课件：液位测量

液位测量2023/2/21核工程检测技术2举例说明液位测量必要性在油气储运过程中，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。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。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；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。2023/2/22核工程检测技术

物位检测物位的定义：统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。2、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。3、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-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置简称界位。物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。2023/2/23核工程检测技术物位检测仪表的分类：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，以满足不同生产过程的测量要求。物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。连续测量方式能持续测量物位的变化。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物位开关。2023/2/24核工程检测技术按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。1、直读式物位检测仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。2、静压式物位检测仪表基于流体静力学原理，适用于液位检测。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，通过测量参考点的压力可测知液位。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。2023/2/25核工程检测技术3、浮力式物位检测仪表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，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。4、机械接触式物位检测仪表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。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。2023/2/26核工程检测技术5、电气式物位检测仪表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，通过检测这些电量的变化可知物位。如电容式、电感式和电阻式液位计等。 6、其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式仪表等。2023/2/27核工程检测技术

浮力式液位计：浮力式液位计有两类：

恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计.

变浮力式：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。2023/2/28核工程检测技术恒浮力法测量液位的原理2023/2/29核工程检测技术平衡时：浮标的重量-浮力=平衡物的重量。即:W-F=G当液位上升时：浮标浸没部分增加，浮力增大，W-F<G,浮标上升，浮力下降，使W-F=G浮标的位置就反映了物位的高度。2023/2/210核工程检测技术变浮力法测量物位的原理：设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X,弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：弹簧的伸长量通过变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。2023/2/211核工程检测技术静压式液位计一、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。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式中：γ为液体的重度。由于压力表安装的位置固定，所以h是常数。2023/2/212核工程检测技术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对于与大气相通的敞口容器可以把压力表安装在液位最低处，如右图。为常数2023/2/213核工程检测技术压缩空气经过滤器、主气滤清器和节流元件最后从导管下端敞口逸出。将压缩空气的压力凋到P1后，经节流元件降到P2，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。吹气式液位计系统2023/2/214核工程检测技术差压式液位计

2023/2/215核工程检测技术单法兰式差压液位计2023/2/216核工程检测技术

双法兰式差压液位计2023/2/217核工程检测技术差压式液位计的工作原理流体静力学原理2023/2/218核工程检测技术流体静力学原理（阿基米德原理）

静止状态的流体内物体所受浮力F浮有：F浮

=ρ液

gV排

由F=P表压S表面积可推导出：

P压力=ρ液

gH液高

（差压式液位计的工作依据）2023/2/219核工程检测技术差压法测量原理PA为密封容器中A点静压（气相压力）；PB为B点静压；H为液体高度；ρ-液体密度g-重力加速度9.8m/s²2023/2/220核工程检测技术由P压力=ρ液

gH液高公式可知：A、B两点的差压为：△P=PB-PA=（PA+ρ液

gH液高）-PA

即：△P=ρ液

gH液高若是敞口容器（PA为大气压力）则：

P=PB=ρ液

gH液高（P为B点表压）

(一个标准大气压=101.325KPa

1MPa=10^6Pa

1KPa=10^3Pa)2023/2/221核工程检测技术△P=ρ液

gH液高如果被测液体的密度ρ液是稳定的，且g-重力加速度9.8m/s²则：密闭容器中A、B两点的压差△P与液位高度H成正比。在敞口容器中P（B点表压）与液位高度H成正比。即只要测出P或者△P，就可以知道敞口容器或密封容器内的液位高度！这便是差压式液位仪表的工作原理！2023/2/222核工程检测技术差压变送器工作原理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。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。2023/2/223核工程检测技术如图，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！2023/2/224核工程检测技术

差压液位测量的三种方式2023/2/225核工程检测技术一、双法兰式液位测量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。2023/2/226核工程检测技术2023/2/227核工程检测技术2023/2/228核工程检测技术2023/2/229核工程检测技术二、单法兰式液位测量单法兰式液位测量应用于敞口容器的液位检测。如储水罐液位检测，贫液罐液位检测等。2023/2/230核工程检测技术2023/2/231核工程检测技术2023/2/232核工程检测技术2023/2/233核工程检测技术三、平衡式差压液位测量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！2023/2/234核工程检测技术2023/2/235核工程检测技术平衡式差压液位计2023/2/236核工程检测技术2023/2/237核工程检测技术

差压式流量计的“迁移”2023/2/238核工程检测技术变送器实际感受到的压差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！2023/2/239核工程检测技术正压侧受到压力：P正=P+ρ液gH液高+ρ1gh1负压侧受到的压力：P负=P+ρ2gh2则差压：△P=ρ液gH液高+ρ1gh1-ρ2gh2显然，要想得到正确的液位号，必须将ρ1gh1和ρ2gh2的影响除掉，这就要用到差压变送器的迁移功能！2023/2/240核工程检测技术设P1=ρ1gh1（正压侧液柱压力）

P2=ρ2gh2（负压侧液柱压力）变送器实际差压△P=ρ液gH液高

+P1-P2若将差压变成：△P=ρ液gH液高

-（P1-P2）则将不受ρ1gh1

和ρ2gh2的影响！2023/2/241核工程检测技术通过变送器在不同迁移下输入/输出关系曲线可以知道，所谓迁移就是将变送器的输入/输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！2023/2/242核工程检测技术两个易混淆的概念测量范围：以测量的起始点到终结点表示测量的范围。如：-50~+50kpa，0~100kpa量程：测量的终结点减去起始点的值。如：-50~+50kpa和0~100kpa的变送器，他们的量程都是100kpa2023/2/243核工程检测技术以上可知，所谓迁移就是将变送器的输入/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变的情况下改变变送器的测量范围。一般我们把这种量程范围的调整，称作“迁移”。2023/2/244核工程检测技术以上已知：△P=ρ液gH液高

-（P1-P2）则将不受ρ1gh1

和ρ2gh2的影响！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压管液柱对变送器的压力！即迁移量为（P1-P2）2023/2/245核工程检测技术设H=1mh1=0.7mh2=0.3mh3=0.4m正负压管内都为硅油。变送器位于下法兰下侧时：P1-P2=ρg（0.4-1-0.4）

=-ρg（负迁移）变送器位于两法兰之间时：P1-P2=ρg(-0.3-0.7)=-ρg(负迁移）变送器与下法兰水平时：P1-P2=ρg（0-1）

=-ρg（负迁移）可知双法兰式液位计两法兰片不在同一水平位置时，只能进行负迁移！2023/2/246核工程检测技术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当变送器位于法兰以下时：

P1-P2=ρg（0.3-0）=0.3ρg（正迁移）而当变送器和法兰处于同水平面时：

P1-P2=ρg（0-0）=0（不用迁移）2023/2/247核工程检测技术例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。答：变送器与下取压口等高，故h1=0P1=ρ1gh1=0则迁移量=P1-P2=0-ρ2gh2=0-(2200*9.8*1.113)=-24.5KPa即负迁移24.5kpa假设此变送器原测量范围是0~100kpa，则负迁移后应为-24.4~75.6kpa2023/2/248核工程检测技术例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。答：迁移量=P1-P2=(200*9.8*0.791)-0=1550.36pa

即为正迁移1.55kpa2023/2/249核工程检测技术电容式液位计

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的变化来测量液位、料位或两种不同液体的分界面。工作原理2023/2/250核工程检测技术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ε的介质时，则两圆筒间的电容量为式中：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。2023/2/251核工程检测技术安装形式1-内电极；2-绝缘套右图是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。

2023/2/252核工程检测技术右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。2023/2/253核工程检测技术超声波液位计一、超声波液位测量的优点和原理频率在20000Hz以上的声波叫作超声波。优点：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，价格便宜，并且不受光线、粘度的影响

超声液位测量仪的原理是利用超声波在气体、液体、固体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。2023/2/254核工程检测技术

图(a)所表示的是超声波发射技能器1与接收换能器2分别安装在容器3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(b)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4里的装置。2023/2/255核工程检测技术二、超声波脉冲回波式液位测量工作原理：

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，即可求得从探头到液面之间的距离，从而确定出液位。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。2023/2/256核工程检测技术(a)气介式(b)液介式(c)固介式单探头超声波液位计2023/2/257核工程检测技术液面探头超声波传播距离为L，在液体中的传播速度为v，传播时间为Δt

，则：L是与液位有关的量，故测出L便可知液位，

L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。2023/2/258核工程检测技术单探头液位计使用一个换能器，