第四章 液位测量1

第一节概述第四章

液位测量一、液位测量的概念

液位：液体和气体介质的分界面叫液位界位：两种密度不同液体介质的分界面叫界位物位：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：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，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、保证正常生产和设备安全至关重要。液位、界位测量仪表分类：1.直读式液位计:主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等2.浮力式液位计:标式、浮球式;浮筒式液位计3.静压式液位计:差压变送器4.电气式物位计:电容式物位计5.辐射式物位计:6.反射式物位计:超声波式物位计、雷达式物位计第一节概述二、大罐人工检尺液位测量具体测量方法：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种主要计量方法。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积表，计算罐内液体体积和质量。检尺的组成：钢卷尺+铜质重锤1.测量液面高度：H0H△hh′h0第一节概述二、大罐人工检尺液位测量2.测量液体体积及质量罐内液体体积：根据液位高度，可以查大罐标定容积表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Vt。标准体积计算：实际温度下的原油体积Vt换算成标准温度20℃下的体积值v20：含油量（质量）计算：将实际体积值扣除所含的水，得到纯油量，并用质量值来表示第一节概述三、玻璃式液位计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。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；玻璃式液位计有易碎及不能远传和自动记录等缺点第二节浮力式液位计一、恒浮力式液位计浮力式液位计是应用最早的液位测量仪表。它结构简单，造价低廉，维护也比较方便，至今仍然为工业生产所广泛应用。其工作原理如图所示（外浮球式）分类：恒浮力式：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度——液位而变1.浮球式液住计

特点：可用于压力、温度高，高粘介质，单只适用于小量程（300～500mm)。

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。

原理：力矩平衡原理（略）第二节浮力式液位计一、恒浮力式液位计1.浮球式液住计开关应用：如果只用于液位的定点报警与控制，可以不用密封输出轴。只是在与浮球相连的杠杆的末端，加一个磁钢，通过磁耦合的方式，带动容器外的外磁钢，驱动电接点闭合或断开，就构成了浮球式液位发讯器。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、下限报警。2.磁翻转式液位计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，还可以附加液位越限报警及信号远传功能，实现远距离的液位报警和监控。第二节浮力式液位计一、恒浮力式液位计2.磁翻转式液位计

结构：连通管、磁性浮子、磁性翻板（球）。

原理：磁性浮子随液位升降时，吸引磁翻板翻转。液位上升时，“红面”向外翻，液位下降时，“白面”向外翻，红（代表液体）—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、精度较低，克测高温高压液体。二、变浮力式液位计

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。1.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，因此通过检测浮筒所受的浮力，便可以确定液位。第二节浮力式液位计二、变浮力式液位计当H＝0时，沉筒重量G被弹簧反力平衡：CX＝G当H↑→浮力F↑→向下合力↓→弹簧使沉筒↑浮筒在其平衡时存在如下关系：结论：弹簧位移量△x与液位变化H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，指示出液位的数值。第二节浮力式液位计二、变浮力式液位计2.扭力管式变送器组成：由测量部分、转换部分两部分组成1）测量部分：浮筒1上的力，通过杠杆2被扭力管3的弹性力所平衡。当液位低于浮筒下端时，浮筒的全部重力w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（一般约为7℃）。当液位上升为H时，浮筒的浮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，则扭力管扭转角减小。与扭力管3底端固定的芯轴4顺时针偏转相同的角度。芯轴输出角位移量，通过机械传动放大机构带动指针，便可以就地指示出液位数值，并通过转换元件将此角位移转换为电动信号输出，以适应远传和控制的需要。电动转换机构将扭力管输出的角位移转换成4～20mA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、解调器、直流放大器组成。第二节浮力式液位计2.扭力管式变送器2）转换部分：将扭力管芯轴角位移转换成电信号输出。多谐振荡器产生6kHz正弦电压，作为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移动时，输出线圈上的感应电压△u与△θ成正比。解调器将差动变压器的输出信号△u变为直流电压V，送入差分放大器U放大，其输出电压经功率放大器放大转换为4～20mA电流I0输出，I0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4-20mA与H、ρ有关，介质密度发生变化时，必须进行修正。第三节静压式液位计一、测量原理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Pb与气相压力Pa间压差ΔP与液位H成正比：

ΔP＝Pb-Pa=Hρg对敞口容器，Pa=大气压，表压力：Pb=Hρg。对密闭容器，Pa=气相压力。

基本原理第三节静压式液位计一、测量原理

测量方法：一般用差压计、差压变送器测量。正压室接罐底液相压力，负压室接气相压力或接大气。测量具有腐蚀、易凝液体时，可以用隔离罐隔离、或用法兰式差压变送器。第三节静压式液位计二、零点迁移问题理论工作情况：用差压变送器测量液位高度，是一种最基本的状况。当H＝O时，作用在正、负压室的压力是相等的，称为“无迁移”。假定我们采用的是电动差压变送器，其输出信号为4～20mA。H＝0时，Δp＝0，这时变送器输出为4mA，H＝Hmax时变送器的输出为20mA。实际工作情况：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。若被测介质的密度为p1，隔离液密度为p2，这时，正、负压室的压力分别为：正、负压室之间的压力差为:＋－第三节静压式液位计二、零点迁移问题对比无迁移情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定数值为（h2—h1）p2g。为了使仪表能正常反映出液位的数值，必须设法抵消掉这一固定差压的作用，使得当H＝0时变送器的输出仍然为4mA，而当H＝Hmax时，变送器的输出为20mA。采用的方法一般是在仪表上加一迁移装置，利用变送器内部的反馈调整作用，抵消掉固定差压（h2—h1）p2g的作用，我们称这种方法为“零点迁移”。由于H＝0时，△p＜O，这种情况叫负迁移。假定固定差压为（h2—h1）p2g＝2000Pa，满量程时，差压由0变化到5000Pa。迁移原理如图4－12中曲线b所示。第三节静压式液位计三、静压式液位计的应用1.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、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，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充有硅油，作为传压介质，起到隔离被测介质的作用测量密闭容器的液位时，同样存在“迁移”问题。图4－14中迁移量为：第三节静压式液位计三、静压式液位计的应用2.投入式液位变送器（教材P71图4-15）

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、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4～20mADC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，适用于水、油、酸、碱、盐及粘稠性液体。第四节其它物位测量仪表一、电容式物位计

电容液位传感器：内外两个筒型电极组成同轴电容器，两电极间充满介电系数为ε的被测介质时，传感器电容为：

1、测量原理

电容式物位计由电容液位传感器和测量电路组成。被测介质的物位通过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

当R、r和ε一定时，电容量C的大小与极板的长度L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。第四节其它物位测量仪表一、电容式物位计用被测介质作中间绝缘体。电容器上部气体、下部液体的介电常数分别为ε0、εx，当电容器内液位高度为H时，电容器的总电容量为上下两部分电容之和：

2.非导电介质液住的测量当液位变化时，引起的电容增量应为：可见，只要εo、εx、R和r不改变，系数kc在一定条件下为常数，电容增量△C与被测液位H成正比，因此，测出电容增量的变化便可知道液位的高度。第四节其它物位测量仪表一、电容式物位计

内电极要用绝缘套作为中间介质，导电液体与金属容器壁一起作为外电极。若中间绝缘介质的介电常数为ε，电极被导电液体浸没的高度为H，则该电容器的电容量与液位的关系可近似表示为：

3.导电介质液住的测量说明：通常△C的数值很小（约为pF即10＿12F的数量级），难以准确地进行测量。因此，在测量电路中应采取相应的措施；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，应及时进行修正。第四节其它物位测量仪表二、超声波式液位计

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，即透射式和反射式。1.基本原理1)透射式测量方式:一般是利用有液位或无液位时声阻抗的显著差别作为超声液位开关，产生开关量信号，作为液位高、低限报警信号或联锁信号使用。2)反射式测量方式:测量人射波和反射波的时间差，从而计算出液位高度。探头到液位的高度h可用下式来表示：对于一定的介质，vc是已知的，因此，只要测得时间t，即可确定被测液位高度h。第四节其它物位测量仪表二、超声波式液位计根据超声波传播的介质不同有气介式和液介式两类。2.反射式超声波液位计安装:探头在液面以上的气体介质中，是一种非接触的测量方法。应用场合：适用于腐蚀性介质、高粘度及含有颗粒杂质的液位测量。第四节其它物位测量仪表三、雷达式液位计说明：1）因声速受温度压力的影响较大，测量结果需要采取相应的修正补偿措施，以避免声速变化所引起的误差。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，否则表面不平整，使得声速散射严重，不能有效接收回波。1.工作原理工作原理类似于超声波式的测量方法，以光速c传播的超高频电磁波（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反射回来，雷达液位计是通过测量发射波到反射波之间的延时△t来确定天线与反射面之间的高度（空高h）。第四节其它物位测量仪表三、雷达式液位计2.雷达液位计的组成探测器安装在设备顶部，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、调频器、混频电路、差频放大器、A／D转换器等。显示器为盘装型，由计算单元、显示单元及电源部分组成。

探测器与显示器之间用一根多芯屏蔽专用电缆连接，其作用是向探测器提供24vDC电源，并将A／D转换信号送至显示器由于回波延时Δt极其微小，直接测量Δt非常困难。FCM雷达波：发射线性调频（频率与时间成线性关系）锯齿状信号，延迟Δt反射回天线。发射信号与反射信号在同一时刻上的频率差△f正比于△t。差频信号经过数据处理，可获得空高、液位高度值。第四节其它物位测量仪表三、雷达式液位计3.特点及应用

振荡器经线性电压调制成线性调频等幅振荡波，通过耦合器、天线向被测液面发射电磁波，液面反射波被天线接收。回波通过定向通路器送入混频电路，与发射波产生差频△f信号。通过