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第八讲第八讲 液位检测仪表液位检测仪表1 1、液位检测方法、液位检测方法 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法。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。间接测量，是将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。1.11.1直接测量法直接测量法 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。玻璃管液位计1.2 1.2 压力法液位压力法液位 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。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：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 对于密闭容器中的液位测量，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。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。对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质法兰式压力（差压）变送器量程迁移量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平无论是压力检测法还是差压法，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。高度，否则会产生附加静压误差。处理方法处理方法对压力变送器进行零点调整，对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静压力时输出使在只受附加静压力时输出为为“零零”。量程迁移量程迁移量程迁移量程迁移无迁移无迁移负迁移负迁移正迁移正迁移Hhn无迁移无迁移保证正压室与零液位等高保证正压室与零液位等高当当H H为零时，差压输为零时，差压输出为零。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。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。n负迁移负迁移形形成成原原因因：加加隔隔离离罐罐或或采采用法兰式测压差。用法兰式测压差。正压室：正压室：负压室：负压室：差压：差压：当当H=0H=0时，差压的输出并不为零，而是时，差压的输出并不为零，而是-B-B。为使。为使H=0H=0时，差变的输出为时，差变的输出为4mA4mA，就要消除，就要消除-B-B的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，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。所以称为负迁移。量程迁移实例量程迁移实例例如：已知例如：已知液位高度变化形成的差压值为：液位高度变化形成的差压值为：所所以以可可选选择择差差压压变变送送器器量量程程为为40kPa40kPa所所以以负负迁迁移移量量为为37.240kPa37.240kPa，即即将将差差压压变变送送器器的的零零点点调调为为-37.240kPa-37.240kPa。迁迁移后差变的测量范围为移后差变的测量范围为-37.242.76kPa-37.242.76kPa。n正迁移正迁移正压室：正压室：负压室：负压室：压差：压差：当当H=0H=0时，差压输出并不为零，其时，差压输出并不为零，其值为值为其迁移量为正值，所以称为正迁移。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。限，而量程范围不变。1.3 1.3 浮力法浮力法 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。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。浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。1.3.1 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图为直读式钢带右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一种最简单的液位计，一般只能就地显示。般只能就地显示。1.3.21.3.2浮球液位计浮球液位计 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浮球液位计浮球液位计1.3.31.3.3磁浮子液位计磁浮子液位计 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。1.3.4 1.3.4 浮筒式液位计浮筒式液位计 浮筒式液位计属于变浮力液位计，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。电动浮筒液位计电动浮筒液位计 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。智能浮筒液位（界位）变送器智能浮筒液位（界位）变送器 被测液位的变化引起内筒位置的变化，该变化被传递到扭力管组件上，使扭力管与芯轴同步转动。同时固定在扭力管芯轴上的磁铁发生旋转位移，改变了由霍尔效应传感器检测的磁场。该传感器将磁场信号转换为电信号。1.4 1.4 电学法电学法 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，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甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。1.1.电阻式液位计电阻式液位计 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，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。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。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 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。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。2.2.电感式液位计电感式液位计 电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化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。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。电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子不导磁管子、导磁性浮子导磁性浮子及线圈线圈组成。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、下液位的报警与控制。图中：1、3-上下限线圈；2-浮子 3.3.电容式液位计电容式液位计 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。原理进行测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式平极板式、同心圆柱式同心圆柱式等等。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，对导电介质导电介质和非导电介质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。(1)(1)检测原理检测原理 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(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。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。(2)(2)安装形式安装形式 为用来测量导电介质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 右图为用于测量非导电非导电介质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。1.5 1.5 热学法热学法 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。液液位。热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分为热电法热电法和热磁感应法热磁感应法。1.6 1.6 超声波法超声波法超声波液位计利用波在介质中的传播特性。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，便可测出液位高低。超声波液位计按传声介质不同，可分为气气介式介式、液介式液介式和固介式固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探自发自收的单探头方式头方式和收发分开的双探头方式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。(a)气介式 (b)液介式 (c)固介式单探头超声波液位计 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。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。1.71.7导波雷达液位计导波雷达液位计 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。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。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。微波脉冲法原理示意图1.8 1.8 射线式物位检测射线式物位检测q放射性同位素在蜕变过程中会放射出放射性同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线。三种射线。射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线是电子流，电离本领比射线是电子流，电离本领比 射线弱，而穿透能力较射线弱，而穿透能力较 射线强。射线强。射射线线是是一一种种从从原原子子核核中中发发出出的的电电磁磁波波，它它的的波波长长较较短短，不不带带电电荷荷，它在物质中的穿透能力比它在物质中的穿透能力比 和和 射线都强，但电离本领最弱。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。的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。