能源与动力工程测试技术 课件 第八章 液位测量

先进热动力测试技术Advancedthermalandpowerengineeringmeasurementtechnology目录PAGEDIRECTORY绪论1测量技术的基本知识2误差分析与测量不确定度3温度测量4压力测量5流量测量7液位测量8气体成分及颗粒物测量9转速及功率测量10振动与噪声测量11流速测量6先进测试技术发展12液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第一节概述一、物位测量概述容器（开口或密封）中液体介质液面的高低液位液位计两种液体介质的分界面的高低界面界面计固体块、散粒状物质的堆积高度料位料位计物位测量可以确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程的物料平衡，也可为经济核算提供可靠依据。物位物位计油罐液位检尺第一节概述二、物位测量的分类油罐检尺——用米尺对储罐内的液体进行液位测定的方法，也是可靠的油罐液位计校验方法静压式物位测量——基于流体静力学原理，利用差压测量液位，用于液位测量，玻璃板式液位计第一节概述磁性浮球液位开关二、物位测量的分类浮力式物位测量——基于阿基米德原理，分为恒浮力法和变浮力法，用于液位测量，浮子液位计、磁浮球液位计（浮球式水位控制器)、磁翻板液位计、浮子杠杆电位差计磁翻板液位计第一节概述二、物位测量的分类电气式物位测量——电极之间的电气参数（如电阻、电容、电感、电极、浮子电位差等），既可用于液位测量，也可用于料位测量声学式物位测量——既可用于液位测量，也可用于料位测量，超声波法射线式物位测量——测量放射性吸收量实现物位的非接触式测量其他方法，如微波法（智能雷达物位计）、光学法、重锤法等第一节概述二、物位测量的分类第一节概述三、物位测量的基本原理基于力学原理敏感元件所受到的力（压力或密度）的大小与物位呈正比，如静压式、浮力式、重锤式物位测量等。基于相对变化原理当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离相对变化可获得物位信息，如声学法、微波法、光学法等。基于某强度性物理量随物位的升高而增加的原理例如对射线的吸收强度、电容器的电容量等。重锤式物位测量能源与动力学院液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第二节浮力式液位计浮力式液位计是一种应用较早的一种液位计，结构简单，使用方便，价格低廉，至今仍在工业生产中广泛使用。浮子位于液面上部液体对浮子的浮力基本上不变浮子的位置随液位高度而变化需测出浮子的位移量，可知液位的高低浮筒浸在液体里浮筒被浸入程度的不同，所受浮力也不同需检测出浮筒所受的浮力的变化，可知液位的高低浮子式液位计浮筒式液位计第二节浮力式液位计一、浮子式液位计本质上是恒浮力式的液位计包括：浮标式、浮球式、翻板式、重锤式等浮子漂浮基本原理初始状态的浮子位置液位上升ΔH时的浮子位置第二节浮力式液位计一、浮子式液位计滑轮形浮子液位测量浮子重锤液位计（用于常压或敞口容器）

1—浮子；2—滑轮；3—钢丝绳；4—重锤；5—指针；6—标尺浮子重锤液位计（用于密闭容器）

1—导轮；2—铁心；3—磁铁；4—浮子；5—非导磁管；6—滑轮；7—钢丝绳；8—重锤；9—指针；10—标尺利用缆绳将液面上漂浮的浮子的上下浮动转换为滑轮的旋转角度来测量液位的方法，可用于测量堤坝水位、水井水位、河流水位、堰式流量计用水位等。滑轮转数减少，指示发出的同时，在电子式旋转角变送部分接收传送信号。第二节浮力式液位计浮子电磁式燃油表基本原理一、浮子式液位计浮子电位差式燃油表包括：浮子、杠杆、可变电阻、电位差电路、动圈指针等第二节浮力式液位计二、浮筒式液位计浮筒式的工作原理是将浸在液体中的圆筒形浮子所发生的重量变化，通过气动式变送部分与电子式变送部分转换为传输信号，分为内浮筒式与外浮筒式两种：内浮筒式将浮子直接插入槽内进行测量；外浮筒式将液体导出至外部进行测量。此外，浮子重量变化的检测方法又分为力平衡式与位移平衡式两种。浮子所产生的浮力变化等于浮子排开液体的重量（排水量的英文是displacement），假如浮子的横截面积（A）与轴方向保持恒定，由于与液位成比例关系，因此从浮子的重量变化可以得出液位。第二节浮力式液位计二、浮筒式液位计内浮筒力平衡式浮筒液位计外浮筒位移平衡式浮筒液位计力平衡式转换部分通过力杠检测浮子的浮力，所以浮子的平均密度被设计为大于测量液的密度，力杠会一直受到向下的力，但该力不受物理外形的影响。此外，浮子基本不上下浮动。不同的是转换部分变成了位移转换部分，通过旋转杠杆将浮力变化转换为微小的旋转角度，再借助转矩轴传送到转换部分。因为存在位移平衡，所以浮筒会上下浮动、调整，从而使测量不受影响。第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器电动浮筒液位变送器，由液位传感器，霍尔变送器和毫伏-毫安转换器组成，是变浮力型。1、液位传感器主要由浮筒、杠杆、扭力管及芯轴组成。检测液位的浮简垂直悬挂在杠杆的一端，杠杆的另一端与扭力管芯轴的一端垂直地固定联结在一起，并且支撑于固定在外壳上的支点上。而扭力管的另一端通过法兰固定在仪表的外壳上，芯轴的另一端为自由端，可输出位移信号。浮筒扭力管部件结构1、浮筒；2、杠杆；3、扭力管；4、芯轴；5、外壳第二节浮力式液位计浮筒式液位计原理图a)初始状态的浮筒；b)液位为H时的浮筒1、变压器；2、铁心；3、连杆；4、弹簧；5、固定端；6、浮筒三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器当液位为零时，液体浸没在浮筒的深度为零，作用于杠杆上的力只有浮筒的重力，即：式中，m—浮筒的质量；g—重力加速度；F0—液位为零时作用于杠杆上的力。作用于杠杆上的扭力矩为：式中，l—杠杆受力点到支点的垂直距离。第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器此时扭力管产生的扭角可用下式表示：式中，d1、d2—分别为扭力管的内、外径；

K—扭力矩的横向弹性系数；

L—扭力管的长度。浮筒式液位计原理图a)初始状态的浮筒；b)液位为H时的浮筒1、变压器；2、铁心；3、连杆；4、弹簧；5、固定端；6、浮筒第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器当液位为H时，作用于杠杆上的力为：式中，x—浮筒上移的距离；H—液位；

A—浮筒的截面积；

ρ—液体的密度；

F—液位为H时作用在杠杆上的力。浮筒上移的距离x与液位H成正比变化，即：（k—比例系数）浮筒式液位计原理图a)初始状态的浮筒；b)液位为H时的浮筒1、变压器；2、铁心；3、连杆；4、弹簧；5、固定端；6、浮筒第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器作用在扭力管上的扭力矩为：扭力管产生的扭角为：

浮筒式液位计原理图a)初始状态的浮筒；b)液位为H时的浮筒1、变压器；2、铁心；3、连杆；4、弹簧；5、固定端；6、浮筒第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器液位为零时，扭力管产生的扭角最大（约为7°），随着液位升高，扭角减小，液位为最高时，扭角最小（约为2°）。扭角的改变量为：式中，Δθ=θ−θ0为液位从零升到H时扭力管扭角（即芯轴角位移）的改变量；ΔF=F−F0为液位从零升到H时的浮筒所受力的改变量。第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器1、液位变送器Δθ

与H成反比

ΔF=F−F0计算如下：Δθ=θ−θ0计算如下：式中，K1—转换系数，当ρ不变时，K1为常数。从上式可看出，Δθ与H成反比变化，即液位愈高，扭角愈小。第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器2、霍尔液位变送器将Δθ变成UH通过霍尔液位变送器可将芯轴输出的角位移信号Δθ转换成毫伏信号。霍尔变送器主要由霍尔片、磁场及传动机构组成。推板3与芯轴2固定联结。芯轴移动时推板随之移动，推板带动推杆4动作，并通过支撑件5使霍尔片6沿着固定弧线在磁场中移动。霍尔变送器示意图1、扭力管；2、芯轴；3、推板；4、推杆；5、支撑件；6、霍尔片第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器3、毫伏-毫安转换器将UH变成电流I0转换器将霍尔变送器输出的毫伏信号转换成0~10mA或4~20mA的直流电流信号，以便与二次仪表配套使用。图中放大器包括调制交流放大，检波和功率放大部分。霍尔变进器输出的电势UH与反馈电压比较，其差值调制成交流信号，经交流放大、检波和功率放大后，输出0~10mA·DC或4~20mA·DC信号。由于采用了负反馈，所以提高了电压−电流转换的稳定性和线性度。I0RHR1R2RW1RW2K4UβUH毫伏−毫安转换器第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器3、毫伏-毫安转换器将UH变成电流I0转换器输出和输入间的关系为：式中，K4—放大器的放大倍数。反馈电压为：电路中的电位器RW1和RW2可用来改变仪表的量程和调节仪表的满度值。I0RHR1R2RW1RW2K4UβUH毫伏−毫安转换器K5为反馈系数第二节浮力式液位计三、浮筒式液位计变送器4、电动浮筒液位变送器框图器由于K1K2K3/K5为常数，所以变送器输出的电流I0与液位H成比例变化，将I0送至二次仪表可指示、记录和调节液位。电动浮筒液位变送器ΔθK1K2K3K4/RH+R1+−K5ΔxUHUH-UβH0~20mAI0能源与动力学院液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第三节差压式液位计一、开口容器的液位测量利用静压差测量液位的原理。1、用压力表测量液位用压力表测量开口容器的液位，压力表通过导压管与容器底部相连，读出压力表的指示值，便可以根据：得到被测液位的高低。若选用远传压力表可将被测信号远传。用压力表测量液位示意图1、容器；2、被测液体；3、阀门；4、导压管；5、压力表papb第三节差压式液位计一、开口容器的液位测量2、用压力表变送器测量液位对于粘度大，有沉淀，易结晶，易凝固或具有腐蚀性的液位，为防止导压管堵塞或腐蚀，可采用法兰式压力变送器测量液位。使用时，将变送器上的法兰与容器法兰直接连接。变送器的敏感元件金属膜盒，经导压管与测量室相通，其内封入沸点高，膨胀系数小，凝固点低的液体硅油，使被测介质与测量系统隔离。压力变送器可把液位信号变成标准的电或其信号，与二次仪表配套指示、记录、调节液位。用法兰式压力变送器测量液位示意图1、被测液体；2、容器；3、法兰；4、压力变送器第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量根据不同场合和使用条件，用差压变送器测量密闭容器的液位存在着无迁移、负迁移和正迁移三种情况。差压变送器测量液位原理图p2p1+−Hp2p1+−h2ρ2ρ2ρ1p0h1Hp2p1+−p0p0Hh无迁移负迁移正迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量1、无迁移差压变送器正、负压室分别与容器下部（液位基准面）和上部（气相压力）取压点相连通。设被测液体密度为ρ，变送器正负压室差压Δp，液位高度为H，则有Δp=ρgH。差压与液位高度成比例变化。变送器可以用电动的，也可以用气动的。0420600012000ΔP（Pa）-6000I0（mA）p2p1+−H无迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量2、正迁移在实际应用中，有时变送器位置低于液位基准面。此时作用在变送器正负压室的压差为：式中，h—变送器正、负压室至液位基准面。p2p1+−p0p0Hh0420600012000Δp（Pa）-6000I0（mA）正迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量2、正迁移当H=0时，Δp=ρgh，电动变送器输出高于下限值4mA；当H为上限值时，变送器输出高于20mA。此时，需要在维持原来量程不变的前提下，调整迁移量，增大变送器输入的上、下限，使H为0时输出为4mA，Hmax时，输出为20mA。此过程为正迁移，正迁移量为：知道ρ、g、h即可知道正迁移量A。0420600012000Δp（Pa）-6000I0（mA）p2p1+−p0p0Hh正迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量3、负迁移防止被测介质堵塞或腐蚀导压管，以及保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负室与取压点之间分别装有隔离罐并充以隔离液，此时正负压室的压力分别为：正负压室的压差为：0420600012000Δp（Pa）-6000I0（mA）p2p1+−h2ρ2ρ2ρ1p0h1H负迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量3、负迁移当H=0时，Δp=−ρ2g(h2−h1)，此时电动差压变送器的输出低于其下限值4mA，并且由于实际工作中，往往ρ2>ρ1，所以即使H为上限值都有可能使变送器输出低于4mA，这样变送器就无法正常工作。0420600012000Δp（Pa）-6000I0（mA）p2p1+−h2ρ2ρ2ρ1p0h1H负迁移第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量3、负迁移此时需要在变送器上调整迁移量，即在维持原来量程不变的条件下，同时减小变送器输入的上、下限，使变送器的输出与液位成比例变化。这个过程称为负迁移，负迁移量为：由h2、h1和ρ'即可求出负迁移量B。0420600012000Δp（Pa）-6000I0（mA）负迁移p2p1+−h2ρ2ρ2ρ1p0h1H第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量差压式液位计（无迁移）差压式液位计（正迁移）差压式液位计（负迁移）第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量4、密封容器的液位测量迁移量的相对值可用下式表示：迁移只是同时改变量程的上、下限，而不是改变量程。注意：仪表改变迁移量之后的量程上限值不能大于仪表范围上限值。第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量4、密封容器的液位测量一般情况，都是由导压管把普通压差变送器与被测对象连接在一起进行液位测量的。当被测介质使管道堵塞或是腐蚀仪表时，可用法兰式压差变送器代替普通压差变送器测量液位。法兰式压差变送器按照安装时所需法兰的个数分单法兰式和双法兰式，按照法兰结构又可分为平法兰和插入式法兰。第三节差压式液位计二、密封容器的液位测量4、密封容器的液位测量压差变送器测量室与法兰之间用毛细管连接。法兰膜盒、金属毛细管和正负压室组成的密闭系统内充有硅油（隔离），作为传压介质。当液位变化时，压差变送器输出相应的电或气信号。双法兰式差压变送器测量液位（a）双平法兰；（b）一边平法兰，一边插入式法兰；（c）双插入式法兰1、法兰式测量头2、毛细管第三节差压式液位计三、低温液体液位的液位测量测量低温液体液位时，采用带有汽化器的差压式低温液位计。低温液体容器的上部空间（气相部分）与液位计的负压室1相连通，低温容器的底部（液相部分）经汽化器4与液位计的正压室2相连通。汽化器的作用是使低温液体汽化，容器底部低温液体的静压是通过汽化后升至常温的气体加到液位计正压室的。正压室内的压力等于低温容器内气相压力与低温液体的静压之和。正压室与负压室的压力之差为低温液体的静压，即为低温液体液面高度的函数。差压式低温液位计原理（1–负压室；2–正压室；3–标尺；4–汽化器）第三节差压式液位计三、低温液体液位的液位测量为了减小向低温容器的漏热，引压管道一般是由低导热材料制成的薄壁管（如薄壁不锈钢管或德银管），且管子的长径比要足够大。但无论采取什么措施，引压管的漏热仍是较大的，因此，差压式低温液位计不宜用于液氦、液氢等汽化潜热很小的低温液体，也不宜用于小型的低温容器上，通常应用于大中型液氧、液氮贮罐或槽车上。差压式低温液位计原理（1–负压室；2–正压室；3–标尺；4–汽化器）第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量水位过高：使蒸汽品质恶化，加重管道及设备结垢，甚至发生故障。水位过低：对水循环不利，可能使水冷壁管局部过热甚至爆管。第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量锅炉运行过程中，汽包压力随负荷变化，这样，汽包中饱和水和蒸汽的密度随之变化，影响水位测量的精确度。在利用差压变送器测量汽包水位时，必须消除汽包压力变化时对水位测量的影响，即对汽包水位信号进行压力校正。方法：采用双室平衡容器压力校正采用电气校正回路压力校正第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量“水位一差压”转换原理：关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器实现的。在平衡容器中，宽容器（正压室）的水面高度是恒定的。当其水位增高时，水可以通过汽侧连通管送入汽包；而水位降低时，通过蒸汽冷凝得以补充。差压计的正压头从宽容器引出，因此，当宽容器中水的密度一定时，差压计的正压头为定值。平衡容器的负压管（负压室）与汽包连通，输出的压头为差压计的负压头、其大小反映汽包水位的变化。双室平衡容器工作原理图1、汽包；2、宽容器（正压室）；3、负压管（负压室）；4、差压计第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量由于特定的结构，水位--差压转换关系受密度这一状态参数的影响，因而在实际使用时会引起汽包水位的测量误差。1、由于向外散热的影响，平衡容器正、负压室中的水温从上至下逐渐降低，且不易确定，因而密度ρ1、ρs的数值难以确定。所以差压式液位计用于现场测量时，随着水温的变化，密度的数值发生改变，致使液位计的读数出现误差。为了改变这种密度变化因素对液位计分度基准的影响，一般都采用蒸汽套对平衡容器进行保温，使ρ1、ρs都等于汽包压力下饱和水的密度ρw。双室平衡容器工作原理图1、汽包；2、宽容器（正压室）；3、负压管（负压室）；4、差压计第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量2、用于汽包水位测量的差压式液位计，通常是在汽包额定工作压力下分度的，因此只有在相应工况下运行时仪表读数才是正确的。一旦汽包压力发生变化，密度也随之变化，致使差压式液位计的指示读数产生很大误差。为了消除或减小因汽包压力变动而造成的水位测量误差，可以采用具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器。锅炉汽包液位H锅炉产汽（供汽）量Q锅炉给水量G具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器1、汽包；2、凝结水漏盘；3、引出管；4、泄水管；5、下降管第三节差压式液位计四、锅炉汽包水位的测量思考：1、什么叫虚假液位？2、什么叫蒸汽锅炉的三冲量控制？（锅炉汽包液位H，锅炉产汽量Q，锅炉给水量G）3、供汽锅炉在运行过程中，管网用汽突然减小时发现锅炉汽包水位反而突然下降，那么此时应该提高锅炉给水量，还是应该减少锅炉给水量呢？管网用汽突然增大时发现锅炉汽包水位反而突然上升，那么此时应该提高锅炉给水量，还是应该减少锅炉给水量呢？能源与动力学院液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第四节电容式液位计一、电容式液位计测量原理当平板电容器的介电常数ε和极板面积A、极板间距d三个参数中任何一个发生变化时，都会引起电容量C的改变。根据被测液体的不同性质，采用不同结构的电极，使液面升降时能改变其中一个参数，通过测量电容量的变化不仅可以测量液位，还可以测量料位或两种不同液体的相界面。这种液位计是根据液相与气相导电性能差别很大的特点设计的。第五节补充：其他液位计一、电容液位计将成对的电极浸到待测液体或粉状物中，通过电极间存在的待测物体的量及因电导率产生的静电电容的变化来测得料位的方法。C——电极间的静电电容，F；ε1、ε2——流体及空间气体的电导率，F/m；H——液位高度，m；L——电极长度，m；D、d——外筒及内筒的电极直径，m。ε2ε1LHDd电容式液位计左：容器为金属材料右：容器为非金属材料或容器之间>>电极直径第五节补充：其他液位计一、电容液位计电容式物位计组成：电极（敏感元件）、电容测量电路。电容测量方法：交流电桥法、充放电法、谐振电路法。电容式油量表第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计1、结构液位计用一根电极作为电容器的内电极，一般为不锈钢或纯铜圆柱体，直径为d。被测的导电液体是电容器的另一个电极（外电极）。在内电极外安装聚四氟乙烯套管制成的绝缘层或涂以搪瓷作为绝缘层，作为内外电极间的绝缘介质。不锈钢棒、绝缘层套管以及容器内的被测导电液体共同构成了一圆柱形电容器。装有导电介质的容器是由金属制成的，内径为D0。测量导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘层；3–虚假液位；4–容器；5–绝缘层套管）第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计2、工作原理利用液位传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化这种关系进行液位测量。当液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变电容传感器的电容量成比例地增加；反之，电容量就减小。通过测量传感器的电容量大小就可获知被测液体液位的高低。H=0：容器为外电极，内电极与容器壁组成电容器，空气与聚四氟乙烯塑料或搪瓷作为介电层测量导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘层；3–虚假液位；4–容器；5–绝缘层套管）第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计2、工作原理高度为H的导电液体时整个系统的电容量C导电液体作为电容器外电极，其内径为绝缘层的直径，介电层为绝缘塑料套管或搪瓷无液体部分的电容与空容器的类似，只是电极覆盖长度仅为容器上部的气体部分长度L–H测量导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘层；3–虚假液位；4–容器；5–绝缘层套管）第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计2、工作原理液位为H时电容的变化量CH为若D0>>D，且ε>>ε0'测量导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘层；3–虚假液位；4–容器；5–绝缘层套管）第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计2、工作原理当绝缘材料的介电常数较大和绝缘层厚度较小（D/d接近于1）时，传感器的灵敏度较高。适用于电导率不大于10–2S/m，且粘度不太大的液体，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该粘附层将一样会起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位（图中的ΔH'）。为了减少虚假液位的形成，应尽量使绝缘层表面光滑和选用不沾染被测介质的绝缘层材料。测量导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘层；3–虚假液位；4–容器；5–绝缘层套管）第四节电容式液位计二、测量导电介质的电容式液位计3、分段式电容液位计将原来一根全量程长度的圆筒形传感电容结构，改变为从上至下相同长度的若干段相互独立的圆筒形电容器。由于空气的介电常数约为1，原油的介电常数为2.3～3，水的介电常数约为80，因此比较容易判断出各段电容值的关系为C1≈C2<C3<C4≈C5≈C6<C7<C8≈C9≈C10。由于第4～6段电容全部浸在原油中，因此可以根据C4、C5、C6计算出各段电容处原油的介电常数，将得到的3个原油介电常数取平均值，视为在线测得的当前原油的介电常数。分段式电容液位计（10段）原理图及等效电容（L为单个电容器高度，HX和HY分别为油气、油水界面）第四节电容式液位计三、测量非导电介质的电容式液位计1、结构当被测对象为非导电介质时，是以被测介质作为介电层，组成电容式液位测量仪表的，适合的测量对象包括电导率小于10–9S/m的液体（如轻油类）、部分有机溶剂和液态气体。两根同轴装配、相互绝缘的不锈钢管分别作为圆柱形可变电容传感器的内、外电极，外管管壁上布有通孔，以便被测液体自由进出。测量非导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘支架；3–虚假液位；4–开孔；5–外电极；6–容器）第四节电容式液位计三、测量非导电介质的电容式液位计2、工作原理H=0时，两电极间的介质是空气，即容器内没有液体时，介电层为两极间空气当非导电液体液位高度为H时，在有液体的高度H范围内，非导电液体作为电容器的介电层，而被测液体上部与空容器时一样，是以两极间的空气为介电层，则总电容量C测量非导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘支架；3–虚假液位；4–开孔；5–外电极；6–容器）第四节电容式液位计三、测量非导电介质的电容式液位计2、工作原理电容量的变化量CH电容量的变化与液位高度成正比，测出电容量的变化，便可知道液位高度。被测介质的介电常数与空气的介电常数差别越大，仪表的灵敏度越高；D和d的比值越接近于1，仪表的灵敏度也越高。测量非导电介质液位的电容式液位计（1–内电极；2–绝缘支架；3–虚假液位；4–开孔；5–外电极；6–容器）第四节电容式液位计四、电容式液位计的特点电容式液位计内部无可动部件，结构简单、性能可靠、造价低廉，可用于各种恶劣的工况条件，如高温、高压的环境，一般的工作压力从真空到7MPa，工作温度从–186～540°C。电容式液位计适应性广，测量结果与被测介质密度、化学成分等因素无关。它能够测量导电液体介质和非导电液体介质，能够测量具有强腐蚀性或易结晶堵塞的液体，此外还能够测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，且需要使用高频电路。缺点是泄漏电容和电缆电容大，屏蔽要求高，测量电路复杂，在液面激烈沸腾时（如液氦液面），因蒸气浓度高，其灵敏度会有所下降。在测量极低温度下的液态气体时，由于ε接近ε0，一个电容灵敏度太低，可取同轴多层电极结构。设计时，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，这相当于多个电容并联，有利于提高传感器的灵敏度。能源与动力学院液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第五节电阻式液位计一、电接点液位计为了便于测点的布置，被测的液位通常由金属测量筒引出，电接点则安装在测量筒上。电接点由两个电极组成：一个电极裸露在测量筒中，它和测量简的壁面用绝缘子相隔；另一个电极为所有电接点的公共接地极，它与测量筒的壁面接通。由于液体的电阻率较低，浸没其中的电接点的两电极被导通，相应的显示灯（氖灯）亮；而暴露在蒸气中的电接点因蒸气的电阻率很大而不能导通，相应的显示灯为暗。因此，液位的高低决定了亮灯数目的多少；也就是说，亮灯数目的多少反映了液位的高低。电接点液位计1–汽包；2–测量筒；3–电接点位于测量简内的电极；4–电接点的绝缘子；5–显示器；6–电源；7–电缆；8–电接点的地极（公共极）第五节电阻式液位计一、电接点液位计为保证电接点能够在高温高压的环境下正常工作，与测量筒有良好的绝缘，常用超纯三氧化二铝和聚四氟乙烯作为绝缘材料。无论采用哪一种显示方式，均无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续问题，这也就是电接点液位计固有的不灵敏区，或称为测量的固有误差。这种误差的大小取决于电接点的安装间距。为满足运行中监测液位的要求，目前多用15个、17个或19个接点，同时采用单数接点和双数接点分别由两组交流电源供电的方式，保证液位计安全运行，当一组电源发生故障时，另一组接点仍可继续指示液位。光柱显示编码式液位计原理图第五节电阻式液位计一、电接点液位计测量汽包水位时，测量筒内水柱的温降会造成筒内水位与汽包重力水位之间的偏差，以及水位计的电接点因挂水而误发信号的问题。需要采取伴热和冷凝措施。伴热装置的汽源来自汽侧取样管，汽源进入加热管，通过加热管对筒内的水样进行加热，以提高水样的温度。而冷凝装置所收集的冷凝水由冷凝管疏至筒体内不同高度的水样中，这样筒体中就会不断涌现温度为饱和水温度的纯净水，迫使筒体内下部温度稍低、水质相对较差的水样流出筒体，经过水侧取样管流回汽包。光柱显示编码式液位计原理图第五节电阻式液位计二、热电阻液位计热电阻液位计利用通电的金属丝（以下简称热丝）与液、气之间传热系数的差异及其电阻值随温度变化的特点进行液位测量。一般情况下，液体的传热系数要比其蒸气的传热系数大1～2个数量级。因此，对于供给恒定电流的热丝而言，其在液体和蒸气环境中所受到的冷却效果是不同的，浸没于液体时的温度要比暴露于蒸气中的温度低。如果热丝（如钨丝）的电阻值还是温度的敏感函数，那么传热条件变化导致的热丝温度变化将引起热丝电阻值的改变。所以，通过测定热丝的电阻值变化可以判断液位的高低。热电阻液位计工作原理图（1–热丝；2–导线）第五节电阻式液位计二、热电阻液位计利用热丝作为液位敏感元件，制成液位报警传感器，也称定点式电阻液位计。在存储液体的容器内，将热丝安置于液面下预定的检测点A处并在其电路中并联一个小灯泡R0。选择正温度系数较大的热丝材料和合适的电源E、灯泡R0，使热丝露出液面时的电阻值Rs>>R0，在这样的参数匹配条件下，当液位正常时，热丝浸没于液体中，散热量较大，温度较低，电阻值较小，对回路电流起分流作用，使流经灯泡的电流减小，故灯泡较暗；当液位低于预定高度时，热丝露出液面，散热量减少，温度升高，电阻值增加至Rs（Rs>>R0），这时，回路电流主要从R0通过，即灯泡变亮。定点式电阻液位计工作原理图（1–热丝；2–导线；A–预定液位）能源与动力学院液位流量概述浮力式液位计差压式液位计电容式液位计电阻式液位计其它类型的液位计08第八章第五节其它类型的液位计一、磁翻板液位计本质上是一种浮力式液位计，根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作，弥补了早期玻璃管液位计不能在高温高压下工作且易碎的缺点。它适用于石油、化工等工业领域的液位指示，不仅可以就地指示，还可以实现远距离液位报警和监控。磁翻板液位计从被测容器接出不锈钢管作为导向管，管内有带磁铁的浮子，管外设置一排轻而薄的翻板，其结构如图8–19（a）所示。每块翻板都有水平轴，可灵活转动，高度约10mm。翻板一面涂红色，另一面涂白色。翻板上还附有小磁铁，小磁铁彼此吸引，使翻板始终保持红色朝外或白色朝外。当浮子在近旁经过时，浮子上的磁铁就会迫使翻板转向，以致液面下方的红色朝外，上方的白色朝外，容器内部液位的实际高度为指示器的红白交界处磁翻板（滚珠）液位计翻板滚珠第五节其它类型的液位计一、磁翻板液位计磁翻板液位计从被测容器接出不锈钢管作为导向管，管内有带磁铁的浮子，管外设置一排轻而薄的翻板（或滚柱），一面涂红色，另一面涂白色。翻板（或滚柱）上附有小磁铁，小磁铁彼此吸引，使翻板（或滚柱）始终保持红色朝外或白色朝外。当浮子在近旁经过时，浮子上的磁铁就会迫使翻板（或滚柱）转向，以致液面下方的红色朝外，上方的白色朝外，容器内部液位的实际高度为指示器的红白交界处。磁翻板（滚珠）液位计第五节其它类型的液位计二、超声波液位计传感器发出的超声波脉冲，经液体表面反射后被传感器接收，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，由声波发送和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。采用非接触测量，对被测介质几乎没有限制，可广泛用于液体、固体物料高度的测量。超声波测量液位的方法：声波阻断式、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗式、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。超声波测量液位原理第五节其它类型的液位计二、超声波液位计脉冲回波法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同密度的介质分界面处会发生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。根据超声波探头的安装位置不同，分为液介式、气介式和固介式三种。超声波传播速度受到载体(气体)温度的影响，需在超声波发射/接收器中内置温度传感器进行补偿。脉冲回波测距法超声液位计的基本型式液介式气介式固介式第五节其它类型的液位计三、雷达液位计与超声波物位计相似，雷达物位计采用了测量由发射器发出的微波经物体反射后折回所需的时间来计算物位的方式。微波作为连续频率固定周期调制波被发射，通过计算发射波和接收波的位相差时间得到物位H。微波的频率一般在9~22GHz，发射部分使用了非金属材质的耐腐蚀性强的陶瓷和聚四氟乙烯等。雷达液位计第五节其它类型的液位计三、雷达液位计（1）导波雷达液位计导波雷达液位计（Guidedwaveradar，GWR）的测量原理是时域反射技术，电子单元发射的电磁脉冲波以光速沿着导波杆（缆）传播，当遇到被测介质表面时，部分脉冲被反射形成回波并沿相反路径返回到脉冲发射装置，用超高速计时电路（电子表头）精确地测量出脉冲波的传导时间，而发射装置与被测介质表面的距离同传导时间成正比，经计算就可得到液位高度。根据导波杆探头结构分为同轴式和双杆式两种。同轴式的结构类似于同轴电缆，由一根金属圆管以及一根金属棒同轴安装而成，电磁脉冲在金属棒和金属圆管之间的空间内传播。双杆式导波杆探头由两根平行的金属杆组成，应用于易产生挂料或是高黏度的工况中。脉冲发射装置发射的电磁波信号到达介质表面并返回时，信号会衰减。该特点可用于测量两种液体的界面（如油/水界面），条件是界面下的液体介电常数应远大于界面上液体的介电常数。。第五节其它类型的液位计三、雷达液位计（2）非接触式雷达液位计非接触式雷达液位计包括脉冲雷达液位计和调频连续波雷达液位计。脉冲雷达液位计利用电子单元通过天线系统发射极窄的微波脉冲，脉冲以光速在空间内传播，当遇到被测量介质阻碍时，部分能量产生反射波形，被天线系统接收。根据识别出微波脉冲在物料表面所产生的回波，并据此计算液位。常用的天线种类有圆锥喇叭式、绝缘棒式、平面阵列式等。调频连续波雷达液位计微波源是X波段的压控振荡器，天线发射的微波是频率被线形调制的连续波，当回波被天线接收到时，微波发射频率已经改变。发射波与回波的频率差正比于天线到液面的距离，以此计算出液位高度。第五节其它类型的液位计四、放射性液位计适用于