1、液位计培训液位计培训 主讲人：裴连伟 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。 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。 1.1直接测量法直接测量法 玻璃管液位计 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
2、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： g P H 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。 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引压导管易被腐蚀或堵塞，影响影响 测量精度测量精度，应用法兰式压力应用法
3、兰式压力（差差 压压）变送器变送器。 敏感元件为金属膜盒敏感元件为金属膜盒，它直接与它直接与 被测介质接触被测介质接触，省去引压导管省去引压导管， 从而克服导管的腐蚀和阻塞问题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膜盒经毛细管与变送器的测量 室相通室相通，它们所组成的密闭系统它们所组成的密闭系统 内充以硅油内充以硅油，作为传压介质作为传压介质。为为 了毛细管经久耐用了毛细管经久耐用，其外部均套其外部均套 有金属蛇皮保护管有金属蛇皮保护管。 法兰式压力（差压）变送器 量程迁移量程迁移 处理方法处理方法 对压力变送器进行对压力变送器进行 零点调整，使在只零点调整，使在只 受附加
4、静压力时输受附加静压力时输 出为“零”。出为“零”。 无论是压力检测法还是差压法，均要求零液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，否则会产生附加位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加 静压误差。静压误差。 量程迁移量程迁移 H h 无迁移无迁移 负迁移负迁移 正迁移正迁移 量程量程 迁移迁移 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 gHP 1 当当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。信号输出。 负迁移负迁移 形成原因
5、：加隔离罐或采形成原因：加隔离罐或采 用法兰式测压差用法兰式测压差。 正压室：正压室： 1210 ghgHPP 负压室：负压室： 220 ghPP 差压：差压： BgHhhggHPPP 11221 )( 当当H=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。为使。为使H=0时，时， 差变的输出为差变的输出为4mA，就要消除，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。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。由于要迁移的时为负值，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 3 1 /1200mkg 3 2 /950mkg mh0 . 1 1
6、 mh0 . 5 2 m0 . 30 m L 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： 所以可选择差压变送器量程为所以可选择差压变送器量程为 40kPa PaghhB372408 . 9950) 15()( 212 所以负迁移量为所以负迁移量为37.240kPa，即将差压变送器的零点调为即将差压变送器的零点调为- 37.240kPa。迁移后差变的测量范围为迁移后差变的测量范围为-37.242.76kPa。 正迁移正迁移 正压室：正压室： 011 pgHghP 负压室：负压室： 0 pP 压差：压差： gHghPPP 11 当当H=0时，差压输出并不为时，差压输出并不为 零，其值
7、为零，其值为 ghC 1 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。变量程的上下限，而量程范围不变。 1.3 浮力法浮力法 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。 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
8、（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 。 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。 1.3.2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，表头内角时，
9、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 1.3.3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 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
10、， 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 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 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
11、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 电学法电学法 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、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。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或下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，引发报降到一定
12、位置时引起电路的接通或断开，引发报 警器报警。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 hKKh A H A hH A R 21 222 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
13、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、导磁性浮导磁性浮 子子及线圈线圈组成。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
14、响电容器电容量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。大小的原理进行测量。 电容式液位计的结构形式很多，有平极板式平极板式、同心圆同心圆 柱式柱式等等。 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
15、长度(m)。 液位变化引起等效介电常数变化，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。容式液位计的检测原理。 图中：1-内电极；2-外电极 。 d D L C ln 2 (2)(2)安装形式安装形式 为用来测量导电导电 介质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 右图为用于测量非非 导电介质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
16、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 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的特性，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。得高温金属熔液液位。热学法按温度测量 转换原理的不同，通常又分为热电法热电法和热热 磁感应法磁感应法。
17、1.5.1 热电法热电法 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。 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 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 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、安装情而且精度与热电偶分布、安装情 况有关。况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点， 则
18、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 1.5.2 热磁感应法热磁感应法 热磁感应法也称热磁敏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热电法测温元件为一组耐高温热 电偶电偶，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；热磁感应法热磁感应法 测温元件为一组热敏磁性元件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
19、。 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超声波液位计利用波在介质中的传播特 性。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 为气介式气介式、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自发自收的单 探头方式探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
20、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。 1.7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
21、位测量。 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 雷达式液位计示意图 0 HLH 由于 c H t 0 2 t c LH 2 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 射线式物位检测射线式物位检测 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射线的电离本领最强，但穿透能力最弱但穿透能力最弱。 射线是电子流射线是电子流，电离本领比电离本领比射线弱射线弱，而穿透能力较而穿透能力较射射 线强线强。 射线是一种从
22、原子核中发出的电磁波射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短它的波长较短， 不带电荷不带电荷，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射线都强，但电但电 离本领最弱离本领最弱。 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。 1.9中子料位计基本工作原理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反向散射式中子料位计，或称
23、中子氢密度界面/料位计。它通过对料位计。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,并在塔底注油起始并在塔底注油起始 信号配合下给出泡沫层、焦炭层上沿实时高度指示值。从而为实现焦信号配合下给出泡沫层、焦炭层上沿实时高度指示值。从而为实现焦 化生产的实时在线控制提供信息。化生产的实时在线控制提供信息。 其基本工作原理为：其基本工作原理为： 1、所用中子源为、所用中子源为50毫居钚毫居钚/铍（铍（Pu-238/Be）中子源。）中子源。
24、 2、快中子与轻质元素特别是氢原子极易发生弹性反散射碰撞并经、快中子与轻质元素特别是氢原子极易发生弹性反散射碰撞并经 多次碰撞后被“慢化”为低能量的“慢”中子。多次碰撞后被“慢化”为低能量的“慢”中子。 3、采用专用的高效慢中子探测器将这种慢中子接收。该探测器只、采用专用的高效慢中子探测器将这种慢中子接收。该探测器只 对慢中子灵敏，而对快中子则基本无作用。对慢中子灵敏，而对快中子则基本无作用。 把中子源、高效慢中子探测器及变送器组装在一起，构成中子料位计把中子源、高效慢中子探测器及变送器组装在一起，构成中子料位计 ，并安装在被测装置壁外特定高度上。中子源发出的快中子能够穿透，并安装在被测装置壁
25、外特定高度上。中子源发出的快中子能够穿透 被测装置外壁，同装置内部的各种原子发生多次相互碰撞，其中与氢被测装置外壁，同装置内部的各种原子发生多次相互碰撞，其中与氢 原子发生慢化的几率最大，慢中子再有一定几率反散射到装置壁外被原子发生慢化的几率最大，慢中子再有一定几率反散射到装置壁外被 慢中子探测器接收。反射到探测器处的慢中子通量慢中子探测器接收。反射到探测器处的慢中子通量，在特定条件下，在特定条件下 显然与装置内氢原子的密度成正比关系。亦即，装置内氢原子的密度显然与装置内氢原子的密度成正比关系。亦即，装置内氢原子的密度 越大，产生的慢中子通量也就越多。因而通过探测慢中子通量就能够越大，产生的慢中子通量也就越多。因而通过探测慢中子通量就能够 判定装置内部含氢物料密度的大小。探测器输出的信号经变送器转换判定装置内部含氢物料密度的大小。探测器输出的信号经变送器转换 为频率信号由特种五芯双屏蔽电缆传送至中子主机系统，中子主机系为频率信号由特种五芯双屏蔽电缆传送至中子主机系统，中子主机系 统经特殊的数学处理给出百分密度及各界面的位置指示。统经特殊的数学处理给出百分密度及各界面的位置指示。 ZLWJ-98型中子料位计系统方框图 （一炉二塔6个检测点）
