第四章 液位测量1

1、 液位：液位：液体和气体介质的分界面叫液位液体和气体介质的分界面叫液位 界位：界位：两种密度不同液体介质的分界面叫界位两种密度不同液体介质的分界面叫界位 物位：物位：固体颗粒状物质的堆积高度叫料位（物位）固体颗粒状物质的堆积高度叫料位（物位） 液位、界位测量的重要性液位、界位测量的重要性：在油气集输、储运系统中，：在油气集输、储运系统中，石油石油、天然气天然气与与 伴生污水伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，液位、界位的要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，液位、界位的 测量与控制，对于计量油水罐介质容量、维持容器物料的平衡、保证正测量与控制，对于计量油水罐介质容量、维持容器

2、物料的平衡、保证正 常生产和设备安全至关重要。常生产和设备安全至关重要。 液位、界位测量仪表分类：液位、界位测量仪表分类： 1 1. .直直读式液位计读式液位计: :主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等 2.2.浮力式液位计浮力式液位计: :标式、浮球式标式、浮球式; ;浮筒式液位计浮筒式液位计 3.3.静压式液位计静压式液位计: :差压变送器差压变送器 4.4.电气式物位计电气式物位计: :电容式物位计电容式物位计 5.5.辐射式物位计辐射式物位计: : 6.6.反射式物位计反射式物位计: :超声波式物位计、雷达式物位计超声波式物位计、雷达式物位计 具体测量方

3、法：具体测量方法： 操作简单、计量准确、无需辅助设备是目前各油田原油集输过程中的一操作简单、计量准确、无需辅助设备是目前各油田原油集输过程中的一 种主要计量方法种主要计量方法。 基本原理：基本原理：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。积表，计算罐内液体体积和质量。 检尺的组成：钢卷尺检尺的组成：钢卷尺+ +铜质重锤铜质重锤 1.1.测量液面高度：测量液面高度： H H0 0 H H h h h h h0 0 2 2. .测量液体体积及质量测量液体体积及质量 罐内液体体积：罐内液体体积：根据液位高

4、度，可以查根据液位高度，可以查大罐标定容积表大罐标定容积表来查出罐内液体体来查出罐内液体体 积，或是根据罐的直径或横截面积计算出液体体积值积，或是根据罐的直径或横截面积计算出液体体积值VtVt。 标准体积计算：标准体积计算：实际温度下的原油体积实际温度下的原油体积VtVt换算成标准温度换算成标准温度2020下的体积下的体积 值值v v20 20： ： 含油量（质量）计算：含油量（质量）计算：将实际体积值扣除所含的水，得到纯油量，并用质将实际体积值扣除所含的水，得到纯油量，并用质 量值来表示量值来表示 由带有刻度的玻璃管和玻璃板通过阀门与设备连接而成的由带有刻度的玻璃管和玻璃板通过阀门与设备连接

5、而成的。 玻璃式液位计结构简单，价格便宜，一般用在温度和压力都不太高、需要玻璃式液位计结构简单，价格便宜，一般用在温度和压力都不太高、需要 就地指示液位的场合就地指示液位的场合；玻璃式液位计有易碎及不能远传和自动记录等缺点；玻璃式液位计有易碎及不能远传和自动记录等缺点 浮力式液位计浮力式液位计是应用最早的液位测量仪表。它是应用最早的液位测量仪表。它结构简单，造价低廉，维护结构简单，造价低廉，维护 也比较也比较方便，至今仍然为工业生产所广泛应用方便，至今仍然为工业生产所广泛应用。 其工作原理如图所示其工作原理如图所示（外浮球式）（外浮球式） 分类：分类： 恒浮力式恒浮力式：浮力维持不变，浮标永远

6、漂浮在液面上，浮标的位置浮力维持不变，浮标永远漂浮在液面上，浮标的位置 随着液面高低而变化随着液面高低而变化 变浮力式变浮力式：浮筒浸没在液体里，浮筒所受的浮力随被浸没的高浮筒浸没在液体里，浮筒所受的浮力随被浸没的高 度度液位而变液位而变 1.1.浮球式液住计浮球式液住计 特点：可用于压力、温度高，高粘介质，特点：可用于压力、温度高，高粘介质， 单只适用于小量程（单只适用于小量程（300300500mm)500mm)。 结构：浮球、连杆、密封输出轴、平衡锤。结构：浮球、连杆、密封输出轴、平衡锤。 形式有内浮球式、外浮球式两种。形式有内浮球式、外浮球式两种。 原理：力矩平衡原理（略）原理：力矩平

7、衡原理（略） 1.1.浮球式液住计浮球式液住计 开关应用开关应用：如果只用于液位的定点报警与控制，可以不用密封输出轴。只：如果只用于液位的定点报警与控制，可以不用密封输出轴。只 是在与浮球相连的杠杆的末端，加一个磁钢，通过是在与浮球相连的杠杆的末端，加一个磁钢，通过磁磁耦合的方式，带动容耦合的方式，带动容 器外的外磁钢，驱动电接点闭合或断开，就构成了器外的外磁钢，驱动电接点闭合或断开，就构成了浮球式液位发讯器浮球式液位发讯器。油。油 田及炼厂常利用浮球式液位发讯器对油水罐及其他设备进行液位的上、下田及炼厂常利用浮球式液位发讯器对油水罐及其他设备进行液位的上、下 限报警。限报警。 2.2.磁翻转

8、磁翻转式式液位计液位计 用来测量有压容器或敞口容器内的液位，用来测量有压容器或敞口容器内的液位， 不仅可以就地指示，还可以附加液位越不仅可以就地指示，还可以附加液位越 限报警及信号限报警及信号远传功能远传功能，实现远距离的，实现远距离的 液位报警和监控液位报警和监控。 2.2.磁翻转磁翻转式式液位计液位计 结构：连通管、磁性浮子、磁性翻板结构：连通管、磁性浮子、磁性翻板 （球）。（球）。 原理：磁性浮子随液位升降时，吸引磁翻原理：磁性浮子随液位升降时，吸引磁翻 板翻转。液位上升时，板翻转。液位上升时，“红面红面”向外翻，液向外翻，液 位下降时，位下降时，“白面白面”向外翻，红（代表液向外翻，红

9、（代表液 体）体）白（代表气体）分界处表示液位。白（代表气体）分界处表示液位。 特点：结构牢固、工作可靠、显示直观、特点：结构牢固、工作可靠、显示直观、 精度较低，克测高温高压液体。精度较低，克测高温高压液体。 检测元件检测元件圆柱沉筒截面积不变，其上浮力变化与浸没深度成正比。圆柱沉筒截面积不变，其上浮力变化与浸没深度成正比。 1.1.测量原理测量原理 当浮筒被液体浸没的高度不同时，浮筒上的浮力也不同，因此当浮筒被液体浸没的高度不同时，浮筒上的浮力也不同，因此通过检测浮通过检测浮 筒所受的浮力筒所受的浮力，便可以，便可以确定液位确定液位。 当当H H0 0 时，沉筒重量时，沉筒重量G G被弹簧

10、反力平衡：被弹簧反力平衡：CXCXG G 当当HH浮力浮力FF向下合力向下合力弹簧使沉筒弹簧使沉筒 浮筒在其平衡时存在如下关系：浮筒在其平衡时存在如下关系： 结论：结论：弹簧位移量弹簧位移量x x与液位变化与液位变化H H成比例关系。如果在浮筒的连杆上成比例关系。如果在浮筒的连杆上 安装一铁芯，通过差动变压器便可以输出相应的电信号，指示安装一铁芯，通过差动变压器便可以输出相应的电信号，指示 出液位的数值。出液位的数值。 2.2.扭力扭力管管式变送器式变送器 组成：组成：由测量部分、转换部分两部分组成由测量部分、转换部分两部分组成 1 1）测量测量部分：部分： 浮筒浮筒1 1上的力，通过杠杆上的

11、力，通过杠杆2 2被扭力管被扭力管3 3的弹性力的弹性力 所平衡。当液位低于浮筒下端时，浮筒的全所平衡。当液位低于浮筒下端时，浮筒的全 部重力部重力w w作用在杠杆上。此时作用在扭力管上作用在杠杆上。此时作用在扭力管上 的扭力最大，扭力管产生的扭角最大（一般的扭力最大，扭力管产生的扭角最大（一般 约为约为77）。当液位上升为）。当液位上升为H H时，浮筒的浮力时，浮筒的浮力 抵消掉一部分重力，作用在扭力管上的扭力抵消掉一部分重力，作用在扭力管上的扭力 矩减小，扭力管的弹力使浮筒上升，则扭力矩减小，扭力管的弹力使浮筒上升，则扭力 管扭转角减小。与扭力管管扭转角减小。与扭力管3 3底端固定的芯轴底

12、端固定的芯轴4 4 顺时针偏转相同的角度。顺时针偏转相同的角度。芯轴输出角位移量芯轴输出角位移量， 通过通过机械传动放大机构带动指针，便可以就机械传动放大机构带动指针，便可以就 地指示出液位数值，地指示出液位数值，并通过并通过转换元件将此角转换元件将此角 位移转换为电动信号输出，以适应远传和控位移转换为电动信号输出，以适应远传和控 制的需要。电动转换机构将扭力管输出的角制的需要。电动转换机构将扭力管输出的角 位移转换成位移转换成4 420mA20mA的电流输出。电路框图如的电流输出。电路框图如 图所示，主要由振荡器、涡流差动变压器、图所示，主要由振荡器、涡流差动变压器、 解调器、直流放大器组成

13、。解调器、直流放大器组成。 2.2.扭力扭力管管式变送器式变送器 2 2）转换部分：将扭力管芯轴角位移转）转换部分：将扭力管芯轴角位移转 换成电信号输出换成电信号输出 。 多谐振荡器多谐振荡器产生产生6kHz6kHz正弦电压，作为正弦电压，作为 涡流差动变压器初级线圈的激励电压。涡流差动变压器初级线圈的激励电压。 当芯轴带动差动变压器动臂当芯轴带动差动变压器动臂移动移动时，时， 输出线圈上的感应电压输出线圈上的感应电压u与与成正成正 比。比。 解调器解调器将差动变压器的输出信号将差动变压器的输出信号u变为直流电压变为直流电压V V，送入差分放大器，送入差分放大器U U放放 大，其输出电压经功率

14、放大器放大转换为大，其输出电压经功率放大器放大转换为4 420mA20mA电流电流I I0 0输出，输出，I I0 0经反馈网经反馈网 络送回到差分放大器的反相输入端，实现负反馈。输出信号络送回到差分放大器的反相输入端，实现负反馈。输出信号4-20mA 4-20mA 与与H H、 有关，介质密度发生变化时，必须进行修正。有关，介质密度发生变化时，必须进行修正。 利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。 罐底静压罐底静压PbPb与气相压力与气相压力PaPa间压差间压差PP与液位与液位H H成正比：成正比：

15、 PPPb-Pa = HgPb-Pa = Hg 对敞口容器对敞口容器，Pa=Pa=大气压，表压力：大气压，表压力：Pb = HgPb = Hg。 对对密闭密闭容器容器，Pa=Pa=气相压力。气相压力。 基本原理基本原理 测量方法：测量方法： 一般用差压计、差压变送器测量。正压室接罐一般用差压计、差压变送器测量。正压室接罐 底底液相压力液相压力，负压室，负压室接气相压力或接大气接气相压力或接大气。测。测 量具有腐蚀、易凝液体时，可以用隔离罐隔离、量具有腐蚀、易凝液体时，可以用隔离罐隔离、 或用法兰式差压变送器。或用法兰式差压变送器。 理论工作情况：理论工作情况： 用差压变送器测量液位高度，是一种

16、最基本的状况。当用差压变送器测量液位高度，是一种最基本的状况。当H HO O时，作用在正、时，作用在正、 负压室的压力是相等的，称为负压室的压力是相等的，称为“无迁移无迁移”。假定我们采用的是电动差压变。假定我们采用的是电动差压变 送器，其输出信号为送器，其输出信号为4 420mA20mA。H H0 0时，时，pp0 0，这时变送器输出为，这时变送器输出为4mA4mA， H HHmaxHmax时变送器的输出为时变送器的输出为20mA20mA。 实际工作情况：实际工作情况： 为了防止容器内液体和气体进人变送为了防止容器内液体和气体进人变送 器而造成管线堵塞或腐蚀，在变送器器而造成管线堵塞或腐蚀，

17、在变送器 正、负压室与取压点之间分别装有隔正、负压室与取压点之间分别装有隔 离罐，并充以隔离液。若被测介质的离罐，并充以隔离液。若被测介质的 密度为密度为p1p1，隔离液密度为，隔离液密度为p2p2，这时，这时， 正、负压室的压力分别为：正、负压室的压力分别为： 正、负压室之间的压力差为正、负压室之间的压力差为: : 对比无迁移情况，相当于在负压室多了对比无迁移情况，相当于在负压室多了 一项压力，其固定数值为一项压力，其固定数值为（h h2 2h h1 1）p2gp2g。 为了使仪表能正常反映出液位的数值，为了使仪表能正常反映出液位的数值， 必须设法抵消掉必须设法抵消掉这一这一固定差压的作用，

18、固定差压的作用， 使得当使得当H H0 0时变送器的输出仍然为时变送器的输出仍然为4mA4mA， 而当而当H HHmaxHmax时，变送器的输出为时，变送器的输出为20mA20mA。 采用的方法一般是在仪表上采用的方法一般是在仪表上加一迁移装加一迁移装 置置，利用变送器内部的反馈调整作用，利用变送器内部的反馈调整作用， 抵消掉固定差压抵消掉固定差压（h h2 2h h1 1）p2gp2g的作用，的作用， 我们称这种方法为我们称这种方法为“零点迁移零点迁移”。由于。由于H H 0 0时，时，p pO O，这种情况叫负迁移。，这种情况叫负迁移。 假定固定差压为（假定固定差压为（h h2 2h h1

19、 1）p2gp2g2000Pa2000Pa， 满量程时，差压由满量程时，差压由0 0变化到变化到5000Pa5000Pa。迁移。迁移 原理如图原理如图4 41212中曲线中曲线b b所示。所示。 1.1.法兰式差压变送器测液位法兰式差压变送器测液位 测量具有腐蚀性、易结晶以及粘度大、测量具有腐蚀性、易结晶以及粘度大、 易凝固等介质的液位时，引压管线易易凝固等介质的液位时，引压管线易 被腐蚀或被堵，为了解决这个问题，被腐蚀或被堵，为了解决这个问题， 可以采用法兰式差压变送器在膜盒、可以采用法兰式差压变送器在膜盒、 毛细管和测量室所组成的封闭系统内毛细管和测量室所组成的封闭系统内 充有硅油，作为传

20、压介质，起到隔离充有硅油，作为传压介质，起到隔离 被测介质的作用被测介质的作用 测量密闭容器的液位时，同样存在测量密闭容器的液位时，同样存在 “迁移迁移”问题。图问题。图4 41414中迁移量为：中迁移量为： 2.2.投入式液位变送器投入式液位变送器（教材（教材P71P71图图4-154-15） 扩散硅式传感器位于导气电缆的底端，被安置到罐底，将承受的液相压力、扩散硅式传感器位于导气电缆的底端，被安置到罐底，将承受的液相压力、 气相压力通过中空的导气电缆，传递到传感器上。代表液位的压力差由变送气相压力通过中空的导气电缆，传递到传感器上。代表液位的压力差由变送 器转换成器转换成4 420mA D

21、C20mA DC标准电流信号输出。投入式液位变送器具有便利安装和标准电流信号输出。投入式液位变送器具有便利安装和 使用方便等优点，使用方便等优点，适用于水、油、酸、碱、盐及粘稠性液体适用于水、油、酸、碱、盐及粘稠性液体。 电容电容液位传感器液位传感器：内外两个筒型电极组成同轴电容器，两电极间充满介电内外两个筒型电极组成同轴电容器，两电极间充满介电 系数为系数为的被测介质时，传感器电容为：的被测介质时，传感器电容为： 1 1、测量原理、测量原理 电容式物位计电容式物位计由由电容液位传感器电容液位传感器和和测量电路测量电路组成组成。被测介质的物位通过被测介质的物位通过 电容传感器转换成相应的电容量

22、，利用测量电路测得电容的变化量，即可电容传感器转换成相应的电容量，利用测量电路测得电容的变化量，即可 间接求得被测介质物位的变化间接求得被测介质物位的变化 当当R R、r r和和一定时，电容量一定时，电容量C C的大小与极板的长度的大小与极板的长度L L成正比成正比 例关系。这样，将电容传感器浸入被测介质中，电极浸人物例关系。这样，将电容传感器浸入被测介质中，电极浸人物 料的深度随物位高低变化，必然引起电容量的变化，从而可料的深度随物位高低变化，必然引起电容量的变化，从而可 以测得物位以测得物位。 用被测介质作中间绝缘体。电容器上部气体、下部液体用被测介质作中间绝缘体。电容器上部气体、下部液体

23、 的介电常数分别为的介电常数分别为00、xx，当电容器内液位高度为，当电容器内液位高度为H H 时，电容器的总电容量为上下两部分电容之时，电容器的总电容量为上下两部分电容之和和： 2.2.非导电介质液住的测量非导电介质液住的测量 当液位变化时，引起的当液位变化时，引起的电容增量电容增量应为：应为： 可见，只要可见，只要oo、 x x、R R和和r r不改变，系数不改变，系数k kc c在一定条件下为常数，电容增量在一定条件下为常数，电容增量 C C与被测液位与被测液位H H成正比，因此，成正比，因此，测出电容增量的变化便可知道液位的高度测出电容增量的变化便可知道液位的高度。 内电极要内电极要用

24、绝缘套作为中间介质用绝缘套作为中间介质，导电，导电 液体与金属容器壁一起作为外电极液体与金属容器壁一起作为外电极。若中若中 间绝缘介质的介电常数为间绝缘介质的介电常数为，电极被导电，电极被导电 液体浸没的高度为液体浸没的高度为H H，则该电容器的电容量，则该电容器的电容量 与液位的关系可近似表示为：与液位的关系可近似表示为： 3. 3.导电介质液住的测量导电介质液住的测量 说明：说明：通常通常C C的数值很小（约为的数值很小（约为pFpF即即101012F12F的数量级），难以准确地进行的数量级），难以准确地进行 测量。因此，在测量。因此，在测量电路中应采取相应的措施测量电路中应采取相应的措施

25、；此外，还应注意，当介质的此外，还应注意，当介质的 浓度和温度发生变化时，其介电常数也要发生变化，浓度和温度发生变化时，其介电常数也要发生变化，应及时进行修正应及时进行修正。 超声波式液位计是利用超声波在液面上反射和透射传播特性测量液位的。超声波式液位计是利用超声波在液面上反射和透射传播特性测量液位的。 因此，它有两类液位测量方法，即因此，它有两类液位测量方法，即透射式透射式和和反射式反射式。 1. 1.基本原理基本原理 1 1) )透射式测量方式透射式测量方式: :一般是利用一般是利用有液位有液位或或无液位时无液位时声阻抗的显著差别作为声阻抗的显著差别作为 超声超声液位开关液位开关，产生，产

26、生开关量信号开关量信号，作为液位高、低限报警信号或联锁信号，作为液位高、低限报警信号或联锁信号 使用。使用。 2 2) )反射式测量方式反射式测量方式: :测量人射波和反射波的测量人射波和反射波的时间差时间差， 从而计算出液位高度。从而计算出液位高度。 探头到液位的高度探头到液位的高度h h可用下式来表示：可用下式来表示： 对于一定的介质，对于一定的介质，v vc c是已知的，因此，是已知的，因此，只要测得时间只要测得时间t t， 即可确定被测液位高度即可确定被测液位高度h h。 根据超声波传播的介质不同根据超声波传播的介质不同有气介式有气介式和液介式两类和液介式两类。 2 2. .反射式超声

27、波液位计反射式超声波液位计 安装安装: :探头在探头在液面以上的气体介质液面以上的气体介质中，中， 是一种是一种非接触非接触的测量方法的测量方法。 应用场合：应用场合：适用于适用于腐蚀性介质、高腐蚀性介质、高 粘度及含有颗粒杂质的液位测量粘度及含有颗粒杂质的液位测量。 说明：说明： 1 1）因因声速受温度压力声速受温度压力的影响较大，的影响较大，测量结果测量结果需要采取相应的需要采取相应的修正补偿措修正补偿措 施施，以避免声速变化所引起的误差。，以避免声速变化所引起的误差。 2 2）气介式液位计也可用于料位测量，但颗粒尺寸和堆积坡度应尽量小，气介式液位计也可用于料位测量，但颗粒尺寸和堆积坡度应

28、尽量小， 否则表面不平整，使得声速散射严重，不能有效接收回波。否则表面不平整，使得声速散射严重，不能有效接收回波。 1.1.工作原理工作原理 工作原理类工作原理类似于似于超声波式的测量方法，超声波式的测量方法，以以光速光速c c传播的传播的超高频电磁波超高频电磁波（微波），（微波）， 经天线向被探测容器的液面发射，当电磁波碰到液面后经天线向被探测容器的液面发射，当电磁波碰到液面后反射回来反射回来，雷达液位，雷达液位 计是通过测量发射波到反射波之间的计是通过测量发射波到反射波之间的延时延时t t来确定天线与反射面之间的高度来确定天线与反射面之间的高度 （空高空高h h）。）。 2.2.雷达液位计的组成雷达液位计的组成 探测器探测器安装在设备顶部，由电子部件、波导连接器、安安装在设备顶部，由电子部件、波导连接器、安 装法兰及喇叭口型天线组成。电子部件包括振荡器、调装法兰及喇叭口型天线组成。电子部件包括振荡器、调 频器、混频电路、差频放大器、频器、混频电路、差频放大器、A AD D转换器等。转换器等。 显示器显示器为盘装型，由计算单元、显示单元及电源部分组成。为盘装型