物位测量仪表

课题：物位测量仪表和仪表选用
一、课题：物位测量仪表和仪表选用
二、教学目的：通过物位测量仪表和仪表选用课程的学习，使大家了解目前测量
物位仪表的种类及特点。

对于常用用差压变送器测量容器液位，
熟悉液位测量的原理及计算方法。

初步了解物位仪表在选型时所
注意的要点。

三、教学重点：
1、各种物位仪表工作原理及特点介绍；
2、差压变送器测量容器液位工作原理及计算。

四、教学难点：
1、物位仪表选用所遵循的要点。

五、布置作业：
1、用差压变送器测量容器液位计算。

如图所示，通过双法兰差压变送器测量容器液位，已知P0=3.0MPa,ρ液=900kg/m3,
ρ硅=930kg/m3,h1=1m,h2=2.5m,H=1m求差压变送器的量程和迁移量.
解：差压液位计的量程△P
△P=Hρ液g=1*900*9.8=8820Pa
当液位最低时,正压室受力为:
P+=P0+ρ硅h1g=3*1000000+1*930*9.8=9114+3*1000000
负压室所受压力:
P-=P0+h2ρ硅g=3*1000000+2.5*930*9.8=22785+3*1000000
于是迁移量:P=P+-P-=-13671Pa,因P+<P-故为负迁移
仪表的测量范围为-13671-----(-13671+8820)=-4851Pa
2、在选用物位测量仪表时，应注意对测量要求的要点有哪些？
答：1、要根据测量范围，需要的精度及测量功能来选择。

2、测量仪表面对的环境，如石油化工的工业环境，有可燃（有毒）和爆炸危险气氛的
存在，高的环境温度等。

3、被测介质的物理化学性质和状态，如强酸，强碱，粘稠，易凝固结晶和气化等工况。

4、操作条件的变化，如介质温度，压力，浓度的变化。

还有时考虑到从开车到参数达
到正常生产时，气相和液相浓度和密度的变化。

5、被测对象容器的结构、形状，尺寸，容器内的设备附件及各种进出料管口都要考虑，
如塔、溶液槽、反应器、锅炉汽包、立罐、球罐等
6、其他要求，如环保及卫生等要求。

六、板书设计：提纲式
第一节：概述
一、物位测量的概念
二、物位测量仪表的分类
第二节浮力式液位计
一、恒浮力液位计
二、变浮力式液位计
第三节直读式液位计
第四节静压式液位计
第五节其他物位测量仪表
一、电式液位计
二、辐射式液位计
三、超声波液位计
四、雷达物位计
第六节物位测量方法的选择
一、测量要求
二、测量方法的选择
七、教学方法：课件教学
教具：电脑、投影仪
十一、参考教材：仪表维修工培训教材
附：教学内容
物位测量仪表及选用
第一节：概述
在化工生产中，对某些设备内的物位进行测量和调节也是十分重要的。

它能为正常生产和质量管理以及经济核算，提高经济效益提供可靠的依据。

在连续生产过程中，维持某些设备内的稳定（如锅炉、蒸发器、吸收塔)等,对保证生产安全、优质、高产等也是必不可少的。

一、物位测量的概念
我们把存在于罐、塔、槽以及自然界中的江、湖、水库等中的液体或水积存的相对高度或表面位置叫做液位；把存在于料斗、罐、储仓，堆场等处的固体块、颗粒、粉料等堆积的相对高度或表面位叫做料位；把在同一容器中，两种密度不同且互不相溶的液体之间或液体和固体之间的分界面（亦称相界面）位置叫做界位。

上述液位、料位、界位总称为物位。

用来对物位进行测量、报警和自动调节的自动化仪表称物位测量仪表。

二、物位测量仪表的分类
按工作原理分，物位测量仪表可分成直读式（包括玻管式、玻板式两类，而玻板式又可分为透光式和折光式两种），浮力式（包括恒浮力式，变浮力式两类，而恒浮力式又可分为浮标式与浮球式，其中浮球式还可分为内浮式和外浮式）、静压式（包括压力式和差压式）、电磁式（包括电阻式、电容式、电感应式等）、声波式、核辐射式等。

第二节：浮力式液位计
浮力式液位计分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计，以飘浮在液面上的浮子（浮标）将跟随液位的变化而产生位移来测量液位制成的仪表为恒浮力式液位计。

未完全浸沉于液体中的浮筒（沉筒）所受的浮力将随液位的变化来进行液位测量的而标志的仪表称变浮力式液位计。

浮力式或浮筒是这类仪表的敏感元件，它能将液位的变化转换成位移或力的变化，然后通过机械或电气或其它形式将液位的变化进行就地或远传显示，以实现对液位的测量。

浮力式液位计的主要特点是结构简单，工作可靠，不易受外界环境的影响，维修也较简便。

一、恒浮力液位计
恒浮力式液位计是利用浮子本身的重力和所受的浮力均为定值，浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变化来进行测量液位的。

常见的浮子式液位计可分为带有钢丝绳（或钢带）的浮子式液位计、杠杆带浮子式液位计和依靠浮子电磁性能传递的液伴计（如：磁翻板式液位计）。

浮子法：该方法采用浮子作为液位测量元件，并驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。

浮球法：该方法利用杠杆原理工作，如图3—2所示［4］。

图中：1－浮球；2－连杆；3－转轴；4－平衡重；5－杠杆。

浮球跟随液位变化而绕转轴旋转，带动转轴上的指针转动，并与杠杆另一端的平衡重平衡，同时在刻度盘上指示出液位数值。

浮球法有内浮球式和外浮球式两种，如图3—2所示。

浮球法主要用于测量温度高、粘度大的液位，但量程较小。

磁翻板法
原理如图6—1a所示［1］，1－翻板指示组件；2－浮子；3－连通管组件；4－调整螺钉；5－放泄塞。

浮子装有一组永久磁铁，随液位变化而上下移动，通过磁耦合作用带动磁翻板组件翻转。

当液位上升时，磁翻板的红色面朝外；液位下降时，白色面朝外。

故根据磁翻板的颜色即可确定液位。

浮子内磁铁与磁翻板磁性结构如图6—1b所示［5］，每片翻板间的距离为10 mm。

采用几台磁翻板装置串联可增大量程。

二、变浮力式液位计
当物体被液体浸没的体积不同时，物体所受的浮力不同。

根据悬浮于容器中其空间位置未变的物体所受浮力的大小来求得物体被浸没的高度（即液位）。

浮筒式液位计根据此原理而标志的液位测量仪表。

它主要由变送器和显示仪表两部分制成。

浮筒一般是用不锈钢制成的空心长圆柱体，被垂直地悬挂在被测介质中。

它是利用扭力管的反弹力与液位变化所引起的浮力变化相平衡而将液位信号转换成扭力管芯轴的角位移。

当液位低于浮筒下端时，浮筒的全部重力作用在杠杆上，因而作用在扭力管的扭力矩最大，扭力管产生的扭力角最大（一般约为7度）。

当液面高于浮筒下端时，作用工杠杆上的力为浮筒的重力W与浮筒所受的浮力F之间的差值。

因此，随着液位的逐渐升高，扭力矩逐渐减小，扭力管所产生的扭角也相应减小，在最高液位时，扭角最小（约为2度）。

浮筒式液位计因不用轴、轴套、填料等进行密封，故它能测量最高压力达32MPa的容器中的液位，浮筒的长度决定于仪表的量程。

一般为300~2000mm。

液位计的输出信号不仅与液位高度有关，并且与被测介质液体的密度有关，因此在密度发生变化时，必须进行密度修正。

第三节直读式液位计
玻璃液位计，是使用最早而又最简单的一种直读式液位计，它的一端接容器的气相，另一端接液相，它是根据连通器的原理工作的，它有两种类型：一种是玻璃管式液位计，另一种是玻璃板式液位计。

工业应用的玻璃管液位计的长度为300~1200mm。

工作压力不大于1.6MPa；玻璃板液位计的长度为500~1700mm，最大耐压为5.0MPa，耐温400℃，它有透光式和折光式两种形式。

玻璃管液位计，结构简单，显示清晰，价格便宜，一般用在温度和压力都有不太高的场合就地指示液位的高低。

玻璃管法：该方法利用连通器原理工作，如图1—1所示［1］。

图中1－被测容器；2－玻璃管；3－指示标度尺；4、5－阀；6、7－连通管。

液位直接从指示标度尺读出。

玻璃板法：玻璃板可通过连通器安装，也可在容器壁上开孔安装，并可串联几段玻璃板以增大量程。

液位数值直接从玻璃板刻度尺读出。

双色水位计法：该方法利用光学原理，使水显示绿色，而使水蒸汽显示红色，从而指示出水位［2］。

其上测量具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。

第四节静压式液位计
根据流体静力学原理：PB=PA+Hρg
即△P=PB-PA=ρgH
若也就是把液位测量转化为压力或差压的测量,敞口容器PA为大气压,则P=ρgH
一、压力式液位计
压力式液位计一般仅适于敞口容器的液位测量。

通常有利用压力表测量液位和吹气式液位计两种形式。

利用压力表测量液位，测量仪表通过导压管与容积底部相连，由测压仪表的示值即可知道液位的高度。

当被测介质为粘稠液体或易结晶时，为避免导压管堵塞，可采用单法兰仪表，单法兰仪表分单平法兰QBF1型和单插法兰QBF3型。

吹气式液位计：
吹气式液位计是将一根导管插入密度为ρ的被测液体中，并在导压管中通入定量的经过过滤减压的压缩空气，使它从导管下端敞口处逸出。

当导管下端仅有微量气泡（约150个/分）吹气法：该方法的工作原理如图2—1所示［4］。

图中，1－过滤器；2－减压阀；3－节流元件；4－转子流量计；5－变送器。

因吹气管内压力近似等于液柱的静压力，故P＝ρgH
式中，ρ－液体密度；H－液位。

故由静压力P即可测量液位H。

吹气法适
用于测量腐蚀性强、有悬浊物的液体，主要应用在测量精度要求不高的场合。

逸出时，导管中气压就与液封的静压几乎相等，此时压力表指示能反映液位的高低。

见图2 二、差压式液位计
在有压的密封容器中，因为液面上部空间的气相压力不一定为定值，为了消除气相压力变化的影响，仅采用差压式液位计。

差压法：该方法的工作原理如图2-2所示[4]。

图中，1、2-阀门；3-差压变送器。

压力差与液位的关系为ΔP＝P2－P1＝ρgH
差压式液位计是目前应用得很广泛的一种液位测量仪表。

下面就差压式液位计进行。

如图3所示的几种情形的液位测量分别作些讨论。

1.无零点迁移
如图3（1）进行液位测量，由于差压计与取压点和液位零位均在同一水平位置，所以，液位为零时，作用于差压计的差压为零，即无“零点迁移”。

设该密闭容器的液相介质密度为ρ，气相压力为P气，于是作用于差压计正压室的压力P+=P 气+Hρg，负压室的压力P-=P气，则作用于差压计的差压ΔP=P+-P-=P气+pHg-p气=Hpg，故当H=0时，即液痊为零，差压也为零，所以无“零点迁移”。

2、有零点负迁移
如图3（2）进行液位测量，由于差压计安装位置低于取压点，且差压计二导压管中有冷凝液或隔离液，因此，作用于差压计正、负压室的差压始终为一负压值，所以，当液位为零时，ΔP总为负。

①气相介质为可凝气
当气相介质为可凝气体时，在稳定工况下，差压计负压侧的导压管中存满冷凝液，设被测介质为密度为p，于是作用于差压计正压室的压力P+=P气+Hpg+H1pg，负压室的压力：P-=P 气+H2pg，则：
ΔP=P+-P-=（H+H1-H2）pg，当H=0时，ΔP=-（H2-H1）pg是一个固定值，这个固定差压将使差压计的零点发生“迁移”。

要使H=0时，差压计的输出为零，则必须进行“零点迁移”。

②导压管中有隔离液
当被测介质具有易腐或易结晶的性质时，常在其正、负导压管中充以密度比被子被测介质大且无腐蚀性的隔离液，现设被子测介质的密度为p1，隔离液的密度为p2，且p2>p1，于是：P+=P气+Hp1g+H1p2g，P-=P气+H2p2g，则ΔP=P+-P-=g（HP1-P2（H2-H1）），当H=0时，ΔP=-p2g（H2-H1），因此，要使H=0时，差压计输出为0，则应对仪表进行“零点负迁移”，
其迁移差为：p2g（H2-H1），仪表的量程为Hmaxp1g。

3、有零点正迁移
如图3（3）进行液位测量时，差压计安装的位置低于液位零位，即使H=0，差压计仍受到一个固定的正差压的作用，设容器的气相压力为P气，被测介质的密度为p，则作用于差压计的差压为ΔP=P+-p-=P气+pg（H+H1）—P气=（H+H1）pg，当H为0时，ΔP=H1pg，因此要使H=0时，差压计的输出为0，必须进行正迁移，迁移量是H1pg，量程为Hmaxpg。

综上所知，“零点迁移”的实质只是同时改变仪表量程的上、下限，而不改变量程的大小。

4、法兰式差压变送器测量液位
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大，易凝固等介质液位时，导压管被腐蚀，被堵塞的问题，使用法兰变送器测量液位。

如图4，作为敏感元件的金属膜盒1经毛细管2与变送器的测量室相通。

在膜盒，毛细管和测量室的组成的密封系统内充入硅油，为传压介质。

法兰式差压变送器按其结构形式可分为单法兰式及双法兰式两种，而法兰的构造形式又有平法兰和插入式法兰之分。

例：如图所示，通过双法兰差压变送器测量容器液位，已知P0=3.0MPa,ρ液=900kg/m3,
ρ硅=930kg/m3,h1=1m,h2=2.5m,H=1m求差压变送器的量程和迁移量.
解:差压液位计的量程△P
△P=Hρ液g=1*900*9.807=8826.3Pa
当液位最低时,正压室受力为:
P+=P0+ρ硅h1g=3*1000000+1*930*9.807=9120.51+3*1000000
负压室所受压力:
P-=P0+h2ρ硅g=3*1000000+2.5*930*9.807=22801.27+3*1000000
于是迁移量:P=P+-P-=-13680.71Pa,因P+<P-故为负迁移
仪表的测量范围为-13680.71-----(-13680.71+8826.3)=-4854.4Pa
第五节：其他物位测量仪表
一、电式液位计
电式液位计有电容液位计、电阻液位计、电接触液位计。

电容式液位时是置于液体中的电容，其电容值随液位高低而变化来进行测量的液位测量仪表，它由传感器和电容检测两大部分组成，其特点是仪表轻巧，测量滞后小，能远距离指示、线路复杂，成本高。

电容法：用于测量非导电液体的电容法原理如图4—1所示［4］。

图4—1中，电容由两块同心的圆柱面极板组成，其电容量CH为
上式中：ε1－被测液体的相对介电常数；ε2－气相介质的相对介电常数；H－电容传感器浸入液体的深度（m）；l－电容传感器垂直高度（m）；R－内极板圆柱底面半径（m）；r－外极板圆柱底面半径（m）。

由于R、r、l等都是固定值，只要利用ε1、ε2、CH就能计算出液位H。

图4—2是用于测量导电液体的电容法原理［4］，其公式推导略。

电容式液位仪价格较低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。

但电容液位仪测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不是很长。

电阻式液位计，是置于液体中的电阻，其电阻值随液位高低而变化。

电阻法：该方法［5］特别适用于导电液体的测量，敏感器件具有电阻特性，其电阻值随液位的变化而变化，故将电阻变化值传送给二次电路即得到液位。

探针式利用跟踪测量法来测量液位，以液位上升的情形为例来说明液位测量原理，当
液位上升时，提起探针完全脱离液体，然后缓慢降低探针寻找液面，则探针与液体刚接触时的位置即与液位相对应。

探针式的特点是测量精度很高、控制电路复杂。

电接触式液位计、应电极等电装置，当液面超过规定范围时，发出电信号，其特点是：阶跃测量，用于要求不高的场合。

二、辐射式液位计
测量原理是放射性同位素放射和吸收程度随液位高低而改变核辐射式物位计是以射线技术为基础的物位测量仪表，其特点是接触测量，能测各种物位，但成本高，使用和维护不便。

辐射法：放射性同位素在衰变过程中会辐射射线，常见的射线有α、β、γ射线。

其中，γ射线的穿透力强，射程远，故在核辐射液位测量中广泛采用。

实验证明，穿过物质前后γ射线强度会发生变化，并满足以下关系［5］：上式中：J0－穿过物质前的强度；J－穿透物质后的强度；μ－物质对γ射线的衰减特性；d－物质的厚度。

核辐射式液位仪由放射源、探测器及处理电路组成。

放射源大都采用钴－60或铯－137。

探测器有电离室、记数管、闪烁计数器等几种，其作用是探测射线穿透物质后的强度。

核辐射液位仪采用非接触式安装，如图6—3所示。

图6—3a采用点式放射源、探测器，测量范围较小；图6—3b 采用点式放射源、线状探测器，测量范围较大；图6—3c采用线状放射源、探测器，测量范围最大。

除γ射线外，中子射线也可用来测量液位。

中子射线的穿透能力极强，比γ射线强10倍以上，可穿透壁厚达9英寸的钢质容器［10］。

射线液位仪安装方便，测量精度能满足大罐测量的需要，有一定的应用场合。

三、超声波液位计
测量原理是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减程度，穿透阻力和辐射声阻抗等各不相同的性质，其特点是非接触测量，准确性高，惯性小，但成本高、使用和维护不便。

超声波法：换能器将电功率脉冲转换为超声波，射向液面，经液面反射后再由换能器将该超声波转换为电信号。

超声波是机械波，传播衰减小，界面反射信号强，且发射和接收电路简单，因而应用较为广泛；但超声波的传播速度受介质的密度、浓度、温度、压力等因素影响，其测量精度较低。

四、雷达物位计
微波法：微波通过天线（大多为口径天线，也有平面天线）辐射出去，经液面反射后被天线接收，然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得液位。

连续波雷达液位仪原理如图5—2所示，该液位仪采用三角波频率调制形式，并通过对发射信号与接收信号混频后得到的差额信号的分析，得到微波传输时间，从
而计算出液位。

微波速度受传播介质、温度、压力、液体介电常数的影响很小，但液体界面的波动、液体表面的泡沫、液体介质的介电常数对微波反射信号强弱有很大影响。

当压力超过规定数值时，压力对液位测量精度将产生显著影响。

对于介电常数小于规定数值的液体，大部分雷达液位仪都需要采用波导管，但波导管的锈蚀、弯曲和倾斜都会影响测量精度。

例如：当空高h为20 m，导波管与垂直方向倾斜角度α只要超过0．573°，则引起的液位误差Δh将超过1 mm，
由此证明，在倾斜角度α（单位为度）较小时，Δh满足：
雷达液位仪特别适合于高污染度或高粘度的产品，如沥青等。

雷达液位仪测量的重复精度较高，无须定期维修和重新标定，测量精度也较高，但价格较高，测量油水界面困难。

第六节：物位测量方法的选择
一、测量要求
1、要根据测量范围，需要的精度及测量功能来选择。

2、测量仪表面对的环境，如石油化工的工业环境，有可燃（有毒）和爆炸危险气氛的存在，高的环境温度等。

3、被测介质的物理化学性质和状态，如强酸，强碱，粘稠，易凝固结晶和气化等工况。

4、操作条件的变化，如介质温度，压力，浓度的变化。

还有时考虑到从开车到参数达到正常生产时，气相和液相浓度和密度的变化。

5、被测对象容器的结构、形状，尺寸，容器内的设备附件及各种进出料管口都要考虑，如塔、溶液槽、反应器、锅炉汽包、立罐、球罐等
6、其他要求，如环保及卫生等要求。

二、测量方法的选择
1、工程仪表选型要有统一的考虑，要求尽可能地减少品种规格，减少备品备件，以利管理。

2、根据工艺专利商的具体要求。

3、根据实际的工艺情况。

a/考虑被测对象是属于哪一类设备。

如槽、罐类，槽的容积较小，测量范围不会太大；罐的容积较大，测量范围可能较大。

B、要看介质的物化性质及洁净程度，首选常规的差压式变送器及浮筒式液位变
送器，还要对接触接触介质部分的材质进行选择。

C、对有些悬浮物、泡沫等介质可用单法兰式差压变送器。

有些易析出、易结晶的用插入式双法兰式差压变送器。

D、对高粘度介质的液位及高压设备的液位，由于设备无法开孔，可选用放射性液位计来测量。

E、除了测量方法上和技术上问题外，还有仪表投资问题。

综上所述，液位测量方法的选择，从技术上要可行，经济上要合理，管理上要方便。