第六章 液位测量

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这时差压变送器高抵压宝的压力分别为
p1 H (h1 h2 ) p2 0
两室的压差为 p p1 p2 H (h1 h2 )
H Z0
式中：γ为容器内液体的重度； Z0为零点迁移量， Z0 (h1 h2 )
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超声波液位测量也有缺点： 超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵； 当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发 生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否 则严重影响测量精度； 有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和 测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。
式中：γ为液体的重度。由于压力表安装的位置固定，所 以h是常数。
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一般认为在测量中液体的重度不变，所以仪表的刻度方程为
p H C
对于与大 气相通的敞口 容器可以把压 力表安装在液 位最低处，如 右图。
C h 为常数
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单探头液位计使用一个换能器，由控制电 路控制它分时交替作发射器与接收器。 双探头式则使用两个换能器分别作发射器 和接收器，对于固介式，需要有两根金属 棒或金属管分别作发射波与接收波的传输 管道。
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(d)液介式
(e)气介式 一发一收双探头测量
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第二节 电容式液位计
工作原理 在平行板电容器之间充以不同介质时，电容 量的大小就有所不同，因此可以通过测量电容量 的变化来测量液位、料位或两种不同液体的分界 面。
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两个同轴圆筒极板组成的电容器， 在两圆筒之间充以介电常数为ε的介质 时，则两圆筒间的电容量为 液位变化引起等效 介电常数变化，从 而使电容器的电容 式中： D、d——外电极内径和内电极外径(m)； 量变化，这就是电 容式液位计的检测 ε ——极板间介质介电常数(F/m)； 原理。 L ——极板相互重叠的长度(m)。
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第四节 核辐射式液位计
γ射线在穿过物质时，会被物质的原子散射和吸 收．它的强度随着物质层的厚度呈指数规律而衰减：
I I 0e
H
式中：I。为射入介质前的Y射线强度； I为通过介质厚度为H后的γ射线强度 μ为介质对γ射线的吸收系数。
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④电磁式液位测量仪表 它是将液位的变化转换为某些电量的变化，进行间接 测量的液位仪表．如电容式、电感式和电阻式液位计等： ⑤超声波式液位测量仪表； ⑥核辐射式液位测量仪表。 此外，还有光学式、称重式、重锤式、旋转翼板式等液位 测量仪表。 由于核工程中存在着辐射损伤、密封和腐蚀等问题， 因此，液位检测仪表基本局限于以下几种：静压式液位测 量仪表；电磁式液位测量仪表；超声波式液位测量仪表。
p1 h1 1 H 1 p p2 h2 2 p
高、低压室的压差为 p p1 p2
H1 1 h1 2 h2 2 H 1 C
式中：P1、P2分别为高、低压室的压力； γ1、γ2为被测液体及隔离液的重度； h1、h2为最低液位及最高液位至变送器的高度 p为容器中气体的压力； 负迁移 C为常数，C＝ (h2－h1)γ
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核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。 辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在 被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅 室的一个小孔或窄缝透出。 接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一 侧，γ射线由盖革计数管吸收，每接收到一个γ粒子， 就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多， 经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经 电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输 出。
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不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最 强，液体次之，气体最差。
对于一定的放射线源和一定的被测介质，如果入射介 质前的射线强度I0和吸收系数μ都是定值，则介质厚度H与 穿过介质后的射线强度I的关系为
H
1

ln I 0 ln I
由此可见，只要测出通过介质后的射线强度I，便 可求出被测介质的厚度H。
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②浮子式液位测量仪表 这是一种利用浮子较所测液体比重稍小的特点，使 浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位的仪 器，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量 仪表；
③静压式液位测量仪表 它是利用液柱高度对某定点产生压力，测量该点压 力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪 表；
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液
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在固介式情况下校证具是一段传声的固体，其材料必 需与测量液位时用的传声固体完全相同。超声波从探头发 出经反射板反射后回到探头而被接收，如果在此校正段L0 的媒质中声速为v0,从发到收所经历的时间为t0，则 1 L0 v0t0 2 t 1 L L0 当 v v0 时结合 L vt t0 2 因为L0是事前己知的定数，所以只要测出两段时间t和t0 即可确定液位L。
正迁移
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由于Z0的存在，使H－ΔP关系曲线向 ΔP的正方向移动了Z0的位置，如右 图所示。
因此，当液位H等于零时，气动差压 变送器仍有与Z0相对应的气压信号输出， 应使变送器不受Z0的影响，即当H＝0时， 输出气压为0.2kgf／cm2；最高位时为1kgf ／cm2。在这种情况下要进行正迁移，零 点迁移量为Z0 ＝(h1+h2)γ。 零点迁移是靠调整变送器内部迁移弹 簧来实现的。
(f)固介式
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两探头的中心距离为2a，声波从探 头至液面的斜向路径为S，探头至液面的 垂直高度为L，则
1 S vt , L S 2 a 2 2
一般，两个探头安装很近，即a较小。 所以在高液位时L值近似地与S相等。 双探头液介式
1 L vt 2
双探头气介式适用上式，只是v为气体中的声速。
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2 L C ln D d

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安装形式
右图是为用来测量导电介 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电极。 1-内电极；2-绝缘套
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下图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射 液位计。其中 (a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好； (b)为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。
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右图为用于测量非导电 介质的同轴双层电极电容 式液位计。内电极和与之 绝缘的同轴金属套组成电 容的两极，外电极上开有 很多流通孔使液体流入极 板间。 图中：1、2-内、外电极； 3-绝缘套； 4-流通孔。
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第三节 超声波液位计
一、超声波液位测量的优点和原理
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吹气式液位计系统
压缩空气经过滤器、主 气滤清器和节流元件最后从 导管下端敞口逸出。
将压缩空气的压力凋到P1后，经节流元件降到P2，当压 缩空气从导管下端以气泡的形式流出时，导管内的压力几乎 与液封静压相等。因此，差压变送器所指示的压力值即可反 映出液位高度。
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二、差压式液位计 如右上图，差压变送 器的高压室与容器下部取 压点相连，低压室与液面 以上空间(此处与大气相通) 相连。 差压变送器高压室的位置较最低液位低h1＋h2，并较 容器底低h2，需要测量的液位范围为H。
气
固
校正具
从前面的分析中可以看出， 只要知道超声波在媒质中的传播 速度，便可根据传播时间确定液 位，但是媒质中的声速还与其他 一些因素有关，如与媒质的成分、 温度和压力等因素有关，因此， 很难把声速看成是一个不变的恒 量。一般采用校正具对声速进行 校正，所谓校正具就是在传声媒 质中相隔固定距离L0安装一组探 头反射板，如图所示。
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超声波在固体介质中传2L距离所需要 的时间要比从发到收的时间短些，所短的 时间就是超声波在液体中传过距离d所需 的时间。因此
1 d L v(t ) 2 vL
式中：v为固体中的声速：vL为液体中的声速。
双探头固介式
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第六章 液 位 测 量
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概
述
液位作为一个过程参数，它的高低也能够反映核动力装 置的运行状态，如反应堆冷却剂液位和稳压器、蒸汽发生 器等的液位直接反映了核动力系统的运行工况。
常用的液位测量仪表主要有以下几种： ①直读式液位测量仪表 它可以直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来 显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的液 位测量仪表；
频率在20000Hz以上的声波叫作超声波。
优点：可以定点和连续测量，方便提供遥测或遥控所需要 的信号；有较大的适应性，安装维护较方便，价格 便宜，并且不受光线、粘度的影响
超声液位测量仪的原理是利用超声波在气体、液体、固 体中的吸收衰减的不同来探测探头前有无液体、固体物料 存在，从而可发出液位报警信号。
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(a)气介式
(b) 液介式 单探头超声波液位计
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(c)固介式
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液面
超声波传播距离为L，在液 体中的传播速度为v，传播时间 为Δt ，则：
1 L vt 2
探头
L是与液位有关的量，故测 出L便可知液位， L的测量一般 是用接收到的信号触发门电路对 振荡器的脉冲进行计数来实现。
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第一节 静压式液位计
一、压力式液位计
液体在容器中具有一定高度，将对其底部或侧面某点 产生一定的压力。液位越高，对某点的压力就越大，所以 只要测出某点的压力．便可确定液位的高度。
右上图是用压力表测量容器中液体液位的测量系统。 这时压力表的读数应为
p H h
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图(a)所表示的是超声波发射技能器1与接收换能 器2分别安装在容器3的相对面上，当液位升降时就会 阻断或导通声波，从而发出信号。图(b)所表示的测量 系统是超声波发射和接收部分安装在同一个探头4里的 装置。
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二、超声波脉冲回波式液位测量 工作原理： 从发射探头发出的超声脉冲在媒质中传到液面，经反 射后再通过该媒质返回到接收探头，根据测出的超声脉冲 从发射到接收的时间以及媒质中的声速，即可求得从探头 到液面之间的距离，从而确定出液位。 按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种； 按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和 收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计 的方案。
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在实际应用中，为了防止容器内液体和气体进入 变送器的取压室造成管路堵塞或腐蚀，以及为了保持 低压室的液柱高度恒定，在变送器的高、低压室与取 压点之间分别装有隔离罐，如图，在隔离罐内充满隔 离液γ2，通常γ2 ＞γ1 。
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这时高、低压室的压力分别为
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超声波液位测量有许多优点： 与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动， 振幅小，仪器寿命长； 超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介 电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适 用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量； 不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测 或遥控信号； 能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽 车、飞机、轮船中的液位。