液位测量方法分析

　　物位包括液位和料位两类。液位又包括液位信号器和连续液位测量两种。液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量，用于液位的上、下限报警等。连续液位测量是对液位连续地进行测量，它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域，具有非常重要的意义。文中对20余种连续液位测量方法进行比较分析。

　　1、玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法

　　玻璃管法：该方法利用连通器原理工作，如图1—1所示[1]。图中1-被测容器;2-玻璃管;3-指示标度尺;4、5-阀;6、7-连通管。液位直接从指示标度尺读出。

　　玻璃板法：玻璃板可通过连通器安装，也可在容器壁上开孔安装，并可串联几段玻璃板以增大量程。液位数值直接从玻璃板刻度尺读出。

　　双色水位计法：该方法利用光学原理，使水显示绿色，而使水蒸汽显示红色，从而指示出水位[2]。

　　人工检尺法：该方法用于测量油罐液位。测量时，测量员把量油尺投入油品中，并在尺砣与罐底接触时提起量油尺。根据量油尺上的油品痕迹，读出油面高度;根据量油尺末端试水膏颜色的变化确定水垫层的高度，从而确定油高和水高[3]。

　　以上4种方法都是人工测量方法，具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。

　　2、吹气法、差压法、HTG法

　　吹气法：该方法的工作原理如图2—1所示[4]。图中，1-过滤器;2-减压阀;3-节流元件;4-转子流量计;5-变送器。因吹气管内压力近似等于液柱的静压力，故　P=ρgH

　　式中，ρ-液体密度;H-液位。故由静压力P即可测量液位H。吹气法适用于测量腐蚀性强、有悬浊物的液体，主要应用在测量精度要求不高的场合。

　　差压法：该方法的工作原理如图2-2所示[4]。图中，1、2-阀门;3-差压变送器。对于开口容器或常压容器，阀门1及气相引压管道可以省掉。压力差与液位的关系为　ΔP=P2-P1=ρgH

　　式中：ΔP-变送器正、负压室压力差;P2、P1-引压管压力;H-液位。差压变送器将压力差变换为4～20 mA的直流信号。如果压力处于测量范围下　　限时对应的输出信号大于或小于4 mA，则都需要采用调整迁移弹簧等零点迁移技术，使之等于4 mA。

　　HTG法：该方法应用于油罐差压液位测量中，如图2—3所示。图中：P1、P2、P3-高精度压力传感器;RTD-温度检测元件;HIU-接口单元。P1位于罐底附近　　的罐壳处，P2比P1高8英尺，P3位于罐顶附近的罐壳处。对于常压油罐，压力传感器P3可以省去。设压力传感器P1、P2、P3测得的压力分别为p1、p2、p3，则

　　式中：G-油品重量;Sav-油罐平均截面积;ρav-介于压力传感器P1、P2之间油品平均密度;g是重力加速度;H是压力传感器P1、P2之间的距离;h是油品高度;h0是压力传感器P1的高度。RTD用于测量油品温度，以对测量数值进行温度补偿。HTG测量系统价格较低，但液位测量精度较低，安装须在罐壁开孔。

　　以上3种方法都是利用液体的压力差来测量液位的。

　　3、浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法

　　浮子法：该方法采用浮子作为液位测量元件，并驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。

　　浮筒法：该方法采用中间带孔的磁浮筒作为液位敏感元件，如图3—1所示。不锈钢套管从浮筒中间孔穿过，固定在罐顶和罐底之间。液位变化带动空心磁浮筒(内藏**磁铁)沿套管上下移动，并吸引套管内的磁铁沿套管内壁上下移动，二次仪表根据磁铁的移动量计算出液位。

　　浮球法：该方法利用杠杆原理工作，如图3—2所示[4]。图中：1-浮球;2-连杆;3-转轴;4-平衡重;5-杠杆。浮球跟随液位变化而绕转轴旋转，带动转轴上的指针转动，并与杠杆另一端的平衡重平衡，同时在刻度盘上指示出液位数值。浮球法有内浮球式和外浮球式两种，如图3—2所示。浮球法主要用于测量温度高、粘度大的液位，但量程较小。

　　伺服法：该方法采用波动积分电路，消除抖动、延长寿命、提高液位测量精度。现代伺服液位仪的测量精度较高，已达到40 m量程内小于1 mm的精度，且一般都具有测量密度分布和平均密度的功能。

　　沉筒法：沉筒的位置随着液位的变化而变化，但其变化量并不与液位变化量相等。在图3-3a中[4]，液位与浮筒位置的关系如下：

　　上式中：ΔH-液位变化量;C-弹簧的弹性系数;A-沉筒截面积;ρ液体密度;ΔX-沉筒位置变化量。通常情况下，浮筒位置变化量ΔX远小于液位变化量ΔH。图3—3b是扭力管式沉筒法原理[4]，图中：1-沉筒;2-杠杆;3-扭力管;4-芯轴;5-外壳。沉筒位置随液位变化而变化，在杠杆的作用下，扭力管芯轴的扭角发生变化，二次仪表根据扭角的变化量计算出液位。

　　以上5种方法都是利用浮力原理来工作的。

　　4、电容法、电阻法、电感法

　　电容法：用于测量非导电液体的电容法原理如图4—1所示[4]。图4—1中，电容由两块同心的圆柱面极板组成，其电容量CH为

　　上式中：ε1-被测液体的相对介电常数;ε2-气相介质的相对介电常数;H-电容传感器浸入液体的深度(m);l-电容传感器垂直高度(m);R-内极板圆柱底面半径(m);r-外极板圆柱底面半径(m)。由于R、r、l等都是固定值，只要利用ε1、ε2、CH就能计算出液位H。图4—2是用于测量导电液体的电容法原理[4]，其公式推导略。电容式液位仪价格较低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容液位仪测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不是很长。