第5章物位测量5.1概述物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。如液体介质液面的高低称为液位：液体-液体或液体-固体的分界面称为界位：固体粉未或颗粒状物质的堆积高度称为料位。液位、界位及料位的测量统称为物位测量。物位测量的目的在于正确地测知容器或设备中储藏物质的容量或质量。它不仅是现代化工业生产过程中生产规模大、反应速度快，常会遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性或粘性较大等多种情况，对于物位的自动检测和控制更是至关重要。液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即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。测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。为了满足生产过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很多，测量方法也各不相同，本篇将对常用的测量方法及典型的物位计进行介绍。5.1.1直读式液位计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。下图所示的是玻璃管液位计。5.1.2压力法压力法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。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：H=Ppg式中，p一一被测液体的密度(kg/m）。下面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)吹气式液位计对手密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中需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
第 5 章 物位测量 5.1 概述 物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。如液体介质液面的高低称为液 位；液体-液体或液体-固体的分界面称为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。 液位、界位及料位的测量统称为物位测量。 物位测量的目的在于正确地测知容器或设备中储藏物质的容量或质量。它不仅是现代 化工业生产过程中生产规模大、反应速度快，常会遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性或 粘性较大等多种情况，对于物位的自动检测和控制更是至关重要。 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样， 因而往往采用间接测量，即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。 测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界 位计及料位计。为了满足生产过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很多， 测量方法也各不相同，本篇将对常用的测量方法及典型的物位计进行介绍。 5.1.1 直读式液位计 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。下图所示的是玻璃管液位计。 5.1.2 压力法 压力法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。 对常压开口容器，液位高度 H 与液体静压力 P 之间有如下关系: 式中，ρ——被测液体的密度(kg/m3 )。 下面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，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在 测量过程中需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
一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为P2，被测液体密度为P1，一般都使p1>P2，由图得压力平衡方程：P =Pig(H +h)+PP, = P2gh, +P则：△P=P -P, = PigH + Pigh, - Pzgh, = PigH -Z.Pi、P,一一引入变送器正压室和负压室的压力(Pa)：H一一液位高度(m);hi、hz——容器底面和工作液面距变送器高度(m)。这里Z=pagha-Pigh即称为零点迁移量，它与差压计安装情况有关。一般的差压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使Z。0，这时差压计的读数直接反映液面高度H。5.1.3电学法电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，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。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。图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R-22(1-h)-26H-2h=K,-K,hAAA
一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为ρ2，被测液体密度为 p1，一般都使ρ1> ρ2，由图得压力平衡方程: 则: P1、P2 —— 引入变送器正压室和负压室的压力(Pa)；H —— 液位高度(m); h1、h2 —— 容器底面和工作液面距变送器高度(m)。这里 Z0＝ρ2gh2-ρ1gh1即称为零点迁移 量，它与差压计安装情况有关。一般的差压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使 Z0 ＝0，这时差压计的读数直接反映液面高度 H。 5.1.3 电学法 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部 件，信号转换、传送方便，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。 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。 图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 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
式中H、h—一电阻棒全长及液位高度(m)：p—一电阻棒的电阻率（Q*m)：A一一电阻棒截面积(m)。该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K、K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。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。图为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-浮子区区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。依此原理还可进行其它形式的物位测量。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显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。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。(1)检测原理在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如图所示。同心圆柱式电容器的电容量：2元LC=-in(a)Td式中：D、d一外电极内径和内电极外径(m)；e一一极板间介质介电常数(F/m)：L一一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
式中 H、h——电阻棒全长及液位高度(m)； ρ——电阻棒的电阻率(Ω*m)； A——电阻棒截面积(m2 )。 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。 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。 图为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 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。依此原理还可进行 其它形式的物位测量。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。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。 (1)检测原理 在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如图所示。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)； ε——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
(2)安装形式在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。图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塘瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。图中：1-内电极2-绝缘套。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。以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极：在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，由于ε接近e。，个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。5.1.4超声波法超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气体传播到液体或固体中，或者-
(2)安装形式 在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别 。 图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 。图中： 1-内电极；2-绝缘套。 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。 以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容 器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装， 使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根 不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，由于ε接近ε0，一 个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为 两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。 5.1.4 超声波法 超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有 一部分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气体传播到液体或固体中，或者
由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。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。图为单探头超声波液位计。其中(a)为气介式，(b)为液介式。(c)为固介式。(a）气介式（b）液介式（c)固介式单探头超声波液位计由图看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为t，则：1L==CAt2L是与液位有关的量，故测出便可知液位，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。超声波液位测量有许多优点：（1）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；（2）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：（③3）不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号：（4）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。但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且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。另外，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。5.1.5核幅射法不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I。之间有如下关系：I=loe-mH式中：μ一吸收系数，条件固定时为常数。变形为：H - 二(ln I。In I)1Lt因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现
由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。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。图为单探头超声波液位计。其中(a)为气介式，(b)为液介式。(c)为固介式。 (a) 气介式 (b) 液介式 (c)固介式 单探头超声波液位计 由图看出，超声波传播距离为 L，波的传播速度为 C，传播时间为 t，则： L 是与液位有关的量，故测出便可知液位，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。 超声波液位测量有许多优点： (1)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； (2)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； (3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号； (4)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。 但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且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。另外，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。 5.1.5 核幅射法 不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线 射 入厚度为 H 的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度 I 与入射强度 I0 之 间有如下关系： 式中:μ—吸收系数，条件固定时为常数。变形为： 因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现