第四章物位测量

第四章 物位测量 第一节

概述

一、 物位测量基础知识

在工业生产过程中，常遇到大量的液体物料和固体物料，它们占有一定的高度。把生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位；把料斗、堆场仓库等储存的固体块，颗粒、粉料等的堆积高度和表面位置称为料位；两种互不相溶的物质的界面位置叫做界位。液位、料位以及相界面总称为物位。对物位进行测量的仪表称为物位检测仪表。

物位测量的主要目的有两个：一是通过物位测量来确定容器中的原料、产品或半产品的数量，以保证连续供应生产中各个环节所需的物料或进行经济核算；另一个是通过物位测量，了解物位是否在规定的范围内，以便使生产过程正常进行，保证产品的质量、产量和生产安全。 二、 分类

(一)物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位和界位来分可分为：

1、 测量液位的仪表：玻璃管（板）式、称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）、静压式（压力式、差压式）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、放射性式、激光式及微波式等。 2、 测量界面的仪表：浮力式、差压式、电极式和超声波式。

3、 测量料位的仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式。 (二)根据工作原理不同，物位测量仪表主要有下列几种类型：

1、直读式物位仪表。这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。它们是利用连通器的原理工作的。

2、差压式物位仪表。这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。它们是利用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。

3、浮力式物位仪表。这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。它们是利用浮子的高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子(或沉筒)的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。

4、电磁式物位仪表。这类仪表可分为电阻式(即电极式)、电容式和电感式等几种。它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。另外，还有利用压磁效应工作的物位仪表。

5、核辐射式物位仪。表这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的。

6、声波式物位仪表。这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。它们的原理是：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可以测知物位。

7、光学式物位仪表。这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。

三、 我公司常用的几种物位计 1、磁翻板式双色液位计

磁翻板式双色液位计是以磁性浮子为感测元件，并通过磁性浮子与显示色柱中磁性体的磁耦合作用，反映出被测液位或界面，并应用连通管原理，保证被测容器与测量管体间的液位相等，当测量管中的浮子随被测液位等量变化，浮子中的磁性体与显示板上显示色柱中的磁性体作用，使色柱翻转，白色表示为无液，红色表示为有液，以达到就地显示液位的数值。 2、法兰式差压变送器

当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及黏度大、易凝固等介质的液位时，为解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可以采用法兰式差压变送器，变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件的测量头经毛细管与变送器的测量室相连通，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，起到变送器与被测介质隔离的作用。变送器本身的工作原理与一般差压变送器完全相同。毛细管的直径较小（一般内径在0.7～1.8mm），外面套以金属蛇皮管进行保护，具有可挠性，单根毛细管长度一般在5～11m之间可以选择，安装比较方便。法兰式差压变送器有单法兰、双法兰、插入式或平法兰等结构形式，可根据被测介质的不同情况进行选用。

3、浮子钢带式液位计测量原理

浮子式钢带液位计工作原理是，浮子受浮力作用浮在液体表面表面上，液位值通过测量钢带和减速齿轮传送到指示器上， 测量钢带起始于钢带轮受到盘簧的作用保持一定张力，由于钢带的另一端受到浮子的重力作用、加上浮力和盘簧拉力，使钢带保持着一个恒定的受力状态，只有当液位上升或下降时力发生变化使原有的力平衡受到破坏，此时在盘簧力的作用下立即进行调节使浮子随液位变化，同时液位的变化也通过钢带传给了指示器。

浮子钢带式液位计是一种纯机械式储罐液位计，它具有结构简单，易维护，因此，在许多领域里被采用，由于该仪表适合石油、水及许多其它液体，所以被广泛应用于石油产品的储量检测、计量，工业用水及污水的环保监测以及化学工业中。 4、 超声波物位计

基本原理：声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强则衰减最大，液体次之，固体吸收最小则衰减最小。声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射波的强弱决定于分界面两边介质的声阻抗，两介质的声阻抗差别越大，反射波越强。声阻抗即介质的密度与声速的乘积。所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限（20kHz以上频段）的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就行成超声波。根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。

超声波类似于光波，具有反射、透射和折射的性质。当超声波入射到两种不同介质的分界面上时会发生反射、折射和透射现象，这就是应用超声波技术测量物位最常用的一个物理特性。

超声波技术应用于物位测量中的另一特性是超声波在介质中传播时的声学特性（如声速、声衰减、声阻抗等）。

当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质分界面上，传播方向便发生改变。即一部分被反射（反射角=入射角），一部分折射到相邻介质内。如果两种介质的密度相差悬殊，则声波几乎全部被反射。因此可以根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，得到物位高度。

基本测量原理如图1所示，设超声波探头至物位的垂直距离为H，由发射到接收所经历的时间为t，超声波在介质中传播的速度为v，则存在如下关系

H=(1/2)vt

对于一定的介质v是已知的，因此，只要测得时间t即可确定距离H，即得到被测物位高度。

5、 浮筒液位计

浮筒式液位计工作原理：当液位被液位浸没的体积不同时，物体所受的浮力也不同，那么，对形状已定的浮筒，若被浸没的高度（液位）不同，则其所受的浮力也不同，因此就可以根据悬挂于容器中、空间位置未变的浮筒所受浮力的大小来求得浮筒所被浸没的高度（即液位），浮筒式液位计就是根据这一原理工作的。 6、放射性物位计

由放射源放射出的射线，穿过设备和被测介质后，被探测器所接收，并把射线强度转换成电信号，经放大器放大后送入显示仪表进行显示。只要测定通过介质后的射线强度I，就可知被测介质的厚度H，即物位的高度。射频导纳物位计即是其中的一种。原理如下图所示：

射频导纳物位控制器是

利用相移技术来检测料仓内有无物料的。电子线路中的石英晶体振荡器产生一个高频正弦信号，其频率位于无线点发射谱之内。

该高频振荡信号一路直

接送往检测极棒，另一路经过一个电压跟随器，送往防粘附保护电极。相位检测器，将来自检测极棒的信号与基准信号进行相位比较。由于一切物料的介电常数和导电率跟空气相比，多少总有些差别，所以当极棒碰到物料时，信号的电抗（包括容抗和阻抗）会发生变化。电抗的变化又引起极棒上高频信号的相位发生变化。因此，极棒上高频信号与基准信号的差位也随之发生变化，该变化经处理后，驱动输出电路，发出报警信号。

由于电压跟随器是一个1：1的电压放大器，所以加在保护套上的信号与加在探测极棒上的信号，其大小，相位都是一样的，但相互又是独立的。因此，探测电极上的高频信号就无法通

过粘附层流入仓壁，因为电流的流动一定要有电位差。射频导纳物位控制器就是利用了这一等电位原理，彻底消除了粘附层的影响。

第二节 设计选型

一、一般规定：

1、就地液位指示可根据被测介质的温度、压力选用玻璃板液位计或磁性浮子液位计。 2、液位和界面的测量宜选用差压式、浮筒式或浮子式液位仪表。当不能满足要求时，可根据具体情况选用电容式、电阻式（电接触式）、声波式、静压式、雷达式、辐射式等物位仪表。 3、料位测量仪表应根据被测物料的工作条件、粒度、安息角、导电性、腐蚀性、料仓的结构型式以及测量要求进行选择。

4、物位仪表的结构型式和材质，应根据被测介质的特性选择：

A. 压力、温度、腐蚀性、导电性；

B. 是否存在聚合、粘稠、沉淀、结晶、结膜、气化、起泡等现象； C. 密度或密度变化的程度； D. 液体中含悬浮物的多少； E. 液位扰动的程度； F. 固体物料的粒度。

5、仪表的显示方式及其它功能，应根据工艺操作及测量控制系统组成的要求确定。当要求信号传输时，可选择具有模拟信号输出功能或数字信号输出功能的物位仪表。

6、仪表的量程应根据测量对象实际需要显示的范围或实际变化的范围确定。除计量用的物位仪表外，应使正常物位处于仪表量程的50％左右。 7、仪表的精确度应根据工艺要求选择。

8、用于爆炸危险场所的电子式物位仪表，应根据仪表安装场所的爆炸危险类别及被测介质，选择合适的防爆结构型式。

9、用于腐蚀性气体或有害粉尘等场所的电子式物位仪表，应根据使用现场环境，选择合适的防护型式。

二、液位和界面测量仪表：

1、玻璃板液位计的选用，应符合下列规定：

1）就地液位指示宜选用玻璃板液位计，但测量深色、粘稠并与管壁有沾染作用的介质时不宜使用。具体要求如下：

a.洁净、透明、低粘度和无沉积物介质的液位指示，宜选用反射式，其它场合使用透光式；

b.界面测量和重质油品及含固体颗粒介质的液位测量，应选用透光式；如介质较粘稠、脏污或安装场合光线不足，宜选用照明式；

c.对于易冻、易凝介质，应选用带蒸汽夹套式；

d.低温介质易造成结霜时，应选用防霜式。

2）对于温度低于80℃、压力小于0.4MPa、不易燃、无爆炸危险和无毒的洁净介质，可选用带护罩的玻璃管液位计。

3）玻璃板液位计的长度不宜大于1700mm，当测量范围大于1700mm时，可采用几个液位计上下重叠安装。

2、磁性浮子液位计适用于就地液位界面指示，但测量粘度高于600mPa.s的介质时，不宜采用。具体要求如下：

A. 选用长度不宜大于4000mm。 B. 工作压力不宜大于10MPa。 C. 介质温度不宜大于250℃。

D. 介质密度宜为400-2000Kg/m3，介质密度差应大于150 Kg/m3。 3、差压式液位计的选用，应符合下列规定：

A. 液位（界面）测量，宜选用差压变送器；

B. 对于腐蚀性液体、粘稠性液体、熔融性液体、沉淀性液体等，当采取灌隔离液、吹气或冲液等措施时，亦可选用差压变送器；

C. 对于腐蚀性介质、粘稠性液体、易气化液体、含悬浮物液体等，宜选用平法兰式差压变送器；

D. 对于易结晶的液体、高粘度的液体、结胶性液体、沉淀性液体等，宜选用插入式法兰差压变送器；

E. 当被测对象有大量冷凝物或沉淀物析出时，宜选用双法兰式差压变送器； F. 用差压式仪表测量锅炉汽包液位时，应采用双室平衡容器；

G. 测液位的差压变送器宜带有迁移机构，其正、负迁移量应在选择量程时确定； H. 对于正常工况下液体密度发生明显变化介质，不宜选用差压式变送器。 4、浮筒式液位计的选用，应符合下列规定：

1）在密度、操作压力范围比较宽的场合，一般介质的液位界面测量，宜选用浮筒式液位计，但在密度变化较大的场合，不宜选用浮筒式液位计。下列场合宜选用浮筒式液位计：

a． 测量范围在2000mm以内，比密度差为0.5～1.5的液体的液位连续测量； b． 测量范围在1200mm以内，比密度差为0.1～0.5的液体界面的连续测量； c． 真空、负压或易气化的液体的液位测量。

2） 于清洁液体，宜选用外浮筒式液位计，并优先采用“侧-侧”法兰连接性。

3） 于粘稠、易凝、易结晶的介质，宜选用内浮筒式液位计，也可选用带蒸汽夹套式的外浮

筒式液位计。

4） 浮筒式液位计用于被测液体扰动较大的场合，应加装防扰动影响的平稳套管。 5） 动浮筒液位计由于被测液位波动频繁的场合，其输出信号应加阻尼器。

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