化工测量及仪表资料

必须指出，只有测压仪表的测压基准点与最低液位一致时，液位和压力 的函数关系才能成立。如果测压仪表的测压基准点与最低液位不一致，必 须要考虑附加液柱的影响，要对其进行修正。 这种方式适用于粘度较小、洁净液体的液位测量。当测量粘稠、易结晶 或含有颗粒液体的液位时，由于引压导管易堵塞，不能从导管引出液位信 号，可以采用如图(b)所示的法兰式压力变送器测量液位的方式。
4.2.2 压力式液位计

用吹气法测量
对于测量有腐蚀性、高粘度或含 有悬浮颗粒液体的液位，也可以采用 吹气法进行测量，如图 4-2-3 所示。 在敞口容器中插入一根导管，压缩空 气经过滤器、减压阀、节流元件、转 子流量计，最后由导管下端敞口处逸 出。
1— 过滤器；2— 减压阀；3— 节流元件； 4— 转子流量计；5— 测压仪表
压缩空气p1 的压力根据被测液位的范围，由减压阀 2 控制在某一数值 上；p2 的压力是通过调整节流元件 3 保证液位上升至最高点时，仍有微量 气泡从导管下端敞口处逸出。 当液位上升或下降时，液封压力会升高或降低，致使从导管下端逸出 的气量也要随之减少或增加。导管内的压力几乎与液封静压相等，因此， 由压力仪表5所显示的压力值即可反映出液位的高度H。
4.2.3 差压式液位计

零点迁移问题
（3）负迁移 有些介质对仪表会产生腐蚀作用。这些情 况下，往往采用在正、负压室与取压点之间分 别安装隔离罐的方法。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H=0时，压差不等于零。如图所示，负压导 管充满高度为h 的被测液体，则此时液位高度H 与压差Δp之间的关系式为
W F G
式中 W —— 浮子所受重力； F —— 浮子所受浮力； G —— 平衡重物的重力。 一般使浮子浸没一半时，满足上述平衡关系。
4.1.1 浮子式液位计

测量原理
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F增加，则 W－F<G，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 新满足上式为止，浮子将停留在新的 液位高度上；反之亦然。
c( x x) W A( H H x) g
又因为 cx W AHg
所以有 cx A(H x) g
Ag x H c Ag
浮筒产生的位移Δx与液位变化ΔH成比例。 如果在浮筒的连杆上安装一个位移-电气转换装置 ，便可输出相应的电 信号，实现液位的信号的远传和标准化处理。
p p1 p2 Hg hg
当H=0时，Δp=hρg>0，并且为常数项，作用于变送器使其输出电流大 于 Imin ；当 H=Hmax 时，最大压差 Δp=Hmaxρg+hρg ，使变送器输出电流大于 Imax。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0，Δp=hρg 时，其输出为 Imin ；当 H=Hmax，最大压差 Δp=Hmaxρg+hρg时，变送器的输 出为Imax ，从而实现变送器输出与液位之间的正常对应关系，此时变送器 的测量范围发生变化，但量程仍然为Hmaxρg。由于调整的压差Δ p是大于零 (作用于正压室)的附加静压，所以称为正迁移。
பைடு நூலகம்
过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很
多，测量方法也各不相同，本章将对常用的物位测量方法及 典型的物位计进行介绍。
4.1 浮力式液位计
4.1.1 浮子式液位计
4.1.2 浮筒式液位计
4.1.1 浮子式液位计

测量原理
浮子式液位计是应用浮力原理测量液 位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升 降位移反映液位的变化，浮子在测量中 所受浮力为恒定值，故称为恒浮力法 如图所示，将浮子由绳索经滑轮与 容器外的平衡重物相连，利用浮子所受 重力和浮力之差与平衡重物的重力相平 衡，使浮子漂浮在液面上。则平衡关系 为
第4章 物位测量
化学工业出版社
物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。 如液体介质液面的高低称为液位；液体 —液体或液体 —固 体的分界面称为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度 称为料位。液位、界位及料位的测量统称为物位测量。 测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对 象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。为了满足生产
4.2.3 差压式液位计

零点迁移问题
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液位的测量。采用差压式 液位计测量液位时，由于安装位置不同，一般情况下均会存在零点迁移 的问题。 (1) 无迁移
如图所示，变送器安装高度与容器下部取压 位置在同一高度。将差压变送器的正、负压室分 别与容器下部和上部的取压点p1、p2相连接，如果 被测液体的密度为 ρ ，则作用于差压变送器正、 负压室的差压为
忽略绳索的重力影响，W和G可认为是常数，因此浮子 停留在任何高度的液面上时，F的值也应为常数，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。
4.1.1 浮子式液位计

测量原理
在这种转换方式中，绳索两端垂直长度l1和l3不等时绳重 以及滑轮的摩擦力会使平衡条件受到影响，因而引起读数的 误差。绳重引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，且与运动方向有关，无法修 正，惟有加大浮子的定位能力来减小其影响。浮子的定位能 力是指浸没浮子高度的变化量Δ H所引起的浮力变化量Δ F， 而Δ F=ρgAΔ H，则得表达式为
p pB pA Hg
如果图中的容器为敞口容器，则pA为 大气压，则上式可写为
p pB Hg
式中 pB —— B点的表压力。
4.2.1 静压法液位测量的原理

测量原理
由前式可知，液体任何一点的压力等于其表面压力加上液 体密度与重力加速度及液柱高度的乘积。液体的静压力是液位 高度和液体密度的函数，当液体的密度为常数时，A、B两点的 压力或压差仅与液位高度有关。因此可以通过测量p或Δp来实 现液位高度的测量。 同时还可以看出，根据上述原理还 可以直接求得容器内所储存液体的质量。 因为p或Δp 代表了单位面积上一段高度 为 H 的液柱所具有的质量。所以测得 p 或Δp再乘以容器的截面积，即可得到容 器中全部液体的质量。
cx W AHg
式中c——弹簧刚度； x——弹簧压缩位移； A——浮筒的截面积 H——浮筒被液体浸没的高度 ρ——被测液体密度；g——重力加速度。
4.1.2 浮筒式液位计

测量原理
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Δ H，则浮筒要向上移动Δ x，此时的平衡关系为
p Hg hg
由上式可知，当H=0时，Δp=－hρg<0，作用于变送器会使其输出小于 Imin ；当H=Hmax时，最大压差Δp=Hmaxρg－hρg，使变送器输出小于Imax 。这时可 以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0时，Δp=－hρg<0时，其 输出为Imin ;当H=Hmax、最大压差Δp=Hmaxρg－hρg时，变送器的输出为Imax ； 变送器的测量范围发生变化，实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系 ，但量程仍然为Hmaxρg 。由于调整的压差Δp是小于零(作用于负压室)的附加 静压，则称为负迁移。
4.2.3 差压式液位计

特殊介质的液位、料位测量
（2）流态化粉末状、颗粒状固态介质 在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂 在反应器内流化床床层高度的测量。因为流态化的粉 末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测 量它们的床层高度或藏量时，可以把它们看作流体对 待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测差 压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉 末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞， 因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送 器进行测量。 流化床内测压点的反吹风方式如图所示，在有反吹风存在的条件下，设 被测压力为p，测量管线引至变送器的压力为p2（即限流孔板后的反吹风压 力），反吹管线压降为Δp，则有p2=p+Δp，看起来仪表显示压力p2较被测压 力高Δp ，在一定条件下，反吹风气量可以很小，因而Δp可以忽略不计，即 p 2 ≈p 。
4.2.3 差压式液位计

特殊介质的液位、料位测量
（1）腐蚀性、易结晶或高粘介质
当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及粘度大、易凝固等介质的 液位时，为解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可以采用法兰式差压变送 器。如图所示，变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件 的测量头1(金属膜盒)经毛细管2与变送器的测量室相连通，在膜盒、毛细 管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，起到变送器 与被测介质隔离的作用。 法兰式差压变送器有单法兰、双 法兰、插入式或平法兰等结构形式， 可根据被测介质的不同情况进行选用。 法兰式差压变送器测量液位时， 同样存在零点“迁移”问题，迁移量 的计算方法与前述差压式相同。
4.2.2 压力式液位计

用测压仪表测量
压力式液位计是基于测压仪表所测压力高低来测量液位的原理，主要 用于敞口容器的液位测量 。 如图所示。测压仪表（压力表 或压力变送器）通过引压导管与 容器底部相连，由测压仪表的指 示便可知道液位的高度。若需要 信号远传则可以采用传感器或变 送器进行压力-电气信号转换。 (a) (b)
F gAH H H
式中A为浮子的截面积，ρ 为液体密度，g为重力加速 度。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。
4.1.1 浮子式液位计

应用实例
实例一 : 浮球式液位计
浮球 1是由金属 ( 一般为不锈钢 ) 制成的空心 球。它通过连杆2与转动轴3相连，转动轴3的另 一端与容器外侧的杠杆 5 相连，并在杠杆 5 上加 上平衡重物 4 ，组成以转动轴 3 为支点的杠杆力 矩平衡系统。一般要求浮球的一半浸没于液体 之中时，系统满足力矩平衡。 当液位升高时，浮球被浸没的体积增加，所受的浮力增加，破坏了原 有的力矩平衡状态，平衡重物使得杠杆5作顺时针方向转动，浮球位置抬高， 直到浮球的一半浸没在液体中时，重新恢复杠杆的力矩平衡为止，浮球停 留在新的平衡位置上。如果在转动轴的外侧安装一个指针，便可以由输出 的角位移知道液位的高低。

测量原理
浮筒式液位计利用浸没在液体中的浮筒测量液位的变化，浮筒在测量中 所受浮力随液位浸没高度而变化，因此称为变浮力法。 测量原理如图所示，将一个截面相同、重力 为W 的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的 重力被弹簧的弹性力所平衡。当浮筒的一部分 被液体浸没时，由于受到液体的浮力作用而使 浮筒向上移动，当浮力 F 与弹性力达到平衡时 ，浮筒停止移动，此时满足如下关系
4.1.1 浮子式液位计

应用实例
实例二:磁翻转式液位计
在与容器连通的非导磁 ( 一般
为不锈钢)管内，带有磁铁的浮子 随管内液位的升降，利用磁性的 吸引，使得带有磁铁的红白两面 分明的翻板或翻球产生翻转。有
液体的位置红色朝外，无液体的
位置白色朝外，根据红色指示的 高度可以读得液位的具体数值，
4.1.2 浮筒式液位计
4.2 静压式液位计
4.2.1 静压法液位测量的原理 4.2.2 压力式液位计 4.2.3 差压式液位计
4.2.1 静压法液位测量的原理

测量原理
静压式液位的测量方法是通过测得液柱高度产生的静压 实现液位测量的。其原理如图所示，pA为密闭容器中A点的 静压(气相压力)，pB为B点的静压，H为液柱高度，ρ为液体 密度。根据流体静力学的原理可知，A、B两点的压力差为
p p1 p2 Hg
当液位由H=0变化到最高液位H=Hmax时，Δp由零变化到最大差压Δpmax ，变送器对应的输出电流为Imin~Imax。变送器的测量范围不需要调整，称为 无迁移。
4.2.3 差压式液位计

零点迁移问题
（2）正迁移 实际测量中，变送器的安装位置有 时低于容器下部的取压位置，如图所示 ，变送器安装高度低于测量下限的距离 为h。这时液位高度H与压差Δp之间的 关系式为
4.1.2 浮筒式液位计

变浮力液位计实例——轴封膜片式浮筒液位计
轴封膜片式浮筒液位计是 的结构如图所示，它也是由 测量和转换两部分组成。测 量部分包括浮筒、主杠杆； 转换部分包括主杠杆、矢量 机构、副杠杆、反馈机构、 差动变压器及放大器等，其 作用是将测量部分产生的力 矩转换为相应的电信号。 当液位升高时，作用于浮筒上的浮力随之增大，此力作为输入力F1作用 在主杠杆的一端，使主杠杆以轴封膜片为支点产生顺时针方向的转动。转 换部分结构原理与电动差压变送器的转换部分相同，此处不再详述。