第六章 物位测量

1．压力式液位计：
P B gh
p P B gh p h g
2．法兰式压力液位计： 压力计式液位计的使用范围较广， 但要求被测液体必须洁净，且黏度 不能太高，以免阻塞导压管。当测 量液体有沉淀、易结晶或黏度较大 时，应选用法兰式压力液位计，如 图。测量时，将变送器上的法兰与 容器上的法兰直接连接，变送器的 敏感元件(金属膜片、膜盒等)在法兰 处将被测介质与导压填充液(一般为 沸点高，膨胀系数小，凝固点低的 液体硅油)隔开，被测液体的压力经 隔离膜传给填充液，然后传给变送 器测量室。
第六章 物位测量
物位是指物料相对于某一基准的位置，是液 位、料位和相界面的总称。
• (1)液位。储存在各种容器中的液体液面的相 对高度或自然界的江、河、湖、海以及水库 中液体表面的相对高度。 • (2)料位。容器、堆场、仓库等所储存的固体 颗粒、粉料等的相对高度或表面位置。 • (3)相界面位置。同一容器中储存的两种密度 不同且互不相溶的介质之间的分界面位置。 通常指液一液相界面、液一固相界面。 • 物位的测量即是指以上三种位置的测量， 其结果常用绝对长度单位或百分数表示。测 量固体料位的仪表称为料位计，测量液位的 仪表称为液位计，测量相界面位置的仪表称 界面计。
1、无量程迁移 “无量程迁移”主要指以下两种情况： (1)对压力计式物位计，压力表与取压点 （零物位）处于同一水平位置。 (2)对差压式液位计，将差压变送器的正、 负压室分别与容器下部（零位）和上部 的气体取压口相连通。虽然负压室与气 体取压口不处于同一水平线上，但因为 气体密度较小，二者由于高度差而造成 的静压差也很小，可忽略不计。
1、检测原理 在液位的连续测量中，多用同心圆柱 式电容器，如右图所示。同心圆柱式电 容器的电容量： 式中： D、d——外电极内径和内电极外径(m) ε- 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。

2 1 L 2 ( 2 1 ) H C C 0 R R ln ln r r
r
r
当圆筒形电容器几何尺寸一定，电容器电容 增量与液位高度H成正比。同时，两种介质的 介电常数的差值越大，△C越大，灵敏度高。
• 测量非导电液体的电容液位传感器如图所示。它是由 金属棒做成的内电极和由外壁带孔的金属圆筒做成的 外电极两部分构成的圆筒形电容器。测量时，将其竖 直放在被测液体中，若设空气的介电常数为 1 ，当液 位为零时，该圆筒形电容器的电容量为
• 当导电介质黏性较大时，由于导电介质 作为电容器的一个极板，绝缘层被导电 介质沾染，相当于增加了一段虚假液位 高度，影响仪表的测量准确度。应尽量 使绝缘层表面光滑，选用不沾染被测介 质的绝缘材料。
电容式液位计及接线
二、 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。它在燃 油锅炉的水位自动控制中广泛应用。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。
第三节 电气式物位检测
• 电气式物位检测是利用敏感元件直接把 物位变化转换成电量的变化，分电阻式、 电感式和电容式。
一、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。 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。
正压室： P P 1 gH 2 gh1 1 负压室： P P 2 gh2 1 差压：
P 1 gH 2 g (h2 h1 )
第二节 浮力式液位检测
上限水银 开关
磁钢 下限 水银 开关 非导 磁管
一．恒浮力式液位检测： 基本原理：浮于液面上的浮子随 着液位上升或下降，根据浮子的 调整箱组件 位置实现液位的检测。 既可测量液位，也可测密度不等 的两种液体的界面，但密度差应 足够大。浮子式和浮球式是典型 的恒浮力式液位计 有：浮子重锤液位计、浮子钢带 液位计、浮顶罐、浮球式。
H h x
mg Agh C ( x0 x)
mg Agh C ( x0 x)
一般 h x 即 H h 从而被测液位H可表示为
C H x Ag
•即弹簧的位移量与液位成正比。 弹簧的顶端连接有一铁芯，铁 芯随着弹簧的位移在差动变压 器内上下移动输出位移信号。
※量程迁移：
• 无论是压力计式物位计还是差压式液位计都要 求取压口（零物位）与压力（或差压）测量仪 表的入口在同一水平高度，否则会产生附加静 压误差。但是，在实际安装时，不一定能满足 这个要求。如地下储槽，为了读数和维护的方 便，压力表不能安装在所谓零物位的地方；采 用法兰式差压变送器时，由于从膜盒至变送器 的毛细管充以硅油，无论差压变送器在什么高 度，一般均会产生附加静压。在这种情况下， 可通过计算进行校正，更多的是对压力计物位 计或差压式液位计进行零点调整，使它在只受 附加静压（或静压差）时输出为0，这种方法称 为“量程迁移”。
4、浮球式液位计 • 它一般适用于温度、 粘度较高，但压力不 太高的密闭容器内的 液位测量。
二．变浮力式液位检测 1、浮筒式液wk.baidu.com计
将一质量为m的浮筒悬挂在 弹簧上，弹簧的下端被固定， 当测量桶内无水时，浮筒的 重力与弹簧力达到平衡时， mg Cx0 有：
当浮筒的一部分被浸没们，浮筒 因受浮力上移，当它与弹簧的弹 力和浮筒的重力相平衡时，浮筒 停止移动，三力平衡。
2．正迁移：变送器位置低于液面基准面。
P g ( H h)
正迁移量为 gh
H=0,△P=ρgh
3．负量程迁移 （1)对压力计式物位计，由于现场条件的限制， 压力表比容器底（零物位）高h； (2)为了防止容器内液体和气体进入变送器的取 压室造成管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室的 液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点 之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。
• 这样导管内的气压几乎与液位 静压相等，因此由压力表指示 的压力值即可反映出液位高度 H。当液位高度上升或下降时， 液位静压也随之上升或下降， 致使从导管排出的气体量也随 着减小或增加。调节阀门使气 泡量恢复原状，即调节气泡管 压力与液体静压力平衡，从压 力表的读数即可随时指示出液 位的高低变化。
d
d

2 1 L 2 ( 2 1 ) H D D ln ln d d
C 0 C
• 测量导电液体的电容液位传感器如图所示。它只由 一根带绝缘套管的电极组成。测量时，将其竖直放 入被测液体中，由于液体是导电的，若容器也是导 电金属制成的，那么容器和液体就可视为电容的外 电极，插入的金属电极作为内电极，绝缘套管为中 间介质，三者组成圆筒形电容器。若设中间绝缘介 质介电常数为ε，电极被导电液体浸没的高度为H， 则该电容器的电容可近似为
4、吹气式液位计 当测量具有腐蚀性、高黏度或 含有悬浮颗粒的敞口容器液位， 且准确度要求不很高时，常选用 吹气式液位计。 吹气式液位计的原理如图， 在敞口容器中插入一根导管，压 缩空气作为气源首先经过滤器过 滤，再通过减压阀使压力降至某 一恒定值，并由气源压力计指示， 该恒定压力的大小按被测液位高 度而定。具有恒定压力的洁净压 缩空气再流经起限流、恒流作用 的节流阀，其流量大小由浮子流 量计指示。最后恒流气体从导管 下端敞口处逸出，鼓泡并通过液 体进入大气。
1、浮子重锤液位计 液面上的浮子由绳索（钢 丝绳）经滑轮与被测液体 容器外的平衡重锤和指针 相连。随着液位的上升或 下降，浮子带动指针上下 移动，在标尺上指示出液 位的高度。平衡时有 G＝F＋W
2、浮子钢带液位计 目前大型储罐多使用 浮子钢带液位计， 它是浮子重锤液位 计的改进结果，原 理如图
3、浮顶罐 浮顶罐则是将罐顶做成 中空的大活塞，漂浮在油面 上，将油品与空气隔绝，有 效地防止了挥发。 浮顶罐的原理示意图如图。 罐壁成为敞开形式。浮顶内 有隔板，形成多个独立舱室， 以免个别舱室漏泄而沉没， 周围有柔性密封，整个浮顶 如同圆形船舶浮在油上，直 径往往几十米。这一巨大浮 子可用钢丝绳与重锤相连， 或利用浮子钢带液位计指示 传送液位信号。
远传系列液位显示报警仪
静压液位计
3、差压式液位计 当测量密闭容器的液位时，若可忽略液面上部气压 及气压波动对测量的影响，可直接采用压力计式液 位计；若不能忽略上述因素的影响，则应采用差压 式液位计进行测量，此时，容器底部受到的压力除 了与液位高度有关外，还与液面上的气体压力有关。
P p0 gh
连杆
浮球
浮筒
浮球液位变送器 磁性浮子液位计
• SG49W型锅炉双色石英管水位 计是利用光在不同介质中呈现 不同折射率和反射特性，并借 助于滤色片使测量管中的有液 部分显示绿色，无液部分显示 红色 ，气液分界面极为清晰。
• HG5-227-80型玻璃管液位计
仪表上下阀都装有PN1.6MPa，DN20的法兰。 通过焊接在容器上的法兰，与容器组成连通器， 透过玻璃管就可直接显示容器内介质液位的高 度。
2 L C ln D d


•导电介质：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电极。 如果圆筒形电极间的一部分被介电常数为ε2的液体所浸没， 被浸没的电极长度为H，此时的电容量为：
C C1 C 2 22 L ) H 2 H H 1 ( L ( H 2) 2 2 1 C C1 C 2 R R ln R ln R ln ln r r
物位检测的主要方法
• • • • •
静压式物位检测 浮力式液位检测 电气式物位检测 声学式物位检测 射线式物位检测
第一节 静压式物位检测
静压法测量原理 若液位的高度位h， 则液体底部的压力为：
P B gh
p P B gh p h 所以测得表压力p即可求得 g 液位高度h。
P p0
P P P gh
• 抵消了容器上部压力变 化对测量的影响。
压差式远距离液位计多用于制冷 装置中低压贮液桶和中间冷却器 的液位检测。从图中可以看到， 气相均压管9从循环桶上部引出 气体压力p0,液相均压管10通过蒸 发室6接在循环桶底部，引出底 部压力p(蒸发室用来维持底部压 力)。这两个压力被分别引进液位 计的气压室2和液压室7。液位计 的基本结构是两根管套叠，内管 和外管之间为液压室，它的下部 与油室相通，上部与气压室隔离。 内管上端为气压室，下部与油室 相通。在油室内的油将液压室和 气压室分开。
C0 2 1 L D ln d
• R、r——外电极内径和内电极外径(m) • 当液面高度上升到H时，由于液体充入两电极之间，该 圆筒形电容器可视为液面上、下两部分电容的并联组 合。若设液体的介电常数为 2 ，则该并联组合的电容 量为C
2 1 ( L H ) 2 2 H C C1 1 2 2 1 ( L H ) 2 2 H CC2 C C R D ln R D ln ln ln r r
玻璃管液面指示器4上端与气压 室相通，下端接油室。根据流 体静力学理论可知，气压室和 玻璃管液位指示器上端压力为 p0，液压室的压力即为循环桶 底部压力，其值p=p0+ρgh当循 环桶内液位发生变化，其底部 压力p也将发生变化，这一变化 的压力通过液相均压管传递到 液压室，使气压室和玻璃管油 位发生变化。液位指示计玻璃 管内的高度取决于液压室和气 压室压差的大小，即取决于桶 内液面的高度h。