液位测量

第五章液位测量

为了测知物料的存贮量，便于对物料进行监控，在工业生产中对物位进行的检测和控制是监控的重要环节。液位、界位和料位统称物位。物位测量的目的在于测知容器中物料的容量。在大部分工业生产过程中，除常压、常温等一般情况外，还有可能遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性等特殊情况，那么对于物位的自动检测和控制要求就更高了。

液位是指液体介质在容器中的液面的高度，液位计是测量液位的仪表。在工业生产中，液位是一个很重要的参数，液位测量在工业生产中具有重要地位，有的甚至直接影响到生产的安全。在实际的操作过程中，对液位测量的要求越来越多，应根据不同方面的要求来选用不同种类的液位计。根据液位计的工作原理，可分为直读式、浮力式、电容式、静压式、声学式、射线式、光纤式和核辐射式。本章主要介绍工业上广泛应用的浮力式、电容式、和静压式液位计。

5.1 浮力式液位计

浮力式液位计是根据液体产生的浮力来测量液位的。它是通过浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步移动的原理工作的，可分为恒浮力式和变浮力式两种。

5.1.1 恒浮力式液位计

浮子式液位计是恒浮力式液位计中的一种。它是利用能够漂浮在液面上的浮子进行测量的。当浮子漂浮在液面上达到稳定时，根据力学原理，其本身的重量和所受的浮力相平衡。当液面发生变化时，浮子的位置也相应的变化，根据这一原理来测量液位。

浮子式液位计示意图如图5-1所示，

浮子通过两个滑轮和绳带与平衡重锤连

接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力平衡，

这样就保证了浮子可以漂浮在液面上。设

浮子浸入液体的高度为h，液体密度为 ，

圆柱型浮子的外直径为D ，密度为1ρ，则浮子的受力情况为

浮力 24

F D h g π

ρ= （5-1）

自重 214

G D a g π

ρ=

（5-2）

作用在浮子上的还有绳子的拉力T ，当浮子达到平衡时有

T F G += （5-3）

当液位上升H ∆时，浮子浸在液体中的部分增大，浮力增加F ∆，即

24

F D H g π

ρ∆=

∆ （5-4）

由于拉力T 和自重G 都不变，此时()T F F G ++∆>。

因此，为了重新使受力达到平衡状态，浮子上浮。当达到新的平衡状态时，由于平衡锤的拉力T 和自重G 都为固定值，所以此时的浮子所受浮力不变，即浮子浸入液体的高度仍为h ，所以浮子上升的高度和液位上升的高度相同，都是

H ∆。由图5-1结构可知，液位和浮子上升的高度和平衡锤下降的高度是相同的，

通过平衡锤旁边的标尺可以读出其下降的高度，也就是浮子上升的高度。反之，液位下降，浮子下降，平衡锤上升。利用这个装置，我们可以通过标尺的读数来反映液位的变化，然后通过传递放大系统显示出液面高度。

由上面的分析可知，只有浮力变化量达到一定量H ∆足以克服了摩擦力后，浮子才会开始动作，这就是造成这种液位计不灵敏区产生的原因。通常把浮子液位计的灵敏度K 定义为

24

F D K g H πρ∆==∆ （5-5） 可以看出浮子的直径越大，灵敏度越大。所以可以采取适当增加浮子的直径的方法，提高液位计的灵敏度和测量精度。比如将浮子制成扁平空心圆盘或圆柱形，可以使液位计的不灵敏区变小。在使用恒浮力液位计测量液位时，应使浮子浸入液体中的深度不变化才能准确测量。但实际操作中，液位计测量误差主要与仪器的灵敏度高低、被测介质性质和周围环境等因素有关。

对于恒浮力式液位计的测量误差，主要由以下几个因素引起： （1）仪器灵敏度的高低；

（2）当工作介质具有腐蚀性或粘度较大时，浮子被浸蚀而造成质量减轻或

是黏一些液体，而使浮子质量增加； （3）被测液体密度变化； （4）绳索长度变化。 5.1.2 变浮力式液位计

变浮力式液位计是通过把液位变化先转化为力的变化，再把力的变化转化为物体位移，位移产生电信号来进行测量。浮筒式液位计是一种典型的变浮力式

液位计，其工作原理如图5-2所示。将一截面积为A ，重量为G 的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，此时弹簧力与重力平衡，当浮筒有一部分浸入液体时，浮筒受到浮力而使弹簧上移，此时有

Kx G Ah g ρ=- （5-6）

上式中，K 为弹簧刚度，h 为浮筒浸入液体的高度，x 为弹簧的压缩量，ρ为液体密度。若

液面升高了Δh ，浮力增加，浮筒向上移动，浮筒上下移动的距离即弹簧的位移改变量为Δx 。重新平衡时浮筒浸没在液体中的长度为h h x +∆-∆，则重新达到的平衡关系为

()()K x x G A h h x g ρ-∆=-+∆-∆ （5-7）

（5-6）减去（5-7）得

()K x A g h x ρ∆=∆-∆ （5-8）

即

(1)K

h x A g

ρ∆=+

∆ （5-9） 上式中，K 、A 、ρ均为常数，所以当液位发生变化时，浮筒浸入液体中的体积不同，因而浮力变化，合力的作用使得浮筒产生位移。浮筒产生的位移量改变量(即弹簧变形程度)与液位高度变化量成正比。变浮力液位检测就是把液位变化转换为元件浮筒位移变化。

检测弹簧变形有很多转换方法，常用的有差动变压器式、扭力矩力平衡式等。若在浮筒连杆是装上指针，就可直接读出液位。也可在浮筒的连杆上安装一铁心，通过差动变压器使输出电压，可以测出液位。也可将浮筒所受到的浮力通过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移量变成扭力矩的角位移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整的液位计。改变浮筒的尺寸，可以改变量程。 5.2 电容式液位计

电容式液位计是根据电容的变化来测量液位高度的液位仪表,它主要是由电容液位传感器和检测电容的电路组成。它的传感部件结构简单，动态响应快，能够连续及时地反映液位的变化。电容式液位计的形式很多，有平级板式、同心圆柱式等，应用比较广泛。它对被测介质本身性质的要求不是很严格，既能测量导电介质和非导电介质，也可以测量倾斜晃动及高速运动的容器的液位，因此在液位测量中的地位比较重要。 5.2.1 检测原理

在液位的测量中，通常采用同心圆柱式电容器，如图5-3所示。同心圆柱式电容器的电容量为

()

02ln L

C D d

πε=

（5-10） 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)。