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1、第第6章章 液位测量液位测量主要内容主要内容u概述概述u差压式液位测量法差压式液位测量法u电容式液位测量法电容式液位测量法u电阻式液位测量法电阻式液位测量法u 液位计选择液位计选择1第第6章章 液位测量液位测量物位物位: :统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义对应不同性质的物料又有以下的定义: :a a、液位液位指设备和容器中液体介质表面的高低。指设备和容器中液体介质表面的高低。b b、料位料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。物料的堆积高度。c
2、 c、界位界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液重度不同而形成分界面，为液- -液相界面；容器中互不相溶液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液的液体和固体之间的分界面，为液- -固相界面。固相界面。1.1.物位的定义：物位的定义：6.16.1概述概述22. 液位测量的目的液位测量的目的：1.正确测得容器中储藏物质的体积或重量。正确测得容器中储藏物质的体积或重量。2.监视容器内物位，对物位允许的上、下限发出报警。监视容器内物位，对物位允许的上、下限发出报警。3.连续地监视生产和进行调节，使物位保持在所
3、要求连续地监视生产和进行调节，使物位保持在所要求的高度。的高度。6.16.1概述概述3 按工作原理分类按工作原理分类（1）直读式液位测量法）直读式液位测量法 连通器原理，有玻璃管式、玻璃板；连通器原理，有玻璃管式、玻璃板；（2）沉浮式液位测量法）沉浮式液位测量法 浮力原理，有恒浮力式和变浮力式；浮力原理，有恒浮力式和变浮力式；（3）差压式液位测量法）差压式液位测量法 流体静力学原理；流体静力学原理；（4）电磁式液位测量法）电磁式液位测量法 将物位的变化转换为电量检测；将物位的变化转换为电量检测；（5）反射式液位测量法）反射式液位测量法 利用超声波、微波反射信号行程；利用超声波、微波反射信号行程
4、；（6）射线式液位测量法）射线式液位测量法 利用射线在被测介质中的吸收程度；利用射线在被测介质中的吸收程度；6.16.1概述概述3. 液位检测方法液位检测方法4（1）直读式液位测量法）直读式液位测量法 它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带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。有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。 下图所示的是下图所示的是玻璃管液位计。玻璃管液位计。6.1概述概述5原理：当浮标受力平衡时，浮标可以原理：当浮标受力平衡时，浮标可以随液面稳定：随液面稳定：式中式中 W W浮标的重力；浮标的重力； F F浮标所受的浮力；浮标所受的浮
5、力； G G平衡重物的重力；平衡重物的重力；GFW液位上升时，其上浮力液位上升时，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。因而实现了浮标对液位的跟踪。反之亦然。因而实现了浮标对液位的跟踪。 特点：简单直观，测量精度低。特点：简单直观，测量精度低。 误差原因：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。误差原因：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。浮标向上移动浮标向上移动,直达到直达到（2）沉浮式液位测量法）沉浮式液位测量法浮标式液位计浮标式液位计-恒浮力式恒浮力式6浮筒是一不锈钢空心浮筒是一不锈钢空心长圆柱体。浮筒的重长圆柱体。浮筒的重量大于同体积的液体量大于同体积的液体重量，使浮筒不能漂重量
6、，使浮筒不能漂浮在液面上。浮在液面上。图中：图中：1-1-浮筒；浮筒；2-2-弹簧；弹簧；3-3-差动变压器。差动变压器。（2）沉浮式液位测量法）沉浮式液位测量法浮筒式液位计浮筒式液位计-变浮力式变浮力式7第第6章章 液位测量液位测量浮筒式液位计浮筒式液位计用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力浮筒浮力及重力G平衡。即平衡。即式中式中: k弹簧刚度弹簧刚度(N/m)； x弹簧压缩量弹簧压缩量(m)； 液体密度液体密度(kgm3)； H浮筒浸入深度浮筒浸入深度(m)； A浮筒截面积浮筒截面积(m2)液位高度变化与弹簧变形量成
7、正比。液位高度变化与弹簧变形量成正比。GgAHkx86.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法一一. .基本原理基本原理 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程1. 1. 开口容器：开口容器：gpHgHppp0气相压力为大气压式，只需将差压变送器的负压室通大气气相压力为大气压式，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，在容器底部安装压力表。即可。若不需要远传信号，在容器底部安装压力表。96.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法一一. .基本原理基本原理2.2.闭口容器闭口容器ggHpHsss)(可见可见: :1.1.液位高度液位高度H H与差压与差压p p成正
8、比；成正比；2.2.密度对差压式液位测量有较密度对差压式液位测量有较大影响。大影响。)(HHggHpss106.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法二二. .量程迁移量程迁移差压变送器出厂时在标准测量条件下：差压变送器出厂时在标准测量条件下：液位液位H=0时，变送器的输入信号时，变送器的输入信号=0，输出信号为，输出信号为4mA.实际测量时，由于测压变送器的安装或取压方式不标准，测量起实际测量时，由于测压变送器的安装或取压方式不标准，测量起点与信号起点不一致，因此需要对差压变送器的零点进行迁移点与信号起点不一致，因此需要对差压变送器的零点进行迁移。1无迁移：无迁移：gpHgHp11
9、6.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法二二. .量程迁移量程迁移2负迁移：负迁移：形成原因：形成原因：加隔离罐加隔离罐或采用法兰式测压差。或采用法兰式测压差。01211pgHghp0222pghp正负室压力正负室压力p p1 1、p p2 2分别为分别为负迁移示意图负迁移示意图126.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法ghghgHpp2221121ghhgHp2121当当H=0时时ghhp212负迁移的方法是在变送器的负迁移的方法是在变送器的电路中加上电路中加上的信号，则有的信号，则有H=0，P=0ghh212负迁移示意图负迁移示意图13法兰式差压变送器测量液位法兰
10、式差压变送器测量液位法兰式差压变送器测量液位法兰式差压变送器测量液位11法兰式测量头；法兰式测量头；22毛细管；毛细管；33变送器变送器 测量具有腐蚀性或含测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时，易凝固等液体液位时，避免引压管线被腐蚀、避免引压管线被腐蚀、被堵塞，在导压管入口被堵塞，在导压管入口处加处加隔离膜盒隔离膜盒2负迁移：负迁移：6.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法146.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法二二. .量程迁移量程迁移3正迁移：正迁移：变送器位置低于液面基准面。变送器位置低于液面基准面。)(hHgpgh
11、p迁移量：迁移量：正迁移示意图正迁移示意图156.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法 某差压变送器的测量范围为某差压变送器的测量范围为05000Pa，压差由，压差由0变变化到化到5000Pa时，变送器的输出将由时，变送器的输出将由4mA变化到变化到20mA，这是无迁移的情况，如图中曲线这是无迁移的情况，如图中曲线a所示。所示。当有迁移时，假设迁移引起的压差固定为当有迁移时，假设迁移引起的压差固定为2000Pa,H=0时，时， P= 2000Pa - 4mAH=HMax时，时， P=5000 2000=7000/3000 Pa- 20mA负迁移如曲线负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线
12、所示，正迁移如曲线c所示。所示。 166.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法正负迁移示意图正负迁移示意图176.2 6.2 差压式液位测量方法差压式液位测量方法二二. .量程迁移量程迁移作用作用 ：改变变送器的零点。改变变送器的零点。迁移和调零迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。零点迁移量则比较大。 迁移迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。量范围的平移，它不改
13、变量程的大小。迁移弹簧迁移弹簧18课堂练习课堂练习 用一台法兰式差压变送器测量某容器液位，如下图用一台法兰式差压变送器测量某容器液位，如下图所示，被测液位的变化范围为所示，被测液位的变化范围为 0-3m，被测介质密度为，被测介质密度为 =900kg/ m3 ,毛细管内工作介质密度为毛细管内工作介质密度为 0 = 950kg/ m3 。变送器的安装尺寸变送器的安装尺寸h1=1m,h2=4m。求变送器的测量范围，。求变送器的测量范围，并判定零点迁移方向，计算迁移量。并判定零点迁移方向，计算迁移量。19课堂练习课堂练习 解：不考虑迁移量时，变送器的测量范围应根据液位解：不考虑迁移量时，变送器的测量范
14、围应根据液位的最大变化量来计算的最大变化量来计算:kPaPagHp487.262648781. 99003max测量范围可选择测量范围可选择0-30kPa当液位高度为当液位高度为H时，差压变送器正、负压室所受压力为时，差压变送器正、负压室所受压力为p1 、p2 分别为分别为ghgHpp0101)(12002hhgpp20课堂练习课堂练习 差压变送器所受的差压为差压变送器所受的差压为ghgHppp0221H=0时，时，ghp02应进行负迁移，迁移量为应进行负迁移，迁移量为gh02216.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法226.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法6.3.1 测量原理测
15、量原理通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。种不同液体的分界面。 )/ln(2 0hdDLC时，分布电容：当hKhdDCdDhdDhLC)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2 0H11时，电容量：当236.3.2 测量导电液体的电容式液位计测量导电液体的电容式液位计结构结构 不锈钢棒不锈钢棒3-3-电极电极1 1， 导电液体和容器壁导电液体和容器壁-电极电极2 2 带聚四氟乙烯绝缘套管带聚四氟乙烯绝缘套管4-4-绝缘介质绝缘介质工作原理：工作原理：不锈钢棒作为电容器的内电极；不锈钢棒作为电容器的内电极；导电液体和容
16、器壁构成外电极；导电液体和容器壁构成外电极；电容与液体高度成正比。电容与液体高度成正比。6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法24)/ln(2 0H00dDLC 时，分布电容：当6.3.2 测量导电液体的电容式液位计测量导电液体的电容式液位计0：聚四氟乙烯套管和容器：聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数；内气体的等效介电常数；D0：容器内径；：容器内径；d：金属不锈钢棒的直径；：金属不锈钢棒的直径；6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法25 0H时，电容量：当)/ln()(2)/ln(200dDHLdDHC000)/ln(2)/ln(2CHdDdDC)/ln(2)/ln(210
17、0dDdDK则0KCKCH令6.3.2 测量导电液体的电容式液位计测量导电液体的电容式液位计6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法262)/ln(dDK 则)/ln(21dDKS则灵敏度由上式可以看出，介电常数越大，聚四氟由上式可以看出，介电常数越大，聚四氟乙烯套管越薄，则液位计的灵敏度越高。乙烯套管越薄，则液位计的灵敏度越高。)/ln(2)/ln(2,0000dDdDdD若K近似为近似为6.3.2 测量导电液体的电容式液位计测量导电液体的电容式液位计6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法27结构：结构：两根同轴装配的电极组成：两根同轴装配的电极组成：不锈钢棒不锈钢棒-内电极内电极
18、金属套筒（有小孔）金属套筒（有小孔）-外电极外电极非导电液体和空气为绝缘介质非导电液体和空气为绝缘介质6.3.3 测量非导电液体的电容式液位计测量非导电液体的电容式液位计6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法28)/ln(2 0H00dDLC时，分布电容：当6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法0：空气的介电常数；空气的介电常数；D、d：分别为外电极的内分别为外电极的内径和内电极的外径。径和内电极的外径。6.3.3 测量非导电液体的电容式液位计测量非导电液体的电容式液位计29)/ln()(2)/ln(2 0H0dDHLdDHCH时，电容量：当HKHdDCCCH)/ln()(200可
19、以看出，电容的变化是高度的单值函数，两介电常可以看出，电容的变化是高度的单值函数，两介电常数之差越大，数之差越大，D/d越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。为被测液体为被测液体的介电常数；的介电常数；6.3.3 测量非导电液体的电容式液位计测量非导电液体的电容式液位计6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法30例题例题如图：用电容液位计测量一液体储罐物料液位。已知储罐的如图：用电容液位计测量一液体储罐物料液位。已知储罐的内径为内径为4.2m,金属内电极直径为金属内电极直径为3mm,液位最低位置与最高位液位最低位置与最高位置相差置相差H=20m,罐内空气含有一定量的瓦斯气，其介电系数罐内空气
20、含有一定量的瓦斯气，其介电系数为为13.27510-12 F/m，液体介电系数为液体介电系数为39.82510-12 F/m，求，求液位计的零点迁移电容值和量程电容值。液位计的零点迁移电容值和量程电容值。6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法31解：解：)/ln(2dDLCpFdDLC3 .2304200/320 10 13.2752)/ln(2-12min当液面最低时，即罐内当液面最低时，即罐内L范围内全部为瓦斯气时：范围内全部为瓦斯气时：pFdDLC8 .6904200/320 10 39.8252)/ln(2-12max液pFCCCx5 .4603 .2308 .690maxmax
21、当液面最低时，即罐内当液面最低时，即罐内L范围内全部为液体时：范围内全部为液体时：所以仪表零点迁移电容值为所以仪表零点迁移电容值为230.3pF,量程为量程为450.5pF6.3 电容式液位测量方法电容式液位测量方法32电阻式液位计的原理是基于电阻式液位计的原理是基于液位变化液位变化引起电极间引起电极间电阻变化电阻变化，由电阻变化反映液位情况。，由电阻变化反映液位情况。电阻式液位计既可进行电阻式液位计既可进行定点液位定点液位控制，也可进行控制，也可进行连续测量连续测量。定点控制定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起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。电路的接
22、通或断开，引发报警器报警。6.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法33分分类类1、电接点液位计、电接点液位计根据液体与其蒸汽之间导电特性根据液体与其蒸汽之间导电特性（电阻值）的差异进行液位测量；（电阻值）的差异进行液位测量；2、热电阻液位计、热电阻液位计利用液体和蒸汽对热敏材料传热利用液体和蒸汽对热敏材料传热特性不同而引起热敏电阻变化的特性不同而引起热敏电阻变化的现象。现象。6.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法346.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法6.4.1电接点液位计电接点液位计应用：应用：锅炉汽包、锅炉汽包、太阳能热水器太阳能热水器等等结构：结构：测量筒测量筒二次显示仪表二
23、次显示仪表（电接点、指（电接点、指示灯、电源）示灯、电源）356.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法6.4.1电接点液位计电接点液位计锅炉汽包：锅炉汽包：水和蒸汽水和蒸汽：蒸汽的蒸汽的电阻率电阻率要要比水大数十万倍，比水大数十万倍，可认为可认为水为导体，水为导体，蒸汽为绝缘体蒸汽为绝缘体指示灯明暗的分界点指示灯明暗的分界点-液位高低液位高低366.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法显示方式分类：显示方式分类：u电接点氖灯液位计电接点氖灯液位计u电接点双色液位计电接点双色液位计u数字式电接点液位计数字式电接点液位计6.4.1 电接点液位计电接点液位计特点：特点：u无法连续测量无法连续测量
24、u测量筒温度低于被测测量筒温度低于被测设备内温度而产生密度设备内温度而产生密度差差-测量误差测量误差376.4.2 热电阻液位计热电阻液位计1、原理：、原理：利用通电的利用通电的金属丝（热金属丝（热丝）丝）与与液、汽液、汽之间之间传热传热系数系数的不同及其电阻值的不同及其电阻值随温度变化的特点进行随温度变化的特点进行液位测量。液位测量。一般情况下，液体的传一般情况下，液体的传热系数要比蒸汽的传热热系数要比蒸汽的传热系数大系数大1-2个数量级。个数量级。6.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法382、定点式电阻液位计、定点式电阻液位计报警原理报警原理:热电阻丝热电阻丝1置于置于A处，处，液位高度液位高度HHR0, 灯亮灯亮HA时，时， RSR0, 灯暗灯暗6.4电阻式液位测量方法电阻式液位测量方法6.4.2 热电阻液位计热电阻液位计根据灯泡的亮度就可以判断液位是否低于了设定高度；根据灯泡的亮度就可以判断液位是否低于了设定高度；396.4 液位计的选择液位计的选择选择要考虑的方面选择要考虑的方面1、仪表特性、仪表特性测量范围、精度、工作可靠性。测量范围、精度、工作可靠性。2、工作环境、工作环境被测对象的要求、液位计的安装。被测对象的要求、液位计的安装。3、输出方式、输出方式是否连续测量、信号传递和显示。是否连续测量、信号传递和显示。40课后作业课后作业6-1、6-2、6-341