1、第七章液位測量,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。 這里只介紹應(yīng)用較為廣泛的浮力式、差壓式、電氣式液位計的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。,第一節(jié)靜壓式液位計 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,圖7-1 靜壓式液位計原理,當(dāng)容器為敞口時，則P0為大氣壓，上式變?yōu)椋?二、壓力表測量液位計 當(dāng)壓力儀表與取壓點(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 (a)壓力表測液位；(b)法蘭式壓力變送器測液位,三、法蘭式

2、壓力變送器液位計 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”。,四、壓差式液位計 如圖7-3所示。差壓液位計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，可通過計算進(jìn)行校正，更多的是對壓力(差壓)變送器進(jìn)行零點調(diào)整，使它在只受附加靜壓(靜壓差)時輸出為“0”

3、，這種方法稱為“量程遷移”。,（一）無遷移 當(dāng)液位H在0Hmax范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)的P在0Pmax范圍內(nèi)變化，變送器輸出IP在量程上下限間相應(yīng)變化。 圖7-3壓差式液位計原理 (a)無遷移；(b)負(fù)遷移；(c)正遷移,（二）負(fù)遷移 這樣就破壞了變送器輸出IP與液位之間的正常關(guān)系,調(diào)整變送器上的遷移彈簧，使變送器在H0， 輸出IP為量程下限； 在HHmax時， 為最大差壓，變送器輸出IP為量程上限，這樣就實現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常關(guān)系。稱為負(fù)遷移量。,（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,五、高位水箱的液位測量 在液位計系統(tǒng)中接入一個U形管壓差計，便可

4、將液位計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工作原理圖。這種水位計可以安裝到位置比鍋筒低得多的運行人員操作臺上進(jìn)行鍋筒水位監(jiān)控。,在正常工況下， 化簡上式可得：,在鍋筒水位降低h值條件下， 設(shè)低地位水位計的橫截面積為f1，膨脹室的橫截面積為f2，則 由式(7-6)、(7-7)、(7-8)可得,第二節(jié)電接觸式液位計,一、電容式液位計 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)不同的特點進(jìn)行檢測的，電容式物位計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

5、套,（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： 當(dāng)液位高度為H時，圓筒電容器的電容量C為 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C為,通常，D0D，0，則上式可簡化為 當(dāng)電極確定后，、D、d為定值，上式可寫為 可見，當(dāng)電極確定后，、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)較大，Dd較小時，傳感器的靈敏度較高。,（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,當(dāng)被測液位H

6、=0時介質(zhì)是空氣，電容器的電容量為 當(dāng)液位為H時上下介質(zhì)分別是空氣和液體，電容C為 當(dāng)容器液位高度有零變化到H時，電容變化量C為 可見，當(dāng)電極確定后，、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。,二、電接點液位計 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，電接點液位計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。電接點液位計的基本組成和工作原理如圖7-8所示。 圖7-8 電接點液位計測量原理 1-汽包；2-測量筒；3-電極；4-絕緣套；5-指示燈,電接點液位計得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其

7、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。用電接點液位計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,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。后者為變浮力式檢測，一

8、般稱浮筒式液位計。,一、浮子式液位計 浮子漂浮在液面上, 其平衡關(guān)系為 圖7-9 浮子式液位計測量原理 1-浮子；2-繩索；3-重錘；4-刻度尺,當(dāng)液位上升時，浮子所受浮力F增加，則W1FW2，使原有平衡關(guān)系被破壞，浮子向上移動。但浮子向上移動的同時，浮力F減小，W1F又增加，直到W1F又重新等于W2時，浮子 將停留在新的液位上。 圖7-9所示的浮子式液位計只能用于敞口容器。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。,圖7-1

9、0浮子式液位計在密閉容器中的應(yīng)用 1-導(dǎo)輪；2-浮子；3-磁鐵；4-鐵芯；5-非導(dǎo)磁管,圖7-11 浮子式鋼帶液位計工作原理 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,二、浮筒式液位計 當(dāng)液位高度H為零時， 浮筒重力與彈簧力平衡 圖7-12 浮筒式液位計檢測原理,液位高度為H，浮筒由于向上移動實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X 根據(jù)力平衡可知 由式(7-18)、(7-20)得 一般hX，由式(7-19)可得，H=h，H可表示為,變浮力物位檢測方法實質(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

10、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,一、 聲學(xué)法液位計工作原理 聲學(xué)法液位計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。聲波式液位計是一種非接觸式物位計，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，這種液位計因設(shè)備較復(fù)雜，價格較高。,聲波

11、液位計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，因為超聲頻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，不易擴散，可提高測量精度。 圖7-13 聲波反射式液位計工作原理 (a)液體中反射；(b)氣體中反射；(c)固體中反射,二、超聲波液位計 超聲波液位計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)”原理實現(xiàn)電能一超聲波能的相互轉(zhuǎn)換，其原理如圖7-14所示。,圖7-14 壓電效應(yīng)原理圖 (a)正壓電效應(yīng)；(b)逆壓電