第9章液位检测仪表

第9章液位检测仪表
1、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。
1.5 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。
1. 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。
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
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
1.3.4 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
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4～20mA标准 信号输出，即完成变换过程。
1.5.2 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。
1.6 超声波法 超声波液位计利用波在介质中的传播 特性。
量程迁移实例
kg / m • 例如：已知 1 1200
3
2 950kg / m3
Lm 0 3.0m
h1 1.0m
h2 5.0m
• 液位高度变化形成的差压值为：
1 gH 1200 9.8 3 35280 Pa
• 所以可选择差压变送器量程为 40kPa
B (h2 h1 ) 2 g (5 1) 950 9.8 37240 Pa
(a)气介式
(b) 液介式 单探头超声波液位计
(c)固介式
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Δt ，则： 1 L C t 2
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。


(2)安装形式 为用来测量导电介质的 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。
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”。 量程迁移 无迁移 h 量程 迁移 负迁移
H
正迁移
无迁移
保证正压室与零液位等高
P 1 gH
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。
负迁移
形成原因：加隔离罐或采 用法兰式测压差。
3. 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。
1.5.1 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。
1.3.1 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
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
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。
正压室：
P P0 1 gH 2 gh1
负压室：
P P0 2 gh2
差压：
P P P 1gH 2 g (h2 h1 ) 1gH B
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。
• 所以负迁 移量为 37.240kPa ， 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-37.24~2.76h1 g H1g p0
负压室：
P p0
压差： 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。
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。
法兰式压力（差压）变送器
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 在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。
P H g
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，影响 测量精度，应用法兰式压力（差 压）变送器。
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
2 2 2 H h H h K 1 K 2 h R A A A
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。
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、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。
由于
雷达式液位计示意图
t 2H 0 c
故
H L H0
H L
c t 2
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。
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
2.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。
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、下液位的报警 与控制。图中：1、3-上下限线圈； 2-浮子