课件：液位测量

1、 液 位 测 量 2 举例说明液位测量必要性 n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、计算运输量的重要措施。 n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。 n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； n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。 物位检测 n物位的定义：物位的定义：统

2、指设备和容器中液体或固体物料的表面位统指设备和容器中液体或固体物料的表面位 置置。 n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。 n1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。 n2、料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体、料位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。 n3、界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其、界位指相界面位置。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

3、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。液固相界面。液-液、液液、液- 固相界面的位置简称界位。固相界面的位置简称界位。 n物位是物位是液位、料位、界位液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、的总称。对物位进行测量、 指示和控制的仪表，称指示和控制的仪表，称物位检测仪表物位检测仪表。 n物位检测仪表的分类物位检测仪表的分类： q由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有 很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以 满足不同生产过程的测量要求。满足不同生产过程的测量要求。 q物位检测仪表按

4、测量方式可分为物位检测仪表按测量方式可分为连续测量连续测量和和定点定点 测量测量两大类。两大类。 n连续测量方式能持续测量物位的变化。连续测量方式能持续测量物位的变化。 n定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下 限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物物 位开关位开关。 q按工作原理分类，物位检测仪表有按工作原理分类，物位检测仪表有直读式直读式、静压静压 式式、浮力式浮力式、机械式机械式、电气式电气式等。等。 n1、直读式物位检测仪表直读式物位检测仪表 q采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中采用侧壁开窗口或旁

5、通管方式，直接显示容器中 物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指 示。主要用于液位检测和压力较低的场合。示。主要用于液位检测和压力较低的场合。 n2、静压式物位检测仪表静压式物位检测仪表 q基于流体静力学原理，适用于液位检测。基于流体静力学原理，适用于液位检测。 q容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成 比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参 考点的压力可测知液位。考点的压力可测知液位。 q这类仪表有这类仪表有压力式压力式、吹气式吹气式和和差压式差压式等型式

6、。等型式。 n3、浮力式物位检测仪表浮力式物位检测仪表 q其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。 漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在 液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以 检测液位。检测液位。 q这类仪表有各种这类仪表有各种浮子式液位计浮子式液位计、浮筒式液位计浮筒式液位计等。等。 n4、机械接触式物位检测仪表机械接触式物位检测仪表 q通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现 物位的测量。物位的测量。 q

7、这类仪表有这类仪表有重锤式重锤式、旋翼式旋翼式和和音叉式音叉式等。等。 n5、电气式物位检测仪表电气式物位检测仪表 q将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化 时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这 些电量的变化可知物位。如些电量的变化可知物位。如电容式电容式、电感式电感式和和电阻式电阻式 液位计等。液位计等。 n6、其他物位检测方法其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式如声学式、射线式、光纤式 仪表等。仪表等。 浮力式液位计：浮力式液位计： 浮力式液位计有两类：浮力式液位计有两类： 恒

8、浮力式恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮：在测量过程中浮力维持不变的，如浮 标、浮球等液位计标、浮球等液位计. 变浮力式变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、 所受的浮力不同来测定液位的高低。所受的浮力不同来测定液位的高低。 n恒浮力法测量液位的原理恒浮力法测量液位的原理 n平衡时：平衡时： q浮标的重量浮标的重量-浮力浮力=平衡物的重量。平衡物的重量。 即即:W-F=G q当液位上升时：当液位上升时： 浮标浸没部分增加，浮力增大，浮标浸没部分增加，浮力增大，W-FG, 浮标浮标 上升，浮力下降，使上升，浮力下降，使 W-F=G q浮标的位置就反映

9、了物位的高度。浮标的位置就反映了物位的高度。 n变浮力法测量物位的原理：变浮力法测量物位的原理： 设浮筒重为设浮筒重为W，浮筒，浮筒 在某一位置时弹簧的在某一位置时弹簧的 伸长量为伸长量为X, 弹簧系数弹簧系数 为为C，A为浮筒的截面为浮筒的截面 积，则：积，则： CXhgAW 弹簧的伸长量通过变压弹簧的伸长量通过变压 器的铁心被转化为电压器的铁心被转化为电压 的变化量，采用差动连的变化量，采用差动连 接可提高灵敏度。接可提高灵敏度。 静压式液位计 一、压力式液位计一、压力式液位计 液体在容器中具有一定高度，将对其底部或侧面某点液体在容器中具有一定高度，将对其底部或侧面某点 产生一定的压力。液

10、位越高，对某点的压力就越大，所以产生一定的压力。液位越高，对某点的压力就越大，所以 只要测出某点的压力便可确定液位的高度。只要测出某点的压力便可确定液位的高度。 右上图是用压力表测量容器中液体液位的测量系统。右上图是用压力表测量容器中液体液位的测量系统。 这时压力表的读数应为这时压力表的读数应为 pHh 式中：式中：为液体的重度。由于压力表安装的位置固定，所为液体的重度。由于压力表安装的位置固定，所 以以h是常数。是常数。 一般认为在测量中液体的重度不变，所以仪表的刻度方程为一般认为在测量中液体的重度不变，所以仪表的刻度方程为 pHC 对于与大对于与大 气相通的敞口气相通的敞口 容器可以把压容

11、器可以把压 力表安装在液力表安装在液 位最低处，如位最低处，如 右图。右图。 Ch 为常数为常数 压缩空气经过滤器、主压缩空气经过滤器、主 气滤清器和节流元件最后从气滤清器和节流元件最后从 导管下端敞口逸出。导管下端敞口逸出。 将压缩空气的压力凋到将压缩空气的压力凋到P1后，经节流元件降到后，经节流元件降到P2，当压，当压 缩空气从导管下端以气泡的形式流出时，导管内的压力几乎缩空气从导管下端以气泡的形式流出时，导管内的压力几乎 与液封静压相等。因此，差压变送器所指示的压力值即可反与液封静压相等。因此，差压变送器所指示的压力值即可反 映出液位高度。映出液位高度。 吹气式液位计系统吹气式液位计系统

12、 差压式液位计 单法兰式差压液位计 双法兰式差压液位计 差压式液位计的工作原理 流体静力学原理 流体静力学原理（阿基米德原理） 静止状态的流体内物体所受浮力F浮 有：有：F F浮浮 =液液 g Vg V排排 由 F =PF =P表压表压 S S表面积表面积 可推导出：可推导出： P P压力压力= = 液液 g Hg H液高液高 （差压式液位计的工作依据）（差压式液位计的工作依据） 差压法测量原理 nPA为密封容器中A点静压 （气相压力）； nPB为B点静压； nH为液体高度； n-液体密度 ng-重力加速度 9.8m/s n由P P压力压力= = 液液 g Hg H液高液高公式可知：公式可知：

13、 A A、B B两点的差压为：两点的差压为： P=PP=PB B-P-PA A= =（P PA A+ + 液液 g Hg H液高液高）-P-PA A 即：即：P= P= 液液 g Hg H液高液高 n若是敞口容器（若是敞口容器（P PA A为大气压力）则为大气压力）则： P=PP=PB B=液液 g Hg H液高液高 （P P为为B B点表压）点表压） ( 一个标准大气压一个标准大气压=101.325KPa 1MPa=106Pa 1KPa=103Pa ) P=P=液液 g Hg H液高液高 n如果被测液体的密度液液是稳定的，且g-重力 加速度9.8m/s则： n密闭容器中A、B两点的压差P P

14、与液位高 度H成正比。 n在敞口容器中P（B点表压）与液位高度H 成正比。 n即只要测出P或者P P，就可以知道敞口容器，就可以知道敞口容器 或密封容器内的液位高度！这便是差压式液位或密封容器内的液位高度！这便是差压式液位 仪表的工作原理！仪表的工作原理！ 差压变送器工作原理 n理论上测量差压是分别测出A、B两点 压力后在进行运算得出压力差，但现 实中因为设备本身所带的静压力和精 密程度，使得差压信号的分辨难以实 现。 n因此最理想的办法是比较两个压力， 差压变送器就是根据这个需要设计制 造出来的。 n如图，当两侧压力分 别作用在两侧的隔离 膜片上时，压力通过 硅油传导到测量膜片 两侧，当两侧

15、压力不 等时，测量膜片便会 向一侧偏移，通过电 子电路检测出这个位 移，就可以知道两侧 的压力差。进而换算 出相应的液位高度！ 差压液位测量的三种方式 一、双法兰式液位测量 n双法兰式液位测量用于密封容 器液位检测，主要常用于检测 量程比较大的高塔、罐的液位。 二、单法兰式液位测量 n单法兰式液位测量应用于敞口容器 的液位检测。 n如储水罐液位检测，贫液罐液位检 测等。 三、平衡式差压液位测量 n平衡式差压液位测量适合应用于介质组分、 温度、压力存在较大变化的容器。例如， 锅炉汽包液位测量。锅炉中水、汽的温度、 压力、密度等变化波动大，液位检测条件 比较苛刻，使得液位计检测误差比较大。 而双室

16、平衡容器的存在可以相对抵消这些 条件变化的影响。故平衡式差压水位计是 一种常见的锅炉汽包液位检测仪表！ 平衡式差压液位计 差压式流量计的差压式流量计的“迁移迁移” 变送器实际感受到的压差 n差压变送器在液位检测时，有时感 受到的并不仅仅是液位变化带来的 差压（压力），同时，还有正负引 压管内液柱所带来的压力！ 正压侧受到压力正压侧受到压力： P正=P+ 液液gHgH液高液高+1 1ghgh1 1 负压侧受到的压力：负压侧受到的压力： P P负负=P+=P+2 2ghgh2 2 则差压：则差压： P= P= 液液g Hg H液高液高+1 1ghgh1-1-2 2ghgh2 2 显然，要想得到正确

17、的液位号，显然，要想得到正确的液位号， 必须将必须将1 1ghgh1 1和和2 2ghgh2 2的影响的影响 除掉，这就要用到差压变送除掉，这就要用到差压变送 器的迁移功能！器的迁移功能！ 设设P P1 1= = 1 1ghgh1 1（正压侧液柱压力）（正压侧液柱压力） P P2 2= = 2 2ghgh2 2（负压侧液柱压力）（负压侧液柱压力） 变送器实际差压变送器实际差压P= P= 液液gHgH液高液高 +P1 -P2+P1 -P2 若将差压变成：若将差压变成： P= P= 液液gHgH液高液高 - -（P1-P2P1-P2） 则将不受则将不受1 1ghgh1 1 和和2 2ghgh2 2

18、的影响！的影响！ 通过变送器在不同迁移下输入通过变送器在不同迁移下输入/ /输出关系曲线输出关系曲线 可以知道，所谓迁移就是将变送器的输入可以知道，所谓迁移就是将变送器的输入/ /输输 出关系曲线在坐标上平移一段距离，就是将出关系曲线在坐标上平移一段距离，就是将 变送器的测量范围进行的迁移！变送器的测量范围进行的迁移！ 两个易混淆的概念 n测量范围测量范围：以测量的起始点到终结点 表示测量的范围。 如：-50+50kpa，0100kpa n量程量程：测量的终结点减去起始点的值。 如： -50+50kpa和0100kpa的变送 器，他们的量程都是100kpa n以上可知，所谓迁移就是将变送器的以

19、上可知，所谓迁移就是将变送器的 输入输入/ /输出关系曲线在坐标上平移一段输出关系曲线在坐标上平移一段 距离。因此可以将迁移理解成量程不距离。因此可以将迁移理解成量程不 变的情况下改变变送器的测量范围。变的情况下改变变送器的测量范围。 n一般我们把这种量程范围的调整，称一般我们把这种量程范围的调整，称 作作“迁移迁移”。 以上已知：以上已知：P= P= 液液gHgH液高液高 -（P1 -P2P1 -P2） 则将不受则将不受1 1ghgh1 1 和和2 2ghgh2 2的影响！的影响！ n通过上面的分析，可以明显看出： 差压法测量时的变送器迁移量等于正压 侧引压管液柱对变送器的压力减去负 压侧引

20、压管液柱对变送器的压力！ 即迁移量为（P1-P2） n设H=1m h1=0.7m h2=0.3m h3=0.4m正负压管内都为硅油。 n变送器位于下法兰下侧时： P1-P2= gg（0.4-1-0.40.4-1-0.4） = - = - gg （负迁移）（负迁移） n变送器位于两法兰之间时： P1-P2= g(-0.3-0.7)g(-0.3-0.7) = - = -gg ( (负迁移）负迁移） n变送器与下法兰水平时：变送器与下法兰水平时： P1-P2= gg（0-10-1） = - = - gg （负迁移）（负迁移） 可知双法兰式液位计两法兰片不可知双法兰式液位计两法兰片不 在同一水平位置时

21、，只能进行在同一水平位置时，只能进行 负迁移！负迁移！ n设单法兰式液位计量程H=1m,单法兰内为硅油， 变送器位于法兰下时h=0.3m n当变送器位于法兰以下时： P1-P2= gg（0.3-00.3-0）=0.3 =0.3 gg （正迁移）（正迁移） n而当变送器和法兰处于同水平面时： P1-P2= gg（0-00-0）=0 =0 （不用迁移）（不用迁移） 例1：变送器与下取压口等高，上下取压口间 距2200mm，负压管内灌充乙二醇（密度为 1113kg/m3)求迁移量。 n答：变送器与下取压口等高，故h1=0 P1=1 1ghgh1 1=0=0 则迁移量则迁移量=P1-P2=0-=P1-

22、P2=0-2 2ghgh2 2=0-(2200=0-(2200* *9.89.8* *1.113)1.113) =-24.5KPa =-24.5KPa 即负迁移即负迁移24.5kpa24.5kpa 假设此变送器原测量范围是假设此变送器原测量范围是0100kpa0100kpa，则负迁移后，则负迁移后 应为应为-24.475.6kpa-24.475.6kpa 例2：被测介质为丙酮（密度791kg/m3)变送 器低于下取压口200mm；负压侧为干管（空 管），求迁移量。 n答：迁移量=P1-P2 =(200*9.8*0.791)-0 =1550.36pa 即为正迁移1.55kpa 电容式液位计 在平

23、行板电容器之间充以不同介质时，电容在平行板电容器之间充以不同介质时，电容 量的大小就有所不同，因此可以通过测量电容量量的大小就有所不同，因此可以通过测量电容量 的变化来测量液位、料位或两种不同液体的分界的变化来测量液位、料位或两种不同液体的分界 面。面。 工作原理工作原理 两个同轴圆筒极板组成的电容器，两个同轴圆筒极板组成的电容器， 在两圆筒之间充以介电常数为在两圆筒之间充以介电常数为的介质的介质 时，则两圆筒间的电容量为时，则两圆筒间的电容量为 d D L C ln 2 式中：式中： D、d外电极内径和内电极外径外电极内径和内电极外径( (m) )； 极板间介质介电常数极板间介质介电常数(

24、(F/m) )； L 极板相互重叠的长度极板相互重叠的长度( (m) )。 液位变化引起等效液位变化引起等效 介电常数变化，从介电常数变化，从 而使电容器的电容而使电容器的电容 量变化，这就是电量变化，这就是电 容式液位计的检测容式液位计的检测 原理。原理。 安装形式安装形式 1-1-内电极；内电极；2-2-绝缘套绝缘套 右图是为用来测量右图是为用来测量导电介导电介 质质的单电极电容液位计，它只的单电极电容液位计，它只 用一根电极作为电容器的内电用一根电极作为电容器的内电 极，一般用紫铜或不锈钢，外极，一般用紫铜或不锈钢，外 套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷 作为绝缘层，而

25、导电液体和容作为绝缘层，而导电液体和容 器壁构成电容器的外电极。器壁构成电容器的外电极。 n 右图为用于测量右图为用于测量非导电非导电 介质介质的同轴双层电极电容的同轴双层电极电容 式液位计。内电极和与之式液位计。内电极和与之 绝缘的同轴金属套组成电绝缘的同轴金属套组成电 容的两极，外电极上开有容的两极，外电极上开有 很多流通孔使液体流入极很多流通孔使液体流入极 板间。板间。 n图中：图中：1 1、2-2-内、外电极；内、外电极； n3-3-绝缘套；绝缘套； n4-4-流通孔。流通孔。 超声波液位计 一、超声波液位测量的优点和原理一、超声波液位测量的优点和原理 频率在频率在20000Hz200

26、00Hz以上的声波叫作以上的声波叫作超声波。超声波。 优点：优点：可以定点和连续测量，方便提供遥测或遥控所需要可以定点和连续测量，方便提供遥测或遥控所需要 的信号；有较大的适应性，安装维护较方便，价格的信号；有较大的适应性，安装维护较方便，价格 便宜，并且不受光线、粘度的影响便宜，并且不受光线、粘度的影响 超声液位测量仪的原理超声液位测量仪的原理是利用超声波在是利用超声波在气体、液体、固气体、液体、固 体体中的吸收衰减的不同来探测探头前有无液体、固体物料中的吸收衰减的不同来探测探头前有无液体、固体物料 存在，从而可发出液位报警信号。存在，从而可发出液位报警信号。 图图(a)(a)所表示的是超声

27、波发射技能器所表示的是超声波发射技能器1 1与接收换能与接收换能 器器2 2分别安装在容器分别安装在容器3 3的相对面上，当液位升降时就会的相对面上，当液位升降时就会 阻断或导通声波，从而发出信号。图阻断或导通声波，从而发出信号。图(b)(b)所表示的测量所表示的测量 系统是超声波发射和接收部分安装在同一个探头系统是超声波发射和接收部分安装在同一个探头4 4里的里的 装置。装置。 二、超声波脉冲回波式液位测量二、超声波脉冲回波式液位测量 工作原理：工作原理： 从发射探头发出的超声脉冲在媒质中传到液面，经反从发射探头发出的超声脉冲在媒质中传到液面，经反 射后再通过该媒质返回到接收探头，根据测出的

28、超声脉冲射后再通过该媒质返回到接收探头，根据测出的超声脉冲 从发射到接收的时间以及媒质中的声速，即可求得从探头从发射到接收的时间以及媒质中的声速，即可求得从探头 到液面之间的距离，从而确定出液位。到液面之间的距离，从而确定出液位。 按按传声介质传声介质不同，可分为不同，可分为气介式、液介式气介式、液介式和和固介式固介式三种；三种； 按按探头的工作方式探头的工作方式可分为可分为自发自收的单探头方式自发自收的单探头方式和和 收发分开的双探头方式收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计。相互组合可以得到六种液位计 的方案。的方案。 (a)(a)气介式气介式 (b) (b) 液介式液介式 (c

29、)(c)固介式固介式 单探头超声波液位计单探头超声波液位计 液面液面 探头探头 1 2 Lv t 超声波传播距离为超声波传播距离为L，在，在液液 体中体中的传播速度为的传播速度为v，传播时间，传播时间 为为t ，则：，则： L是与液位有关的量，故测是与液位有关的量，故测 出出L便可知液位，便可知液位， L的测量一般的测量一般 是用接收到的信号触发门电路对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。振荡器的脉冲进行计数来实现。 n单探头液位计使用一个换能器，由控制电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。路控制它分时交替作发射器与接收器。 n双探头式则使用两个换能器分别作发射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棒或金属管分别作发射波与接收波的传输 管道。管道。 (d)(d)液介式液介式 (e)(e)气介式气介式 (f)(f)固介式固介式 一发一收双探头测量一发一收双探头测量 双探头液介式双探头液介式 两探头的中心距离为两探头的中心距离为2 2a，声波从探，声波从探 头至液面的斜向路径为头至液面的斜向路径为S，探头至液面的，探头至液面的 垂直高度为垂直高