的表面 位置，一般固体物料在自然堆积时料面是不平的。 相界面指同一容器中互不相溶的两种物质在静止 或扰动不大时的分界面，包括液－液相界面、液 －固相界面等，相界面检测的难点在于界面分界 不明显或存在混浊段。
第7章 物位检测技术
在许多生产过程中，需要对诸如锅炉内的 水位，油罐、水塔、各种储液罐的液位或粮仓、 煤粉仓、水泥库、化学原料库中的料位以及在 高温条件下对连铸生产中的铝水、钢水、铁水 包内的金属液位，高炉或竖炉的料位等进行可 靠的检测和控制，以保证生产正常连续运行， 确保产品质量，实现安全、高效生产。
图7-5所示的液位计是用弹簧平衡浮力，用 差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的 弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即
kx gAH G
式中 k——弹簧刚度(N／m)； x——弹簧压缩量(m)； ——液体密度(kg／m3)； H——浮筒浸入深度(m)； A——浮筒截面积(m2)。 液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧 变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也 可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行 远传控制。
7.1.2 压力法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力法依据液体重量所产生的压力进行 测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液 位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力 即可测算出液位高度。
对常压开口容器，液位高度H与液体 静压力P之间有如下关系：
H
式中， ——被测液体的密度( kg / m 3 )。
P g
（7-1）
图7-2为用于测量开口容器液位高度的三 种压力式液位计。
在物位检测中，由于被测对象不同，介质状 态、特性不同以及检测环境条件不同，决定了物
位检测方法的多种多样，需要根据具体情况和要
求进行选择或设计。教材P213-215表7-1是目 前已获得成功应用的各种液位、料位检测方法及 相应仪器的主要性能特点汇总表。 三种形式的物位检测中，液位检测需求最多，
技术相对简单些，因此作为重点进行介绍。
7.1 液位检测方法
液位检测总体上可分为直接检测和间接检 测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样， 因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为 其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、 电学法、热学法等。
7.1.1 直接测量法
直接测量是一种最为简单、直观的测量方 法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引 入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。 下图所示的是玻璃管液位计。