第09章 物位测量

(1) 检测原理（同心圆柱式电容器）
在液位的连续测量中，常用同心圆柱式 电容器，其电容量：
ln D d D,d：外电极内径和内电极外径(m)；
：极板间介质介电常数(F/m)；
C
2L
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 图9.8 同心圆柱式电容器 使电容器的电容量变化。 1.内电极；2.外电极


1. 热电法

热电法采用热电偶测量温
度场，图9.11为热电偶测
量高属熔液液位原理图 a-容器壁；b-凝固金属； c-钢水；d-热电偶
热电法原理

在容器壁上选定一系列
测量点，装上热电偶;

将各测点上热电偶的输 出记录下来，得到如图 9.12所示的温度-电势分 布曲线;


热电法测温元件为一组耐高温热电偶，它们把金属熔液液 面处温度场出现变化转换为电势的变化； 热磁感应法测温元件为一组热敏磁性元件，把金属熔液液 面处温度场出现变化转换为电感的变化。
9.1.6 超声波法

测量原理
1.
2.
超声波液位计是利用波在介质中的传播特性；
具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反 射回来，另一部分则折射入相邻介质中。
3.
当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传
播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生 反射。 因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器， 发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测 出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。
4.

分类： 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。
图9.2 用于测量开口容器液位高度的3种压力式液位计
(a)压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计
差压法

对于密闭容器中的 液位测量，除可应 用上述三种液位计 外，还可用差压法 进行测量;
优点：消除液面上 部气压及气压波动 对示值的影响。

图9.3 差压式液位计
一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为2，被测 液体密度为1 ，1> 2 ，得压力平衡方程：

曲线上反映出第7个和第
8个测点之间产生了温度 突变，因此液面就在第7
图9.12 温度-电势分布图
与第8测点之间。
热电法特点

热电偶测液位是一种较粗略的测量方法，精度一般不高；

测量精度与热电偶分布、安装情况有关。适当减小各热电
偶的间距、增加测量点，可提高金属液位测量分辨率和测 量精度。

热电偶工作端与容器的接触点要细而牢固，为此可将热电 偶丝焊在容器壁上，由容器壁充当热电偶的另一极。
(a)气介式
(b) 液介式 (c)固介式 图9.13 单探头超声波液位计
由图9.13可知，超声波传播距离为L，波的传播速度为C， 传播时间为，则：
L
1 2
Ct


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。 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。 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，需要有两根金属棒或金属管分别作发射 波与接收波的传输管道。
定点控制

指液位上升或下降到一定位臵时引起电路的接通或断 开，引发报警器报警。
图9.6 电阻式液位计 1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥 电阻式液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有 大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整 个传感器电阻为：
R
2 A
H h
H 1
I I 0e
ln I 0
H
ln I


核辐射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。辐射 源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容 器的一侧。辐射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小 孔或窄缝透出。

接收器与前臵放大器装在一起，安装在被测容器另一侧， 射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输出 一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分 电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电 桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。
(3) 安装形式2

图9.10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(外电极)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9.10 同轴双层电极电容式液位计 1、2-内、外电极； 3-绝缘套；4-流通孔。
(4)其它特殊安装形式
1.
对于大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵 敏度，用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器 壁构成电容器的两极； 在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两 根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容； 在测极低温度下的液态气体时，由于接近0，一个电容 灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数 层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多 个电容并联，以增加灵敏度。
图9.7 电感式液位控制器的原理图 1、3-上下限线圈； 2-浮子
3. 电容式液位计

原理：液位高低变化影响电容器电容量大小。 结构形式：平极板式、同心圆柱式等。 优点：

适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方 法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外 还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可 作液位控制器，还能用于连续测量。 电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要 地位。

这种方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等
应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控制方法。
2. 热磁感应法


热磁感应法也称热磁敏法，这是近年来发展很快的一种检 测方法； 测量安装方式类似热电法，在容器外壁上选择一系列测量 点，在这些点上焊上热敏磁性材料作为感温元件，对应于 每个磁性元件安装一个测量线圈并通以交流电。
9.1.4 电学法

电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式、电容式
等。

电学法的优点：

无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远 传，与电动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液 位的自动检测和自动控制。
1. 电阻式液位计

原理：液位变化→电极间电阻变化→反映液位情况。


优点：既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。
Z 0 2 gh2 1 gh1 Z0为零点迁移量，它与差压计安装情况有关。
一般的差压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使Z0＝0， 这时差压计的读数直接反映液面高度H。
9.1.3 浮力法


浮力法测液位依据力平衡原理，借助浮子一类的 悬浮物，浮子做成空心刚体，在平衡时能够浮于 液面。 当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下 移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。
图9.1 玻璃管液位计
9.1.2 压力法

压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。
由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正 比，通过测容器中液体的压力即可得到液位高度。
对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有 如下关系：
H P

g
式中， ——被测液体的密度(kg/m3)。
测量开口容器液位高度
图9.14所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核辐 射液位计。其中 (a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好； (b) 为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。
应电流也发生变化。

既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。
电感式液位控制器的原理图



组成：不导磁管字、导磁性浮子及线 圈。 管子与被测容器相连通，管子内的导 磁性浮子浮在液面上，当液面高度变 化时，浮子随着移动。 线圈固定在液位上下限控制点； 当浮子随液面移动到控制位臵时，引 起线圈感应电势变化，此信号控制继 电器动作，可实现上、下液位的报警 与控制。
图9.5 浮筒式液位计 1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器 。
浮筒式液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移， 平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即
kx gAH G
式中 k：弹簧刚度(N/m)； x：弹簧压缩量(m)； ：液体密度(kg/m3)； H：浮筒浸入深度(m)； A：浮筒截面积(m2)。 液位高度变化与弹簧变形量成正比。 弹簧变形量可用多种方法测量，既可当地指示，也可用变换 器（如差动变压器）变换成电信号进行远传控制。
第9章 物位测量
9.1 液位检测（重点） 9.2 料位检测 9.3 相界面检测
9.1 液位检测方法

液位检测：
1.
2.
直接检测
间接检测;

测量状况及条件复杂多样，决定了间接测量更 加常用，将液位信号转化为其它相关信号，有 压力法、浮力法、电学法、热学法等。
9.1.1 直接测量法

直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，利用 连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观 察管中，通过标尺读出液位高度。


9.1.7 核辐射法

不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强， 液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会 有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强 度I0之间有如下关系：

式中—吸收系数，条件固定时为常数。变形为：