20余種液位測(cè)量方法分析比較

1、20余種液位測(cè)量方法分析比較物位包括液位和料位兩類； 液位又包括液位信號(hào)器和連續(xù)液位測(cè)量?jī)煞N；液位信號(hào)器是對(duì)幾個(gè)固定位置的液位進(jìn)行測(cè)量，用于液位的上、 下限報(bào)警等； 連續(xù)液位測(cè)量是對(duì)液位連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、食品加工等諸多領(lǐng)域，具有特別重要的意義；文中對(duì)20余種連續(xù)液位測(cè)量方法進(jìn)行比較分析；1、玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法玻璃管法：該方法利用連通器原理工作，如圖1 1所示 1；圖中 1被測(cè)容器； 2玻璃管； 3指示標(biāo)度尺； 4、5閥； 6、7連通管；液位直接從指示標(biāo)度尺讀出；玻璃板法：玻璃板可通過(guò)連通器安裝，也可在容器壁上開(kāi)孔安裝，并可串聯(lián)幾段玻璃板以增大量程

2、；液位數(shù)值直接從玻璃板刻度尺讀出；雙色水位計(jì)法：該方法利用光學(xué)原理，使水顯示綠色，而使水蒸汽顯示紅色，從而指示出水位2；人工檢尺法：該方法用于測(cè)量油罐液位；測(cè)量時(shí)，測(cè)量員把量油尺1 / 14 下載文檔可編輯投入油品中， 并在尺砣與罐底接觸時(shí)提起量油尺；依據(jù)量油尺上的油品痕跡，讀出油面高度； 依據(jù)量油尺末端試水膏顏色的變化確定水墊層的高度，從而確定油高和水高3；以上4種方法都是人工測(cè)量方法，具有測(cè)量簡(jiǎn)潔、牢靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)；2、吹氣法、差壓法、 htg法吹氣法：該方法的工作原理如圖2 1所示 4；圖中， 1過(guò)濾器； 2減壓閥； 3節(jié)流元件； 4轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 5變送器；因吹氣管內(nèi)壓力近似

3、等于液柱的靜壓力，故p gh式中，液體密度； h液位；故由靜壓力p 即可測(cè)量液位h；吹氣法適用于測(cè)量腐蝕性強(qiáng)、 有懸濁物的液體， 主要應(yīng)用在測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合；差壓法：該方法的工作原理如圖2-2 所示4；圖中， 1、2- 閥門；2 / 14 下載文檔可編輯3- 差壓變送器；對(duì)于開(kāi)口容器或常壓容器，閥門1及氣相引壓管道可以省掉；壓力差與液位的關(guān)系為p p2p1 gh式中：p變送器正、 負(fù)壓室壓力差； p2、p1引壓管壓力； h液位；差壓變送器將壓力差變換為420 ma 的直流信號(hào)；假如壓力處于測(cè)量 范疇下限時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)大于或小于4 ma，就都需要采納調(diào)整遷移彈簧等零點(diǎn)遷移技術(shù)，使之等于4

4、 ma ；htg法：該方法應(yīng)用于油罐差壓液位測(cè)量中，如圖23所示；圖中： p1、p2、p3高精度壓力傳感器； rtd溫度檢測(cè)元件； hiu接口單元； p1位于罐底鄰近的罐殼處， p2比 p1高8英尺， p3位于罐頂鄰近的罐殼3 / 14 下載文檔可編輯處；對(duì)于常壓油罐，壓力傳感器p3可以省去；設(shè)壓力傳感器p1、p2、p3測(cè)得的壓力分別為p1、p2、p3，就式中： g油品重量； sav油罐平均截面積； av介于壓力傳感器p1、p2之間油品平均密度； g 是重力加速度； h是壓力傳感器 p1、p2之間的距離； h 是油品高度； h0是壓力傳感器p1的高度； rtd用于測(cè)量油品溫度，以對(duì)測(cè)量數(shù)值進(jìn)行

5、溫度補(bǔ)償；htg測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格較低，但液位測(cè)量精度較低，安裝須在罐壁開(kāi)孔；以上3種方法都是利用液體的壓力差來(lái)測(cè)量液位的；3、浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法浮子法： 該方法采納浮子作為液位測(cè)量元件，并驅(qū)動(dòng)編碼盤或編碼帶等顯示裝置，或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)量信號(hào)；4 / 14 下載文檔可編輯浮筒法：該方法采納中間帶孔的磁浮筒作為液位敏銳元件，如圖3 1所示；不銹鋼套管從浮筒中間孔穿過(guò)，固定在罐頂和罐底之間；液位變化帶動(dòng)空心磁浮筒（內(nèi)藏永久磁鐵）沿套管上下移動(dòng)，并吸引套管內(nèi)的磁鐵沿套管內(nèi)壁上下移動(dòng)，二次外表依據(jù)磁鐵的移動(dòng)量運(yùn)算出液位；浮球法：該方法利用杠桿原理工作，如圖3 2所示 4；

6、圖中： 1浮球； 2連桿； 3轉(zhuǎn)軸； 4平穩(wěn)重； 5杠桿；浮球跟隨液位變化而繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)， 帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的指針轉(zhuǎn)動(dòng)， 并與杠桿另一端的平穩(wěn)重平穩(wěn)，同時(shí)在刻度盤上指示出液位數(shù)值；浮球法有內(nèi)浮球式和外浮球式兩種， 如圖32所示；浮球法主要用于測(cè)量溫度高、粘度大的液位，但量程較 ?。凰欧ǎ涸摲椒ú杉{波動(dòng)積分電路，排除抖動(dòng)、延長(zhǎng)壽命、提高液位測(cè)量精度；現(xiàn)代伺服液位儀的測(cè)量精度較高，已達(dá)到40 m量程內(nèi)小于 1 mm的精度，且一般都具有測(cè)量密度分布和平均密度的功能；5 / 14 下載文檔可編輯沉筒法： 沉筒的位置隨著液位的變化而變化，但其變化量并不與液位變化量相等；在圖 3 3a 中 4，液位與浮筒位置的

7、關(guān)系如下：上式中： h液位變化量； c彈簧的彈性系數(shù)； a沉筒截面積； 液體密度； x沉筒位置變化量；通常情形下，浮筒位置變化量x 遠(yuǎn)小于液位變化量h；圖33b 是扭力管式沉筒法原理4，圖中： 1沉筒； 2杠桿； 3扭力管； 4芯軸； 5外殼；沉筒位置隨液位變化而變化，在杠桿的作用下，扭力管芯軸的扭角發(fā)生變化，二次外表根 據(jù)扭角的變化量運(yùn)算出液位；以上5種方法都是利用浮力原理來(lái)工作的；4、電容法、電阻法、電感法電容法：用于測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容法原理如圖41所示 4；圖6 / 14 下載文檔可編輯41中，電容由兩塊同心的圓柱面極板組成，其電容量ch為上式中： 1被測(cè)液體的相對(duì)介電常數(shù)；2氣相介質(zhì)

8、的相對(duì)介電常 數(shù)；h電容傳感器浸入液體的深度（m）；l 電容傳感器垂直高度 （ m）； r內(nèi)極板圓柱底面半徑（m）；r 外極板圓柱底面半徑（m）；由于 r、 r 、l等都是固定值， 只要利用 1、2、ch就能運(yùn)算出液位h；圖42 是用于測(cè)量導(dǎo)電液體的電容法原理4，其公式推導(dǎo)略；電容式液位儀 價(jià)格較低，安裝簡(jiǎn)潔，且可以應(yīng)用于高溫、高壓的場(chǎng)合；但電容液位儀測(cè)量重復(fù)精度較低，需定期修理和重新標(biāo)定，工作壽命也不是很長(zhǎng)；7 / 14 下載文檔可編輯電阻法：該方法 5特殊適用于導(dǎo)電液體的測(cè)量，敏銳器件具有電阻特性，其電阻值隨液位的變化而變化，故將電阻變化值傳送給二次電路即得到液位； 探針式利用跟蹤測(cè)量法來(lái)

9、測(cè)量液位，以液位上升的情形為例來(lái)說(shuō)明液位測(cè)量原理，當(dāng)液位上升時(shí)，提起探針完全脫離液體，然后 緩慢降低探針查找液面，就探針與液體剛接觸時(shí)的位置即與液位相對(duì)應(yīng)；探針式的特點(diǎn)是測(cè)量精度很高、掌握電路復(fù)雜；電感法：該方法 5適用于導(dǎo)電液體的液位測(cè)量，特殊是液態(tài)金屬；電感法的原理是，液位變化使得電感元件的自感、互感或?qū)Т怕拾l(fā) 生變化， 故將該變化量送往二次電路即可得到相應(yīng)的液位數(shù)值；電感法應(yīng)用最為廣泛的是高頻液位計(jì)；該液位計(jì)的測(cè)量原理是， 頻率調(diào)制信號(hào)通過(guò)射頻電纜耦合到傳輸線傳感器諧振回路，諧振回路的輸出電壓經(jīng)過(guò)檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然后依據(jù)低通濾波器的輸出電壓掌握調(diào)諧電路， 產(chǎn)生新的振蕩

10、頻率， 直到傳感器諧振電路處于完全諧振狀態(tài)為止， 就此時(shí)的振蕩頻率即與傳感器的電感量相對(duì)應(yīng)，從而與液位相對(duì)應(yīng)；以上3種方法都是利用液位傳感器的電參數(shù)產(chǎn)生變化的方法來(lái)測(cè)量液位的；5、磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法磁致伸縮法：該方法用于測(cè)量油罐液位的原理如圖5 1所示 6；圖5 1中有兩個(gè)浮子， 分別用來(lái)檢測(cè)油氣界面和油水界面；各浮子內(nèi)都8 / 14 下載文檔可編輯藏有一組永久磁鐵，用來(lái)產(chǎn)生固定磁場(chǎng)；測(cè)量時(shí)，液位計(jì)頭部發(fā)出低電流“詢問(wèn)”脈沖， 該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿波導(dǎo)管向下傳導(dǎo)；當(dāng)電流磁場(chǎng)與浮子磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生“返回”脈沖（也稱“波導(dǎo)扭曲”脈沖）；詢問(wèn)脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差即對(duì)應(yīng)油水

11、界面和油氣界面的高度；磁致伸縮液位計(jì)安裝簡(jiǎn)潔， 測(cè)量精度很高， 但液體密度變化和溫度變化會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差 7，浮子沿著波導(dǎo)管外的護(hù)導(dǎo)管上下移動(dòng)，簡(jiǎn)潔被卡死；超聲波法：換能器將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；超聲波是機(jī)械波， 傳播衰減小，界面反射信號(hào)強(qiáng)，且發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)潔，因而應(yīng)用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測(cè)量精度較低；微波法：微波通過(guò)天線（大多為口徑天線，也有平面天線）輻射出 去，經(jīng)液面反射后被天線接收， 然后由二次電路運(yùn)算發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差得液位； 連續(xù)波雷達(dá)液位儀原理如圖52所示，該液位儀

12、采 用三角波頻率調(diào)制形式， 并通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)混頻后得到的差額信號(hào)的分析，得到微波傳輸時(shí)間，從而運(yùn)算出液位；微波速度受傳播 介質(zhì)、溫度、壓力、液體介電常數(shù)的影響很小，但液體界面的波動(dòng)、液 體表面的泡沫、液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波反射信號(hào)強(qiáng)弱有很大影響； 當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定數(shù)值時(shí)， 壓力對(duì)液位測(cè)量精度將產(chǎn)生顯著影響；對(duì)于介9 / 14 下載文檔可編輯電常數(shù)小于規(guī)定數(shù)值的液體，大部分雷達(dá)液位儀都需要采納波導(dǎo)管，但波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾斜都會(huì)影響測(cè)量精度；例如：當(dāng)空高 h 為20 m，導(dǎo)波管與垂直方向傾斜角度 只要超過(guò) 0573°，就引起的液位誤差 h將超過(guò) 1 mm，由此證明，在傾斜角

13、度 （單位為度）較小時(shí)，h滿意：雷達(dá)液位儀特殊適合于高污染度或高粘度的產(chǎn)品，如瀝青等； 雷達(dá)液位儀測(cè)量的重復(fù)精度較高，無(wú)須定期修理和重新標(biāo)定，測(cè)量精度也較高， 但價(jià)格較高，測(cè)量油水界面困難；調(diào)制型光學(xué)法與微波法類似， 只是采納相位或頻率調(diào)制的光信號(hào)代替微波信號(hào)；圖 53是一種激光雷達(dá)液位儀原理圖8；但光信號(hào)受水蒸汽、油蒸汽影響較大，并對(duì)液面波動(dòng)很敏銳，且必需采納易受污染的 光學(xué)鏡頭；10 / 14 下載文檔可編輯以上3種方法都是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)傳播的時(shí)間來(lái)確定液位的；設(shè)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差為t ，就空高 hvt 2，v 為波的傳播速度；6、磁翻板法、振動(dòng)法、核輻射法、光纖傳感器法磁翻板法原理

14、如圖 61a 所示 1，1翻板指示組件； 2浮子； 3連通管組件； 4調(diào)整螺釘； 5放泄塞；浮子裝有一組永久磁鐵， 隨液位變化而上下移動(dòng)， 通過(guò)磁耦合作用帶動(dòng)磁翻板組件翻轉(zhuǎn)；當(dāng)液位上升時(shí)，磁翻板的紅色面朝外；液位下降時(shí)，白色面朝外；故依據(jù)磁翻 板的顏色即可確定液位；浮子內(nèi)磁鐵與磁翻板磁性結(jié)構(gòu)如圖6 1b 所示5，每片翻板間的距離為 10 mm；采納幾臺(tái)磁翻板裝置串聯(lián)可增大量程；11 / 14 下載文檔可編輯振動(dòng)法的原理如圖 62所示 9；振動(dòng)液位儀由導(dǎo)軌、測(cè)試架、激錘、振動(dòng)傳感器、伺服機(jī)構(gòu)等組成；伺服機(jī)構(gòu)掌握振錘上下爬動(dòng)并激振，激 振后的自由振動(dòng)被振動(dòng)傳感器檢測(cè)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng) fet變換后得到

15、最大功率處的頻率， 最終由空罐時(shí)固有頻率液位關(guān)系得到液位；這種液位測(cè)量方法需要激錘、伺服機(jī)構(gòu)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，其工作壽命不是很長(zhǎng)， 須定期修理和重新標(biāo)定，安裝也較復(fù)雜；輻射法：放射性同位素在衰變過(guò)程中會(huì)輻射射線，常見(jiàn)的射線有 、 射線；其中，射線的穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，故在核輻射液位測(cè)量中廣泛采納；試驗(yàn)證明，穿過(guò)物質(zhì)前后 射線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，并滿意以下關(guān)系 512 / 14 下載文檔可編輯上式中： j0穿過(guò)物質(zhì)前的強(qiáng)度； j穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度；物質(zhì)對(duì) 射線的衰減特性； d物質(zhì)的厚度；核輻射式液位儀由放射源、探測(cè)器及處理電路組成；放射源大都采納鈷60或銫 137；探測(cè)器有電離室、記數(shù)管、閃耀計(jì)數(shù)器等幾種， 其作用是探測(cè)射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度；核輻射液位儀采納非接觸式安裝，如圖63所示；圖 63a 采納點(diǎn)式放射源、探測(cè)器， 測(cè)量范疇較??； 圖63b 采納點(diǎn)式放射源、 線狀探測(cè)器， 測(cè)量范疇較大；圖 63c 采納線狀放射源、探測(cè)器，測(cè)量范疇最大；除 射線外，中子射線也可用來(lái)測(cè)量液位；中子射線的穿透才能極強(qiáng)，比 射線強(qiáng) 10倍以上，可穿透壁厚達(dá)9英寸的鋼質(zhì)容器 10；射線液位儀安裝便利，測(cè)量精度能滿意大罐測(cè)量的需要，有肯定的應(yīng)用場(chǎng)合；光纖傳感法：文獻(xiàn) 11提出了一種光纖液位傳感器，當(dāng)液位變化時(shí)， 壓力傳感器的敏銳