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1、液位测量原理及其方法液位测量原理及其方法第1页，本讲稿共36页液位测量必要性液位测量必要性l在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。l在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。l例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油“冒顶”事故；油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响后序设备的生产和安全；l电脱水器中油水界面高了会破坏电场低了会使放水中带油，影响生产。2第2页，本讲稿共
2、36页物位的基本概念物位的基本概念l物位物位指容器中的液体介质的液位、固体的指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称。面的总称。l液位液位容器中的液体介质的高低容器中的液体介质的高低l料位料位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度容器中固体或颗粒状物质的堆积高度l界位界位两种不溶液体介质的分界面的高低两种不溶液体介质的分界面的高低3第3页，本讲稿共36页检测方法的分类检测方法的分类l按测量方式可以分为连续测量连续测量和定点测量。定点测量。l按其工作原理可分为下列几种类型：(1)直读式直读式 它根据流体的连通性原理来测量液
3、位。(2)浮力式浮力式 它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。(3)差压式（静压式）差压式（静压式）它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。(4)电气式电气式 它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。(5)核辐射式核辐射式 它根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理来测量液位。(6)声学式声学式 它根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化来测量物位4第4页，本讲稿共36页直接测量法直接测量是一种最为简单、直观的测
4、量方法，它是利用连通器的原理，将容器利用连通器的原理，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。玻璃管液位计。5第5页，本讲稿共36页人工检尺液位测量人工检尺液位测量 l人工检尺液位测量是对各种储罐内的液体进行体积和质量测定的种基本方法。l具有操作简单、计量准确、无须辅助设备的特点，仍是目前各油田原油集输过程中的一种主要计量方法。l检尺测量时，先对罐内液位高度进行测定，再根据罐的横截面积或大罐容积表，计算罐内液体体积和质量。l检尺测量的工具是钢卷尺，其下端带有铜质重锤。为方便量油操作，在罐顶设有量油口。量油口下装有量油管，管
5、子底端钻有孔眼与液体连通。设置量油管的目的是为了减小罐内液面波动对量油的影响。6第6页，本讲稿共36页磁翻转液位计磁翻转液位计 l磁翻转液位计结构牢固、工作可靠、显示醒目。l由于被测液体被完全密封，使用磁耦合传动，因而可以测量高温、高压及不透明的粘性液体，如原油、污水等。l缺点是经长期使用后，磁钢磁性退化，翻板轴磨损易造成指示错误故应定期检查与校正。7第7页，本讲稿共36页浮力法 浮力法测液位是依据力平衡原理浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上
6、下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。8第8页，本讲稿共36页钢带浮子式液位计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。9第9页，本讲稿共36页浮筒式液位计 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。液位高度变化与弹簧变形量成正比。液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。图中：1-浮筒；2-弹簧；3-
7、差动变压器。10第10页，本讲稿共36页静压式液位计静压式液位计 依据液体重量所产生的压力进行测量。依据液体重量所产生的压力进行测量。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。11第11页，本讲稿共36页多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度度 。其关系为其关系为式中式中 P P测压仪表指示值测压仪表指示值 H H液位的高度液位的高度液体的密度液体的
8、密度g g重力加速度重力加速度 压力表测量液位原理 敞口容器敞口容器12第12页，本讲稿共36页式中式中 P P0 0、P P+分别是液面上部介质压力和液面以下分别是液面上部介质压力和液面以下H H深度的液体压力。深度的液体压力。测测量量容容器器底底部部压压力力，除除与与液液面面高高度度有有关关外外，还还与与液液面面上上部部介介 质压力有关，其关系为质压力有关，其关系为密闭容器密闭容器13第13页，本讲稿共36页零点迁移零点迁移（1）压力表安装位置与容器底部不在同一高度（2）导压管存在液柱无迁移无迁移特征：差压变送器的正压室取压口正好与特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（容器的
9、最低液位（Hmin=0Hmin=0）处于同一水平）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压位置。作用于变送器正、负压室的差压PP与液位高度与液位高度H H的关系为的关系为P=HgP=Hg。当当H=0H=0时，正负压室的差压时，正负压室的差压P=0P=0，变送，变送 器输出信号为器输出信号为4mA4mA当当H=HmaxH=Hmax时，差压时，差压Pmax=gHmaxPmax=gHmax，变送器的输出信号为变送器的输出信号为20 mA20 mA，14第14页，本讲稿共36页负迁移负迁移 差压变送器的正、负压室的压力分别为差压变送器的正、负压室的压力分别为 正、负压室的压差为正、负压室的压差为
10、当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P=-P=-（h h2 2-h-h1 1）2 2g0g0，从而使变送器在H=0时输出电流大于4 mA；H=Hmax时，输出电流大于20 mA。16第16页，本讲稿共36页（a）无迁移 （b）负迁移 （c）正迁移0500042020007000P(Pa)-20003000I0(mA)固定差压 =2000Pa某压力变送器的测量范围：05000Pa，17第17页，本讲稿共36页迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用 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。迁移迁移 同时改变了测
11、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。18第18页，本讲稿共36页法兰式差压变送器测量液位示意图1法兰式测量头；2毛细管；3变送器 单法法兰式式 双法双法兰式式 法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器按其结构形式按其结构形式按其结构形式按其结构形式 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位19第19页，本讲稿共36页例例1如下图所示是双法兰式差压变送器测量密闭容器中如下图所示是双
12、法兰式差压变送器测量密闭容器中有有结结晶液体的液位，已知被晶液体的液位，已知被测测液体的密度液体的密度=1200kg/m3，液位液位变变化范化范围为围为H为为0950mm，变变送器的正、送器的正、负压负压法法兰兰中心中心线线距离距离H0=1800mm，变变送器毛送器毛细细管硅油密度管硅油密度1=950kg/m3，试试确定确定变变送器的量程送器的量程和迁移量。和迁移量。根据差压变送器的量程系列，可选16kPa的量程。差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为16.758kPa。解：液位的变化范围为0950mm时，差压的变化量为当H=0时20第20页，本讲稿共36页例例2 2：有两种密度分别为：有两种密
13、度分别为1=0.8g/cm31=0.8g/cm3，2=1.1g/cm32=1.1g/cm3的液体置于闭口容器中，它们的界的液体置于闭口容器中，它们的界面经常发生变化。试考虑能否利用差压变送器来连续测量其界面，若可以利用差面经常发生变化。试考虑能否利用差压变送器来连续测量其界面，若可以利用差压变送器来测量，试问：压变送器来测量，试问：（1 1）仪表的量程如何选择；）仪表的量程如何选择；（2 2）迁移量是多少？）迁移量是多少？解：可以利用差压变送器来连续测量其界面，如右图。因2密度比较高，所以用采用法兰液面计测量1、2的界位。液位计毛细管内充有硅油，其密度为=0.95g/cm3。（1）仪表的量程是
14、指当界位由最低升到最高时，液面计上所增加的压力。故量程为（2）当界面最低时，仪表正、负室压的压力+、-分别为 21第21页，本讲稿共36页所以仪表的迁移量 22第22页，本讲稿共36页超声波法超声波液位计利用波在介质中的传播特性。超声波液位计利用波在介质中的传播特性。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。23第23页，本讲稿共36页分类分类 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探头方式自发自收的单探头方式和收发分
15、开的双探头方式收发分开的双探头方式。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。(a)气介式 (b)液介式 (c)固介式单探头超声波液位计 24第24页，本讲稿共36页超声波液位测量超声波液位测量有许多优点：l与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；l超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；l不仅可进行连续测量和定点测量，还能方
16、便地提供遥测或遥控信号；l能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。25第25页，本讲稿共36页超声波液位测量超声波液位测量也有缺点：l超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；l当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；l有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。26第26页，本讲稿共36页电学法 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。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，
17、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。27第27页，本讲稿共36页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降到一定位置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。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。28第28页，本讲稿共36页 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
18、 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。连续测量的电阻式液位计原理图。1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥29第29页，本讲稿共36页电感式液位计 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。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。传感器由不导磁管子不导磁管子、导磁性浮子导磁性浮子及线圈线圈组成。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
19、，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 30第30页，本讲稿共36页电容式液位计 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，有平极板式平极板式、同心圆柱式同心圆柱式等等。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。31第31页，本讲稿共36页检测原理检测原理
20、 在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如右图。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 极板相互重叠的长度(m)。液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器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，这就是电容式液位计的检测原理。的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。图中：1-内电极；2-外电极。32第32页，本讲稿共36页磁电法 利用磁电转换原理磁电转换原理进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出的新产品。磁致伸缩液位计原理图 33第33页，本讲稿共36页常用油罐液位计的性能特点及选用常用油罐液位计的性能特
21、点及选用 l中间罐仅对液位、温度和压力（带压储罐）等参数进行监测，以防止油罐发生冒顶、抽真空等事故，并不需要交接监控计量；l对贸易罐内介质的液位、温度、密度、体积、质量则必须经常监测和计量，且精度要求很高。34第34页，本讲稿共36页几种常见液位计性能比较几种常见液位计性能比较 液位计液位测量温度测量密度测量界位测量体积测量质量测量安装情况价格费用钢带误差小重要无法测量无法误差小取决于温度、密度复杂低伺服精度高重要误差大误差小误差小取决于温度、密度简单比较高雷达精度高重要无法测量无法误差小精度高简单高静压误差小不重要误差小无法误差大取决于温度、密度复杂比较高磁致精度高重要无法测量精度高误差小取决于温度、密度复杂高声波精度高不重要无法测量无法误差小取决于温度、密度复杂高35第35页，本讲稿共36页液位计对不同介质的适用情况液位计对不同介质的适用情况 液位计 轻油原油重油沥青液化气 腐蚀性介质浮子钢带好好好差差差伺服好好一般差好差雷达好好好好好好静压好好一般差一般好磁致好好好差好好声波好好好好好好36第36页，本讲稿共36页