第6章液位測量-終版

1、第第6章章 液位測量液位測量主要內容主要內容u概述概述u差壓式液位測量法差壓式液位測量法u電容式液位測量法電容式液位測量法u電阻式液位測量法電阻式液位測量法u 液位計選擇液位計選擇1第第6章章 液位測量液位測量物位物位: :統(tǒng)指設備和容器中液體或固體物料的表面位置。統(tǒng)指設備和容器中液體或固體物料的表面位置。對應不同性質的物料又有以下的定義對應不同性質的物料又有以下的定義: :a a、液位液位指設備和容器中液體介質表面的高低。指設備和容器中液體介質表面的高低。b b、料位料位指設備和容器中所儲存的塊狀、顆粒或粉末狀固體指設備和容器中所儲存的塊狀、顆?；蚍勰罟腆w物料的堆積高度。物料的堆積高度。c

2、 c、界位界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液重度不同而形成分界面，為液- -液相界面；容器中互不相液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液溶的液體和固體之間的分界面，為液- -固相界面。固相界面。1.1.物位的定義：物位的定義：6.16.1概述概述22. 液位測量的目的液位測量的目的：1.正確測得容器中儲藏物質的體積或重量。正確測得容器中儲藏物質的體積或重量。2.監(jiān)視容器內物位，對物位允許的上、下限發(fā)出報警。監(jiān)視容器內物位，對物位允許的上、下限發(fā)出報警。3.連續(xù)地監(jiān)視生產和進行調節(jié)，使物位保持在所

3、要求連續(xù)地監(jiān)視生產和進行調節(jié)，使物位保持在所要求的高度。的高度。6.16.1概述概述3 按工作原理分類按工作原理分類（1）直讀式液位測量法）直讀式液位測量法 連通器原理，有玻璃管式、玻璃板；連通器原理，有玻璃管式、玻璃板；（2）沉浮式液位測量法）沉浮式液位測量法 浮力原理，有恒浮力式和變浮力式；浮力原理，有恒浮力式和變浮力式；（3）差壓式液位測量法）差壓式液位測量法 流體靜力學原理；流體靜力學原理；（4）電磁式液位測量法）電磁式液位測量法 將物位的變化轉換為電量檢測；將物位的變化轉換為電量檢測；（5）反射式液位測量法）反射式液位測量法 利用超聲波、微波反射信號行程；利用超聲波、微波反射信號行程

4、；（6）射線式液位測量法）射線式液位測量法 利用射線在被測介質中的吸收程度；利用射線在被測介質中的吸收程度；6.16.1概述概述3. 液位檢測方法液位檢測方法4（1）直讀式液位測量法）直讀式液位測量法 它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。 下圖所示的是下圖所示的是玻璃管液位計。玻璃管液位計。6.1概述概述5原理：當浮標受力平衡時，浮標可以原理：當浮標受力平衡時，浮標可以隨液面穩(wěn)定：隨液面穩(wěn)定：式中式中 WW浮標的重力；浮標的重力； FF浮標所受的浮力；浮標所受的浮力；

5、 GG平衡重物的重力；平衡重物的重力；GFW液位上升時，其上浮力液位上升時，其上浮力F F增加增加, ,GFW新的力平衡，新的力平衡，反之亦然。因而實現(xiàn)了浮標對液位的跟蹤。反之亦然。因而實現(xiàn)了浮標對液位的跟蹤。 特點：簡單直觀，測量精度低。特點：簡單直觀，測量精度低。 誤差原因：滑輪摩擦，鋼絲繩熱脹冷縮。誤差原因：滑輪摩擦，鋼絲繩熱脹冷縮。浮標向上移動浮標向上移動,直達到直達到（2）沉浮式液位測量法）沉浮式液位測量法浮標式液位計浮標式液位計-恒浮力式恒浮力式6浮筒是一不銹鋼空心浮筒是一不銹鋼空心長圓柱體。浮筒的重長圓柱體。浮筒的重量大于同體積的液體量大于同體積的液體重量，使浮筒不能漂重量，使浮

6、筒不能漂浮在液面上。浮在液面上。圖中：圖中：1-1-浮筒；浮筒；2-2-彈簧；彈簧；3-3-差動變壓器。差動變壓器。（2）沉浮式液位測量法）沉浮式液位測量法浮筒式液位計浮筒式液位計-變浮力式變浮力式7第第6章章 液位測量液位測量浮筒式液位計浮筒式液位計用差動變壓器測量浮筒位移，平衡時壓縮彈簧的彈用差動變壓器測量浮筒位移，平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力力與浮筒浮力及重力G平衡。即平衡。即式中式中: k彈簧剛度彈簧剛度(N/m)； x彈簧壓縮量彈簧壓縮量(m)； 液體密度液體密度(kgm3)； H浮筒浸入深度浮筒浸入深度(m)； A浮筒截面積浮筒截面積(m2)液位高度變化與彈簧變形量成正比。

7、液位高度變化與彈簧變形量成正比。GgAHkx86.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法一一. .基本原理基本原理 流體靜力學平衡方程流體靜力學平衡方程1. 1. 開口容器：開口容器：gpHgHppp0氣相壓力為大氣壓式，只需將差壓變送器的負壓室通大氣氣相壓力為大氣壓式，只需將差壓變送器的負壓室通大氣即可。若不需要遠傳信號，在容器底部安裝壓力表。即可。若不需要遠傳信號，在容器底部安裝壓力表。96.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法一一. .基本原理基本原理2.2.閉口容器閉口容器ggHpHsss)(可見可見: :1.1.液位高度液位高度H H與差壓與差壓p p成正比；成

8、正比；2.2.密度對差壓式液位測量有較密度對差壓式液位測量有較大影響。大影響。)(HHggHpss106.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法二二. .量程遷移量程遷移差壓變送器出廠時在標準測量條件下：差壓變送器出廠時在標準測量條件下：液位液位H=0時，變送器的輸入信號時，變送器的輸入信號=0，輸出信號為，輸出信號為4mA.實際測量時，由于測壓變送器的安裝或取壓方式不標準，測量起實際測量時，由于測壓變送器的安裝或取壓方式不標準，測量起點與信號起點不一致，因此需要對差壓變送器的零點進行遷移點與信號起點不一致，因此需要對差壓變送器的零點進行遷移。1無遷移：無遷移：gpHgHp116.2

9、 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法二二. .量程遷移量程遷移2負遷移：負遷移：形成原因：形成原因：加隔離罐加隔離罐或采用法蘭式測壓差?；虿捎梅ㄌm式測壓差。01211pgHghp0222pghp正負室壓力正負室壓力p p1 1、p p2 2分別為分別為負遷移示意圖負遷移示意圖126.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法ghghgHpp2221121ghhgHp2121當當H=0時時ghhp212負遷移的方法是在變送器的負遷移的方法是在變送器的電路中加上電路中加上的信號，則有的信號，則有H=0，P=0ghh212負遷移示意圖負遷移示意圖13法蘭式差壓變送器測量液位法蘭式差壓

10、變送器測量液位法蘭式差壓變送器測量液位法蘭式差壓變送器測量液位11法蘭式測量頭；法蘭式測量頭；22毛細管；毛細管；33變送器變送器 測量具有腐蝕性或含測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及黏度大、有結晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時，易凝固等液體液位時，避免引壓管線被腐蝕、避免引壓管線被腐蝕、被堵塞，在導壓管入口被堵塞，在導壓管入口處加處加隔離膜盒隔離膜盒2負遷移：負遷移：6.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法146.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法二二. .量程遷移量程遷移3正遷移：正遷移：變送器位置低于液面基準面。變送器位置低于液面基準面。)(hHgpghp遷移

11、量：遷移量：正遷移示意圖正遷移示意圖156.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法 某差壓變送器的測量范圍為某差壓變送器的測量范圍為05000Pa，壓差由，壓差由0變變化到化到5000Pa時，變送器的輸出將由時，變送器的輸出將由4mA變化到變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖中曲線這是無遷移的情況，如圖中曲線a所示。所示。當有遷移時，假設遷移引起的壓差固定為當有遷移時，假設遷移引起的壓差固定為2000Pa,H=0時，時， P= 2000Pa - 4mAH=HMax時，時， P=5000 2000=7000/3000 Pa- 20mA負遷移如曲線負遷移如曲線b所示，正遷移如曲線所示，

12、正遷移如曲線c所示。所示。 166.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法正負遷移示意圖正負遷移示意圖176.2 6.2 差壓式液位測量方法差壓式液位測量方法二二. .量程遷移量程遷移作用作用 ：改變變送器的零點。改變變送器的零點。遷移和調零遷移和調零 都是使變送器輸出的起始值與被測量都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點相對應，只不過零點調整量通常較小，而起始點相對應，只不過零點調整量通常較小，而零點遷移量則比較大。零點遷移量則比較大。 遷移遷移 同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。量范圍的平移，它不改變量程

13、的大小。遷移彈簧遷移彈簧18課堂練習課堂練習 用一臺法蘭式差壓變送器測量某容器液位，如下圖用一臺法蘭式差壓變送器測量某容器液位，如下圖所示，被測液位的變化范圍為所示，被測液位的變化范圍為 0-3m，被測介質密度為，被測介質密度為 =900kg/ m3 ,毛細管內工作介質密度為毛細管內工作介質密度為 0 = 950kg/ m3 。變送器的安裝尺寸變送器的安裝尺寸h1=1m,h2=4m。求變送器的測量范圍，。求變送器的測量范圍，并判定零點遷移方向，計算遷移量。并判定零點遷移方向，計算遷移量。19課堂練習課堂練習 解：不考慮遷移量時，變送器的測量范圍應根據液位解：不考慮遷移量時，變送器的測量范圍應根

14、據液位的最大變化量來計算的最大變化量來計算:kPaPagHp487.262648781. 99003max測量范圍可選擇測量范圍可選擇0-30kPa當液位高度為當液位高度為H時，差壓變送器正、負壓室所受壓力為時，差壓變送器正、負壓室所受壓力為p1 、p2 分別為分別為ghgHpp0101)(12002hhgpp20課堂練習課堂練習 差壓變送器所受的差壓為差壓變送器所受的差壓為ghgHppp0221H=0時，時，ghp02應進行負遷移，遷移量為應進行負遷移，遷移量為gh02216.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法226.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法6.3.1 測量原理測量原理

15、通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。種不同液體的分界面。 )/ln(2 0hdDLC時，分布電容：當hKhdDCdDhdDhLC)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2 0H11時，電容量：當236.3.2 測量導電液體的電容式液位計測量導電液體的電容式液位計結構結構 不銹鋼棒不銹鋼棒3-3-電極電極1 1， 導電液體和容器壁導電液體和容器壁-電極電極2 2 帶聚四氟乙烯絕緣套管帶聚四氟乙烯絕緣套管4-4-絕緣介質絕緣介質工作原理：工作原理：不銹鋼棒作為電容器的內電極；不銹鋼棒作為電容器的內電極；導電液體和容器壁構

16、成外電極；導電液體和容器壁構成外電極；電容與液體高度成正比。電容與液體高度成正比。6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法24)/ln(2 0H00dDLC 時，分布電容：當6.3.2 測量導電液體的電容式液位計測量導電液體的電容式液位計0：聚四氟乙烯套管和容器：聚四氟乙烯套管和容器內氣體的等效介電常數；內氣體的等效介電常數；D0：容器內徑；：容器內徑；d：金屬不銹鋼棒的直徑；：金屬不銹鋼棒的直徑；6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法25 0H時，電容量：當)/ln()(2)/ln(200dDHLdDHC000)/ln(2)/ln(2CHdDdDC)/ln(2)/ln(2100dD

17、dDK則0KCKCH令6.3.2 測量導電液體的電容式液位計測量導電液體的電容式液位計6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法262)/ln(dDK 則)/ln(21dDKS則靈敏度由上式可以看出，介電常數越大，聚四氟由上式可以看出，介電常數越大，聚四氟乙烯套管越薄，則液位計的靈敏度越高。乙烯套管越薄，則液位計的靈敏度越高。)/ln(2)/ln(2,0000dDdDdD若K近似為近似為6.3.2 測量導電液體的電容式液位計測量導電液體的電容式液位計6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法27結構：結構：兩根同軸裝配的電極組成：兩根同軸裝配的電極組成：不銹鋼棒不銹鋼棒-內電極內電極金屬套

18、筒（有小孔）金屬套筒（有小孔）-外電極外電極非導電液體和空氣為絕緣介質非導電液體和空氣為絕緣介質6.3.3 測量非導電液體的電容式液位計測量非導電液體的電容式液位計6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法28)/ln(2 0H00dDLC時，分布電容：當6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法0：空氣的介電常數；空氣的介電常數；D、d：分別為外電極的內分別為外電極的內徑和內電極的外徑。徑和內電極的外徑。6.3.3 測量非導電液體的電容式液位計測量非導電液體的電容式液位計29)/ln()(2)/ln(2 0H0dDHLdDHCH時，電容量：當HKHdDCCCH)/ln()(200可以看出

19、，電容的變化是高度的單值函數，兩介電?？梢钥闯?，電容的變化是高度的單值函數，兩介電常數之差越大，數之差越大，D/d越小，靈敏度越高。越小，靈敏度越高。為被測液體為被測液體的介電常數；的介電常數；6.3.3 測量非導電液體的電容式液位計測量非導電液體的電容式液位計6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法30例題例題如圖：用電容液位計測量一液體儲罐物料液位。已知儲罐的如圖：用電容液位計測量一液體儲罐物料液位。已知儲罐的內徑為內徑為4.2m,金屬內電極直徑為金屬內電極直徑為3mm,液位最低位置與最高位液位最低位置與最高位置相差置相差H=20m,罐內空氣含有一定量的瓦斯氣，其介電系數罐內空氣含有一

20、定量的瓦斯氣，其介電系數為為13.27510-12 F/m，液體介電系數為液體介電系數為39.82510-12 F/m，求，求液位計的零點遷移電容值和量程電容值。液位計的零點遷移電容值和量程電容值。6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法31解：解：)/ln(2dDLCpFdDLC3 .2304200/320 10 13.2752)/ln(2-12min當液面最低時，即罐內當液面最低時，即罐內L范圍內全部為瓦斯氣時：范圍內全部為瓦斯氣時：pFdDLC8 .6904200/320 10 39.8252)/ln(2-12max液pFCCCx5 .4603 .2308 .690maxmax當液面

21、最低時，即罐內當液面最低時，即罐內L范圍內全部為液體時：范圍內全部為液體時：所以儀表零點遷移電容值為所以儀表零點遷移電容值為230.3pF,量程為量程為450.5pF6.3 電容式液位測量方法電容式液位測量方法32電阻式液位計的原理是基于電阻式液位計的原理是基于液位變化液位變化引起電極間引起電極間電阻變化電阻變化，由電阻變化反映液位情況。，由電阻變化反映液位情況。電阻式液位計既可進行電阻式液位計既可進行定點液位定點液位控制，也可進行控制，也可進行連續(xù)測量連續(xù)測量。定點控制定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。電路的接通或斷

22、開，引發(fā)報警器報警。6.4電阻式液位測量方法電阻式液位測量方法33分分類類1、電接點液位計、電接點液位計根據液體與其蒸汽之間導電特性根據液體與其蒸汽之間導電特性（電阻值）的差異進行液位測量；（電阻值）的差異進行液位測量；2、熱電阻液位計、熱電阻液位計利用液體和蒸汽對熱敏材料傳熱利用液體和蒸汽對熱敏材料傳熱特性不同而引起熱敏電阻變化的特性不同而引起熱敏電阻變化的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。6.4電阻式液位測量方法電阻式液位測量方法346.4電阻式液位測量方法電阻式液位測量方法6.4.1電接點液位計電接點液位計應用：應用：鍋爐汽包、鍋爐汽包、太陽能熱水器太陽能熱水器等等結構：結構：測量筒測量筒二次顯示儀表二次顯示儀表（電接點、指（電接點、指示燈、電源）示燈、電源）356.4電阻式液位測量方法電阻式液位測量方法6.4.1電接點液位計電接點液位計鍋爐汽包：鍋爐汽包：水和蒸汽水和蒸汽：蒸汽的蒸汽的電阻率電阻率要要比水大數十萬倍，比水大數十萬倍，可認為可認為水為導體，水為導體，蒸汽為絕緣體蒸汽為絕緣體指示