液位的测量与变送

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1、LF13-1油田LF13-1“全民开讲”系列之液位的测量变送液位的测量与变送简介主讲：马晨强 LF13-1油田液位检测仪表在工业生产过程中，常遇到大量的液体 物料和固体物料。他们占有一定的体积， 堆成一定的高度。把生产过程中罐、塔、 槽等容器中存放的液体表面位置称为液位 ；把料斗、堆场仓库等储存的固体块、颗 粒、粉料等的堆积高度和表面位置称为料 位；两种互不相溶的物质的界面位置叫做 界位。液位、料位以及相界面总称为物位 。对物位进行测量的仪表被称为物位检测 仪表。LF13-1油田测量液位的仪表 ：1: 玻璃管（板）式2: 静压式（压力式、差压式）3: 称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）4: 电

2、容式、电感式、电阻式5: 超声波式、放射性式、激光式及微波式等LF13-1油田1:直接测量法直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用 连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管 中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位 计。LF13-1油田LF13-1油田2 压力法测液位压力法依据液体重量所产生的压力进行测量 。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高 度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可 测算出液位高度。 LF13-1油田下图为用于测量开口容器液位高度的三种压力式 液位计。(a) 压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计LF13-1油田对于密闭容器中

3、的液位测量，可用差压法进行测 量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对 示值的影响，下图示出差压式液位计测量原理。 LF13-1油田对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质引压导管易被腐蚀或堵塞，影响 测量精度，应用法兰式压力（差 压）变送器。敏感元件为金属膜盒，它直接与 被测介质接触，省去引压导管， 从而克服导管的腐蚀和阻塞问题 。膜盒经毛细管与变送器的测量 室相通，它们所组成的密闭系统 内充以硅油，作为传压介质。为 了毛细管经久耐用，其外部均套 有金属蛇皮保护管。LF13-1油田法兰式压力（差压）变送器LF13-1油田LF13-1油田量程迁移无论是压力检测法还是差压法，

4、均要求零液位 与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附 加静压误差。处理方法 对压力变送器进行零点调 整，使在只受附加静压力 时输出为“零”。Hh量程迁移 量程 迁移无迁移负迁移正迁移LF13-1油田无迁移保证正压室与零液位等高当H为零时，差压输 出为零。差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准 信号输出。LF13-1油田负迁移形成原因：加隔离罐或采 用法兰式测压差。 正压室：负压室：差压：当H=0时，差压的输出并不为零，而是-B。为使H=0时， 差变的输出为4mA，就要消除-B的影响。称之为量程迁移 。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。LF13-1油田正迁移正压室：负压室：压差：

5、当H=0时，差压输出并不为 零，其值为其迁移量为正值，所以称为正迁移。 综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改 变量程的上下限，而量程范围不变。LF13-1油田3 : 浮力法 恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于 被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化 而产生的位移。 变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（ 也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位 。浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。LF13-1油田钢带浮子式液位计右图为直读式钢带浮 子式液位计，这是一种 最简单的液位计，一般 只能就地显示。LF13-1油田浮球液位计电动浮球液位变送器的测量部分由浮球与平衡杆

6、和平衡锤组成力矩平衡机构，因此浮球可以自由地随液位的变化而升降。当液位改变时，浮球的位置发生相应的变化，通过球杆带动主轴转动，表头内角位移传感器与主轴通过齿轮啮合，将液位的变化转换成相应的电信号LF13-1油田磁浮子液位计磁性浮子、浮球式液位 计主要由本体部分、就地指 示器、远传变送器以及上、 下限液位报警器等几部分组 成。磁性浮子式液位计通过 与工艺容器相连的筒体内浮 子随液面（或界面）的上下 移动，由浮子内的磁钢利用 磁耦合原理驱动磁性翻板指 示器，用红蓝两色（液红气 蓝）明显直观地指示出工艺 容器内的液位或界位。LF13-1油田LF13-1油田LF13-1油田浮筒式液位计 浮筒式液位计属

7、于变浮 力液位计，当被测液面位置 变化时，浮筒浸没体积变化 ，所受浮力也变化，通过测 量浮力变化确定出液位的变 化量。图中： 1-浮筒；2-弹簧；3- 差动变压器 。LF13-1油田电动浮筒液位计杠杆的末端吊有内筒，浮筒随介质的浮力F1 变化而升降，这个浮力作用在杠杆1上，使杠杆 系统以轴封膜片为支点而产生微小偏转（轴封膜 片一方面作为杠杆的支点，另一方面起密封作用 ）。带动杠杆2转动 ，传感器将偏移量经信号处 理及转换电路转换成420mA标准信号输出，即 完成变换过程。 LF13-1油田电学法电学法按工作原理不同又可分为电阻 式、电感式和电容式。用电学法测量无摩 擦件和可动部件，信号转换、传

8、送方便， 便于远传，工作可靠，且输出可转换为统 一的电信号，与电动单元组合仪表配合使 用，可方便地实现液位的自动检测和自动 控制。 LF13-1油田电阻式液位计电阻式液位计既可进行定点液位控 制，也可进行连续测量。所谓定点控制 是指液位上升或下降到一定位置时引起 电路的接通或断开，引发报警器报警。 电阻式液位计的原理是基于液位变化引 起电极间电阻变化，由电阻变化反映液 位情况。LF13-1油田为用于连续 测量的电阻式 液位计原理图 。图中：1-电阻棒； 2-绝缘套；3-测量电桥 LF13-1油田该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同 的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与 容器绝缘

9、。整个传感器电阻为该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常 数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图 中的电桥电路完成。 LF13-1油田电感式液位计电感式液位计利用电磁感应现象，液 位变化引起线圈电感变化，感应电流也发 生变化。电感式液位计既可进行连续测量 ，也可进行液位定点控制。 LF13-1油田电感式液位控制器的原理图。传 感器由不导磁管子、导磁性浮子及 线圈组成。管子与被测容器相连通 ，管子内的导磁性浮子浮在液面上 ，当液面高度变化时，浮子随着移 动。线圈固定在液位上下限控制点 ，当浮子随液面移动到控制位置时 ，引起线圈感应电势变化，以此信 号控制继电器动作，可实现上、

10、下 液位的报警与控制。图中：1、3-上 下限线圈； 2-浮子 LF13-1油田电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电 容量大小的原理进行测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、 同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求 不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质 都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的 容器的液位。不仅可作液位控制器。还能用于连续 测量。LF13-1油田LF13-1油田(1) 检测原理在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容 器，如右图所示。同心圆柱式电容器的电容量：式中： D、d外电极内径和内电极外径 (m)； 极板间介质介电常数

11、(F/m)；L 极板相互重叠的长度(m)。液位变化引起等效介电常数变化，从而使电 容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测 原理。图中：1-内电极；2-外电极 。LF13-1油田热学法 在冶金行业中常遇到高温熔融金属 液位的测量。由于测量条件的特殊性， 目前除使用核幅射法外，还常用热学方 法进行检测。它利用了高温熔融液体本 身的特性，即在空气和高温液体的分界 面处温度场出现突变的特点，用测量温 度的方法间接获得高温金属熔液液位。 热学法按温度测量转换原理的不同，通 常又分为热电法和热磁感应法。 LF13-1油田热电法 热电法采用热电 偶测量温度场，右图 为热电偶测量高温金 属熔液液位原理图。

12、 图中:a-容器壁；b-凝 固金属 ；c-钢水；d- 热电偶。热电偶测量高温 金属熔液液位原理图LF13-1油田在容器壁上选定 一系列测量点，装上 热电偶，并将各测点 上热电偶的输出记录 下来，得到如图所示 的温度-电势分布曲线 ，曲线上反映出第7个 和第8个测点之间产生 了温度突变，因此液 面就在第7与第8测点 之间。 温度-电势分布图 LF13-1油田热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法 ，精度一般不高；而且精度与热电偶分布、安装 情况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量 点，则可提高金属液位测量分辨力和测量精度。另外，热电偶工作端与容器的接触点要细 而牢固，为此可将热电偶丝焊在容器壁

13、上，由容 器壁充当热电偶的另一极。这种测量方法虽然精度不高，但很可靠； 在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很适 用的液位检测控制方法 。LF13-1油田热磁感应法 热磁感应法也称热磁敏法.前面热电法测温元件为一组耐高温热电偶， 它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电 势大小的变化；热磁感应法测温元件为一组热敏 磁性元件，把金属熔液液面处温度场出现变化转 换为电抗（电感）大小的变化。 LF13-1油田超声波法超声波液位计利用波在介质中的传播特性。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射 器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。 并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时 间差，便可测出液位

14、高低。LF13-1油田超声波液位计按传声介质不同，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。LF13-1油田(a)气介式 (b) 液介式 (c)固介式 单探头超声波液位计 LF13-1油田由上图看出，超声波传播距离为L，波的传播速度 为C，传播时间为t ，则：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。LF13-1油田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

15、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。LF13-1油田导波雷达液位计导波雷达液（界）位变送器运用了 TDR（时域反射原理）技术，发射的电 磁波脉冲沿着杆或缆传送当遇到比先前传 导介质（空气或蒸发汽）介电常数大的介 质表面时，脉冲波被反射回来。用超高速 计来计算脉冲波的传导时间，从而达到精 确的液位测量。 LF13-1油田LF13-1油田雷达式液位计示意图雷达波由天线发出到接收 到由液面来的反射波的时间t由 下式确定 由 于故雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波 调频法两种方式。LF13-1油田微波脉冲法原理示意图LF13-1油田射线式物位检测q放射性

16、同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线 。射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线是电子流，电离本领比射线弱，而穿透能力较射 线强。射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短， 不带电荷，它在物质中的穿透能力比和射线都强，但电 离本领最弱。由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件 恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料 的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。LF13-1油田中子料位计基本工作原理反向散射式中子料位计，或称中子氢密度 界面/料位计。它通过对焦炭塔特定区域内 物料含、密度的连续测量，给出塔内全 部物料状态（油气、泡沫、焦炭或水）的动 态分布规律,并在塔底注油起始信号配合下给 出泡