第七章

液位測量主要內(nèi)容?

第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)?

第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)?

第三節(jié)

浮力式液位計(jì)?

第四節(jié)

超聲波液位計(jì)?

液位是指開口容器或密封容器中液體介質(zhì)液面的高低，用來測量液位的儀表稱為液位計(jì)。?

這里只介紹應(yīng)用較為廣泛的浮力式、差壓式、電氣式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)一、利用靜壓差測量液位的原理靜壓式液位檢測方法是根據(jù)液柱靜壓與液柱高度成正比的原理來實(shí)現(xiàn)的。其原理如圖7-1所示，根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得ΔP=

P

?P

=

HρgBAPAHPB圖7-1靜壓式液位計(jì)原理第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)當(dāng)容器為敞口時，則P0為大氣壓，上式變?yōu)椋簆

=

P

?

P0

=

Hρg第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)二、壓力表測量液位計(jì)當(dāng)壓力儀表與取壓點(diǎn)(零液位)不在同一水平位置時，應(yīng)對其位置高度差而引起的固定壓力進(jìn)行修正。圖7-2

壓力式液位計(jì)(a)壓力表測液位；(b)法蘭式壓力變送器測液位第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)三、法蘭式壓力變送器液位計(jì)由于對于粘稠液體或有凝結(jié)性的液體，為避免導(dǎo)壓管堵塞，可采用法蘭式壓力變送器和容器直接相連，其在導(dǎo)壓管處加有隔離膜片，導(dǎo)壓管內(nèi)充人硅油，借助硅油傳遞壓力。容器與壓力表之間用法蘭將管路連接，故稱“法蘭液位計(jì)”。第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)四、壓差式液位計(jì)如圖7-3所示。差壓液位計(jì)指示值除與液位高度有關(guān)外，還與液體密度和差壓儀表的安裝位置有關(guān)。實(shí)際安裝時不一定能滿足壓力檢測儀表安裝在零液位處；采用法蘭式差壓變送器時，由于在從膜盒至變送器的毛細(xì)管中充以硅油，無論差壓變送器在什么高度，一般均會產(chǎn)生附加靜壓，可通過計(jì)算進(jìn)行校正，更多的是對壓力(差壓)變送器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，使它在只受附加靜壓(靜壓差)時輸出為“0”，這種方法稱為“量程遷移”。第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)（一）無遷移當(dāng)液位H在0～Hmax范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)的ΔP在0～ΔPmax范圍內(nèi)變化，變送器輸出IP在量程上下限間相應(yīng)變化。ΔP

=

Hρ1g(a)(b)(c)圖7-3

壓差式液位計(jì)原理(a)無遷移；(b)負(fù)遷移；(c)正遷移第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)（三）正遷移圖7-3(c)所示的測量裝置中，液位高度H與壓差之間的關(guān)系為ΔP

=

(H

+

h)ρ1g第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)五、高位水箱的液位測量在液位計(jì)系統(tǒng)中接入一個U形管壓差計(jì)，便可將液位計(jì)接到比容器位置低得多的場所進(jìn)行液位測量或監(jiān)控。圖7-5所示為鍋爐中測量鍋筒水位的水位計(jì)工作原理圖。這種水位計(jì)可以安裝到位置比鍋筒低得多的運(yùn)行人員操作臺上進(jìn)行鍋筒水位監(jiān)控。第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)?

在正常工況下，H

ρ

g

+

Hρ

g

+

Rρ

g

=

(H

+

H

+

R)ρ

g0

12302ρ2

?

ρρ3

?

ρ21?

化簡上式可得：R

=H0第一節(jié)

靜壓式液位計(jì)?

在鍋筒水位降低h值條件下，hρ

g

+

(H

?

h)ρ

g

+

(H

?

h

)ρ

g

+

(h

+

R+

h

)ρ

g

=

(h

+

R+

H

+

H

)ρ

g401121302?

設(shè)低地位水位計(jì)的橫截面積為f1，膨脹室的橫截面積為f2，則f1fh1

=h?

由式(7-6)、(7-7)、(7-8)可得ρ

+

ρ

(1+

f

/

f

)

?

ρρ3

=121241

f

/

f+12第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)一、電容式液位計(jì)電容式液位傳感器是利用被測物的介電常數(shù)與空氣(或真空)不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測的，電容式物位計(jì)由電容式物位傳感器和檢測電容的測量線路組成。圖7-6

導(dǎo)電液體的電容式液位測量1-導(dǎo)電液體；2-容器；3-不銹電極；4-絕緣套第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)（一）測量導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器?

當(dāng)液位高度為H=0時，圓筒電容器的電容量C0為：2πε0

Lln(D0

/

d)C0

=?

當(dāng)液位高度為H時，圓筒電容器的電容量C為πε2

H

2

(L

H)πε

?C

=+0ln(D

/

d)

ln(D

/

d)0?

當(dāng)容器內(nèi)液位高度有零變化到H時，圓筒電容器的電容變化量ΔC為πε2

H

2

HπεΔC

=

C

?

C0

=?0ln(D

/

d)

ln(D

/

d)0第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)?

通常，D

>>D，ε>ε

，則上式可簡化為002πεHΔC

≈ln(D

/

d)?

當(dāng)電極確定后，ε、D、d為定值，上式可寫為ΔC

=

KH?

可見，當(dāng)電極確定后，ε、D、d為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測出電容變化量就可求出被測液位。且絕緣套管的介電常數(shù)ε較大，D／d較小時，傳感器的靈敏度較高。第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)（二）測量非導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器圖7-7

非導(dǎo)電液體的電容式液位測量1-非導(dǎo)電液；2-容器；3-不銹鋼外管；4-不銹鋼內(nèi)管；5-絕緣套第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)?

當(dāng)被測液位H=0時介質(zhì)是空氣，電容器的電容量為2πε0

Lln(D

/

d)C0

=?

當(dāng)液位為H時上下介質(zhì)分別是空氣和液體，電容C為2πε

H2

(L

H)πε

?C

=+0ln(D

/

d)ln(D

/

d)?

當(dāng)容器液位高度有零變化到H時，電容變化量ΔC為2π

(ε

?

ε0

)ΔC

=

C?

C0

=Hln(D

/

d)?

可見，當(dāng)電極確定后，ε、D、d為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測出電容變化量就可求出被測液位。第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)二、電接點(diǎn)液位計(jì)?

由于密度和所含導(dǎo)電介質(zhì)的數(shù)量不同，液體與其蒸汽在導(dǎo)電性能上往往存在較大的差別，電接點(diǎn)液位計(jì)正是利用這一差別進(jìn)行液位檢測的，通過液體汽、液相電阻的不同指示液位高低。電接點(diǎn)液位計(jì)的基本組成和工作原理如圖7-8所示。圖7-8電接點(diǎn)液位計(jì)測量原理1-汽包；2-測量筒；3-電極；4-絕緣套；5-指示燈第二節(jié)

電接觸式液位計(jì)?

電接點(diǎn)液位計(jì)得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在鍋爐汽包水位的測量中，由于其測量結(jié)果受汽包壓力變化的影響很小，故適用于鍋爐變參數(shù)工況下的水位測量。但是，這種液位計(jì)的液位指示信號具有非連續(xù)的階躍性，因此不宜作為液位連續(xù)調(diào)節(jié)的信號傳感器。用電接點(diǎn)液位計(jì)測量鍋爐汽包水位時，除了上述誤差外，最主要的誤差是測量筒內(nèi)水柱溫降所造成的測量筒水位與汽包重力水位之間的偏差，因而應(yīng)該對測量筒采取保溫措施。第三節(jié)

浮力式液位計(jì)?

浮力式液位檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液面上的浮子(也稱浮標(biāo))隨液面變化而產(chǎn)生的位移檢測液位；或利用沉浸在被測液體中的浮筒(也稱沉筒)所受的浮力與液位的關(guān)系檢測液位。前者為恒浮力式檢測，一般稱浮子式液位計(jì)。后者為變浮力式檢測，一般稱浮筒式液位計(jì)。第三節(jié)

浮力式液位計(jì)一、浮子式液位計(jì)浮子漂浮在液面上,其平衡關(guān)系為W1

?

F

=W2圖7-9浮子式液位計(jì)測量原理1-浮子；2-繩索；3-重錘；4-刻度尺第三節(jié)

浮力式液位計(jì)?

當(dāng)液位上升時，浮子所受浮力F增加，則W

－1F<W

，使原有平衡關(guān)系被破壞，浮子向上移動。2但浮子向上移動的同時，浮力F減小，W

－F又增1加，直到W

－F又重新等于W

時，浮子將停留在12新的液位上。?

圖7-9所示的浮子式液位計(jì)只能用于敞口容器。在密閉容器中的應(yīng)用如圖7-10所示。在密閉容器中設(shè)置一個測量液位的通道，通道的外側(cè)裝有導(dǎo)輪1、浮子2、磁鐵3；通道內(nèi)側(cè)裝有鐵芯4。當(dāng)浮子隨液位上下移動時，鐵芯被磁體吸引而同步移動，通過繩索帶動指針指示液位的變化。第三節(jié)

浮力式液位計(jì)圖7-10

浮子式液位計(jì)在密閉容器中的應(yīng)用1-導(dǎo)輪；2-浮子；3-磁鐵；4-鐵芯；5-非導(dǎo)磁管第三節(jié)

浮力式液位計(jì)圖7-11

浮子式鋼帶液位計(jì)工作原理1-導(dǎo)向管；2-盤簧輪；3-鋼帶輪；4-鋼帶鏈輪；5-顯示盤；6-齒輪；7-導(dǎo)輪；8-鋼帶；9-浮子第三節(jié)

浮力式液位計(jì)二、浮筒式液位計(jì)當(dāng)液位高度H為零時，浮筒重力與彈簧力平衡KX

=

W圖7-12

浮筒式液位計(jì)檢測原理第三節(jié)

浮力式液位計(jì)?

液位高度為H，浮筒由于向上移動實(shí)際浸沒在液體中的高度為h，浮筒移動的距離即彈簧的位移改變量ΔXΔX

=

H

?

hW

=

Ahρ

+

K(X

?

ΔX

)?

根據(jù)力平衡可知KΔXAρρ

=

Δh=?

由式(7-18)、(7-20)得

Ah

K

XKΔXAρ?

一般h>>ΔX，由式(7-19)可得，H=h，H可表示為

=H第三節(jié)

浮力式液位計(jì)?

變浮力物位檢測方法實(shí)質(zhì)上就是將液位轉(zhuǎn)換成敏感元件浮筒的位移變化。可應(yīng)用信號變換技術(shù)進(jìn)一步將位移轉(zhuǎn)換成電信號，配上顯示儀表在現(xiàn)場或控制室進(jìn)行液位指示和控制。圖7-12是在浮筒的連桿上安裝一鐵芯，可隨浮筒一起上下移動，通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系，從而檢測液位。第四節(jié)

超聲波液位計(jì)一、

聲學(xué)法液位計(jì)工作原理聲學(xué)法液位計(jì)利用聲波傳播過程中的一些物理特性如聲速、聲波反射或聲波減弱等來測量液位的。聲波式液位計(jì)是一種非接觸式物位計(jì)，無可動部件，不受被測介質(zhì)的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)或介電常數(shù)等的影響。因此應(yīng)用面廣，可用于有毒、有腐蝕性、高粘度液體的測量。但不宜用于含氣泡、懸浮雜質(zhì)和波浪較大的液體液位測量，否則會因亂反射而產(chǎn)生誤差。此外，這種液位計(jì)因設(shè)備較復(fù)雜，價格較高。第四節(jié)

超聲波液位計(jì)聲波液位計(jì)可以采用頻率較低的聲頻或頻率較高的超聲頻發(fā)射聲波。對氣體介質(zhì)一般用聲頻，因?yàn)槌曨l在氣體中聲能衰減較大；對液體或固體介質(zhì)可用超聲頻。超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，超聲波聲束集中，不易擴(kuò)散，可提高測量精度。圖7-13聲波反射式液位計(jì)工作原理(a)液體中反射；(b)氣體中反射；(c)固體中反射第四節(jié)

超聲波液位計(jì)二、超聲波液位計(jì)超聲波液位計(jì)由超聲波換能器和測量電路組成。超聲波換能器作為傳感器檢測液位的變化，并把液位變化轉(zhuǎn)換為電信號。通過測量電路的放大處理，由顯示裝置指示液位。超聲波換能器是根據(jù)壓電晶體的“壓電效應(yīng)”和“逆壓電效應(yīng)”原理實(shí)現(xiàn)電能一超聲波