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第 3 章 物位检测

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本章内容本章内容一、直读式物位仪表二、浮力式物位仪表三、差压（静压）式物位仪表四、电容式物位仪表五、雷达液位式物位仪表六、超声波物位仪表七、磁致伸缩液位仪表

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学习目标学习目标

一、了解物位检测的基本知识

二、掌握静压式、浮力式、电容式、雷达式、超声波式、磁滞伸缩式等物位检测仪表应用技术

三、能运用“干校”和“湿校”两种方法完成 UTD 系列电动浮筒液位变送器调校任务

四、能完成 CTS-DLQ 型射频电容式物位变送器的调校任务

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◆◆ 两种密度不同、互不相容的液体介质的分界面的高低叫界位。

3.1 概述

◆ 容器中液体介质的高低叫液位 .

◆ 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。

物位是指存放在容器或工业设备中物料的位置高度，包括液位、界位和料位。

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(1)直读式物位仪表(2) 浮力式物位仪表(3) 差压（静压）式物位仪(4) 电气式物位仪表(5) 反射式物位仪表(6) 射线式物位仪表

物位测量仪表主要有下列几种类型 :

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3.2 直读式液位计玻璃管液位计

“连通器” 玻璃管液位计的长度一般为 300 ～ 1

200mm 。工作压力≤ 1.6MPa 。耐温 400℃

玻璃管装在有填料函的金属保护管中。

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分恒浮力式液位计和变浮力式液位计

3.3 浮力式液位计

通过浮子随液位变化而产生的升降位移反映液位变化的，属于恒浮力式液位仪表； 通过液面升降对浮筒所受浮力的改变反映液位的，属于变浮力式液位仪表。

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W

GF

GFW

平衡时

GFW

液面上升时

F 增大

G 下降F 减小 , 再达到新的平衡

3.3.1 恒浮力式液位计

例如：钢带液位计或变送器

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磁浮子式液位计——磁翻板

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3.3.2 变浮力式液位计

（ 1）浮筒液位计的工作原理

它主要由变送器和显示仪表两部分组成。浮筒式液位计因不用轴、轴套、填料等进行密封，故它能测量最高压力达 32MPa 的容器中的液位。

根据阿基米德定律原理 ,可以根据悬挂于容器中其空间位置不变的物体所受的浮力的大小来求得物体被浸没的高度（既液位）常用的为浮筒式液位计。

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4— 杠杆

将以封闭的中空金属筒悬挂在容器中，筒的重量大于同体积的液体重量，筒的重心低于几何中心，使筒总是保持直立而不受液位高度的影响。设筒重为 W ，浮力为 F浮，则悬挂点受到的作用力 F 为：

F=W-F 浮

F 浮 =AHρg

1— 外壳；

2— 芯轴；3— 扭力管；

5— 浮筒

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我国生产的 BYD-Щ 型液位变送器就是应用浮筒作为敏感元件进行液位测量的，如图所示。作为液位检测元件的浮筒 1 垂直地悬挂在杠杆 2 的一端，杠杆 2 的另一端与扭力管 3 、芯轴 4 的一端垂直地连结在一起，并由固定在外壳上的支点所支撑。

扭力管的另一端通过法兰固定在仪表外壳 5 上 。芯轴的另一端用来输出位移。扭力管 3 是一种密封式的输出轴，它一方面能将被 测介质与外部空间隔开，另一方面又能利用扭力管的弹性扭转变形把作用于扭力管一端的力矩变成芯轴的转动。

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当 H=0时， F=W=Fmax 最大，随着液位 H 的升高，F逐渐减小。当 H=Hmax 时， F=F0 为最小。当W 、A 、 ρ 、 g均为常数，作用力 F 与液位 H呈反向的比例关系。

浮筒液位计的测量范围由浮筒的长度决定。从仪表的结构及测量稳定的角度出发，测量范围 Hmax在 300 ～ 2000mm之间。

浮筒液位仪表的输出信号不仅与液位高度有关，而且还与被测介质的密度有关，因此，在密度发生变化时，必须进行密度修正。

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（ 2 ）浮筒液位计的示值校验

①干校法（挂码法）

校验方便、准确、不需要繁杂的操作，通常用于实验室操作。

将浮筒取下后，挂上与各校验点对应的某一质量的砝码来进行的。该砝码所产生的力等于浮筒的重力（包括挂链所产生的重力）与页面在校验点时浮筒所受的浮力之差，这个浮力可根据下式求出：

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gHgHLF DDH 1424

22

)(

gHLD )]([ 2124

2

式中 FH----- 液面在被校点 H处时浮筒所受的浮力， N；

D----- 浮筒外径， m；

L----- 仪表量程， m；

H----- 液面高度， m；

ρ1----- 被测液体的密度， kg/m3;

ρ2----- 气体介质的密度， kg/m3

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测液面高度时， ρ1>> ρ2 ，所以上式可简化为：14

2 gHF DH

测相界面高度时， ρ1 为被测重组分液体的密度， kg/m3; ρ2 为被测轻组分液体的密度， kg/m3 。

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例：浮筒重 m1=1.47kg ，挂链重 m2=0.047kg ，浮筒直径D=0.013m ，液体可在 H=0 ～ 4.6m之间变化。被测液体的密度 ρ1=850kg/m3 ，校验时所用托盘重量为 m3=0.246kg ，现求当液位分别为 0%、 50%、 100%时，各校验点应加多大的砝码？解：当 H=0时， FH=0 ，应加砝码的质量为：

m1+m2-m3=1.47+0.047-0.264=1.253kg

当 H=50%时，浮筒所受的浮力：

gNgHgF DH 2595.0850 2

6.44013.0

5014

22

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因为 0.2595gN相当于 m50=0.2595kg 的物体所产生的重力，故此时应加的砝码量为：

m1+m2-m3-m50 =1.47+0.047-0.264-0.2595=0.9935kg 当 H=100%时，浮筒所受的浮力：

gNgHgF DH 519.06.48504

013.010014

22

故此时应加的砝码量为：

m1+m2-m3-m100 =1.47+0.047-0.264-0.519=0.734kg

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②湿校法（水校法） 主要用于已安装在现场不易拆开的外浮筒液位仪表的校验

中。将外浮筒与工艺设备之间隔断，打开外测量筒底部阀，放空液体，关闭。再加入清洁的水，就可以开始校验了。

gAHWgAhW xw

校验时所加水位高度 h应满足与被校液位高度为 H时浮筒对杠杆的拉力相同 , 即 :

Hhw

x

用水校验时 ,所加水位高度 h为

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cx +W = AHρg c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg

初态： 末态：

变浮力法液位检测

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初态： cx+W = AHρg末态： c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg

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机械量：位移（直线、角度）、尺寸、速度（直线、角度）、力（力矩、扭矩）、振动等

1、自感传感器

线圈（螺线管）线圈

铁心 线圈 铁心

铁心衔铁

衔铁

2/02 SNL

气隙

N：线圈匝数μ0 ：空气的导磁系数S：气隙的截面δ：气隙的宽度L：自感

（ 1）、简单自感传感器

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差动自感

L1

L2

（ 2）、测量电路

衔铁上移： L1增大、 L2减小

衔铁下移： L2增大、 L1减小

u

u

ωL1

ωL2

R

R

+

--

+u

u

ωL1

ωL2

R

R

-

++

-

x

u

x0

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1 、差动变压器（互感传感器）（ 1）、工作原理

u21 u22

u2

u1x

u2

x0

u21 u22

有效值

u22

u21

u2

t

t

t

X=0

X>0

X<0

u

x0

相敏整流

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3.3.3 磁浮子式液位计——磁浮子舌簧管液位变送器

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液位测量原理是通过测得液位高度产生的静压实现液位测量的。

压力表ρ

H

pgHp

3.4.1 差压式液位变送器的测量原理gHpp AB

gHppp 21

差压变送器的负压室与大气“相通”，就是一般的压力表了 差压式变送器

pA

ρ H

pB p1 p2

App 2

3.4 差压式液位变送器

Bpp 1

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3.4.2 液位测量的零点迁移问题

无迁移

当差压变送器的正压室（或压力表进压口）与被侧液位的零位在一个水平线上时

0| 0 Hp

即：

压力表

ρ

H

差压变送器

pA

ρ H

pB p1 p2

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正迁移

ghp H 0|

即：当 H=0时

压力表

ρ

H

h p

差压变送器

pv

ρ H

H0

冷凝罐蒸汽

水

水

p1 p2

00| gHp H

gHpp V 1

02 gHpp V

)( 021 HHgppp 当 H=0 时 ,

有一个很大的固定负压即：

目前差压变送器的迁移量 ,可达量程的 5 ～ 6 倍。

负迁移

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3.4.3 法兰式压差变送器

单法兰式 双法兰式

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双法兰式压差变送器现场安装

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当被测液体的高度 H=0时

3.5.1 导电液体的液位测量利用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的关系，进行液位测量。不锈钢棒、聚四氟乙烯套管及容器中的被测导电液体构成一个圆柱形电容器，其中不锈钢棒是一个电极，金属容器外壳是另一个电极。

)/ln(

2

0

,0

0 dD

LC

被测导电液体

容器

Hh

d

D

D0

L

不 锈钢棒 聚四氟乙

烯套管

即电容器内实际液位低于 h（非测量区）时，传感器的电容（不锈钢棒与金属容器外壳之间的分布电容）为 C0 。

：聚四氟乙烯套管和电容器内气体的等价介电系常数'0

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Hh

d

D

D0

L

不 锈钢棒 聚四氟乙

烯套管)/ln(

)(2

)/ln(

2

0

'0

dD

HL

dD

HCH

当液位上升时

当液位高度为 H 时，传感器的电容量 CH

两电极极板覆盖面积增大，电容量就增大，因此通过测量传感器的电容量大小，就可以获知被测液位的高度。

)/ln(

2

)/ln(

2

0

'0

dD

H

dD

HC

)/ln(

2

dD

HC

通常， D0>>D， '0

因此只要测得电容量，就可求得液体的高度

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3.5.2 不导电液体的液位测量

ε0

ε

HL

d

D

利用被测液体液位的变化时，两极之间的填充介质的介电常数发生变化，从而引起电容量的变化这一特征进行测量液位测量。适合测量电导率小于 10-2S/m 的液体

两根同轴装配相互绝缘的不锈钢管分别作为圆柱形电容的内外电极

当测量液位为 H=0时，两个电极之间介质是空气，这时传感器的初始电容 C0 为

)/ln(

2 00 dD

LC

当被测液体的高度上升为 H时，传感器的电容 CH 为

)/ln(

)(2

)/ln(

2 0

dD

HL

dD

HCH

)/ln(

)(2 0

dD

HC

——被测液体的介电常数

0 ——空气的介电常数

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3.6 超声波物位传感器

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脉冲回波式超声波测量液位

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2

22

11

2

22

11

]cos

cos)(1[

]cos

cos)(1[

u

uu

u

II BR

11u

22u

检测原理 当声波从一种介质向另一种介质传播时，在密度不同、声速不同的分界面上传播方向要发生改变，即一部分被反射（入射角反射角），一部分折射入相邻介质内。

假设两种介质的密度分别为ρ1 、ρ2 ，声波在两种介质中的传播速度分别为 u1 、 u2

反射波的声强为 IR,入射波的声强为 IB，则存在以下关系：

为入射角，和 分别为两种介质的声阻抗。

超声波物位传感器

超声波类似于光波 , 具有反射、透射合折射的性质。

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0

2

1122

1122 ][uu

uu

I

IR

B

R

utH2

1

当声波垂直入射时（ ），其反射率为：

在声波入液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬珠，声波几乎全部被反射。因此，当置于容器底部的探头向液面发射短促的声脉冲波时 ,经过时间 t，探头便可接收到从液面反射回来的回波声脉冲。若设探头到液面的距离为 H，声波在液体中的传播速度为 u，则有以下关系：

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H

探头

容器

液体

当超声波射入到两种不同介质的界面上会发生反射和折射和透射现象，这就是应用超声波技术测量物位常用的一个物理特性。

超声波物位测量属于非接触式测量，测量范围宽，有盲区

u: 液体中的声速，与密度有关

发射

接收 t

utH2

1

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H

探头(a)

H

探头

(b)

H

探头

(c)

收 发

H

(e)

H

收 发

(f)

d

2a

H

发 收

(d)

S

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设置声速校正具方法声波在介质中的传播速度与介质的密度有关，而密度是温度和压力的函数V——ρ——（P,T）eg. 空气V0℃ = 331m/s； V100 ℃= 387m/s

测量方法

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带有声速校正杆的超声波液位计

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发射接收的是高频电磁波，原理类似于超声液位计。但因是电磁波，波速与空气的温度、湿度等无关。

3.7 雷达物位传感器

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德国 E+H FMR230 雷达液位计被设计用于对液体、颗粒及浆料进行连续非接触的物位测量。 测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽的影响；喇叭式天线，频率 6GHz；量程 20m ，精度±3mm ；两线制， HART 协议；

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西门子 (Siemens) SITRANS LR400 雷达液位计

适用于测量高粉尘固体物料和低介电常数液体物位。连续波调频工作方式；工作频率 24GHz；量程 50m ，精度±60mm ；两线制， HART 协议；现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。

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德国科隆 (KROHNE) BM70P 雷达液位计设计为液体和液化气的液位测量。工作频率 8.9 － 9.9 GHz；量程 35m ；精度 1～ 10m 时±1mm>10m 时±0.01% 示值误差具有改进信噪比的微波窗 ,高灵敏性，动态响应达 140 dB 。

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电磁波的波长在 1mm ～1m 的波段称为微波。 微波与无线电波比较，其态度是具有良好的定向辐射性，并具有良好的传输特性。 在传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的影响极小。

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1. 计数法测时

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2. 等效时间采样法测时

时间为 T的重复信号，采样周期为 T+Δt，每周期只采一个瞬时值，具有周期性重复的高频信号均可采用。降低了采样频率，等效采样周期Δt。

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等效时间采样法在时间量检测中的应用

Δt（最小分辨时间）为发射与采样时钟周期差值，又称等效采样周期，只要满足两时钟周期之差为 Δt<10ps。

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例

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f

t

fd

0 t

△t

T

△fd

2F

△

T

2F

△ △t

2fd

△

f

t0

微波源 发射器

数字信号处理器

接收器混频器

3. 连续调频法

由数字信号处理器提供的三角波控制，三角波的周期为 2T,输出连续的调频信号，发射信号的频偏为2△F(5～ 9.5GHZ)差频信号 (△fd)再送到数字信号处理器处理，最后得到物位的高度

-fd

△

EXIT

T

2F

△ △t

2fd

△

f

t0

T

F

t

fd

由相似三角形原理可知T

F

ft d

Ct

d2

C

F

fTd d

2

)(3.0103105.42

1091010

28

9

33

mCF

fTd d

设天线与液面的距离为 d，微波的传播速度为 C，则

可见，当微波的传播速度 C、三角波的周期 2T、发射信号的频偏为△ F确定后 ,天线与液面的距离与差频信号△ fd成正比。则天线到液面得高度

例如，微波源扫频范围为 5～ 9.5GHZ，调频的周期为 20mS,测得差频信号为 9kHz，即：2△F=9.5-5=4.5（ GHz）， 2△fd=9kHz， T=20/2=10mS ，微波传播速度 C=3×108m/s则天线到液面得高度

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1 、垂直于物料表面安装，使雷达波尽可能反射回去，减少能量损失；

2 、仪表安装位置离罐壁距离至少 30cm ，防止罐壁上所装仪表如温度元件料位开关等在雷达束内，引起干扰回波；

3 、雷达物位计的天线要伸入罐壁内 (喇叭口天线要伸出 10mm 以上；杆式天线要伸出 200mm 以上 ) ；

4 、拱形顶罐或卧罐不要把仪表装在罐的中心位置，使回波易丢失。

雷达液位计的安装

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雷达液位计常见问题及处理方法1 、仪表无指示；处理方法：查电源，查通讯电缆是否正常。

2、仪表指示不稳定、不正确或无回波；处理方法：多数由干扰回波引起，可选功能强一些的雷达物位计或导波雷达、选最佳安装位置、选合适的天线类型和稍大的尺寸。

3、天线污染；处理方法：定期清理天线。尽可能避免物位溢出，这样会使喇叭口天线上挂料，减低雷达灵敏度。

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3.8 吹泡式液位计H ρ

当有少量、均匀的气泡逸出液面时：

gHp 压力表的示值：

压力表

流量计过滤器

压缩空气

过滤器节流元件

适应于高粘度、腐蚀性、含有悬浮颗粒的流体

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磁致伸缩效应：铁磁材料和亚铁磁材料在居里电温度以下于磁场中被磁化时，会沿磁化方向发生微量伸长或缩短的现象。

3.9磁致伸缩液位传感器

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永久磁铁

NS

SN

信号检测

永久磁铁

脉冲磁场

脉冲磁场脉冲电流

阻尼器

I

波导管机械波

铜导线

3.9磁致伸缩液位传感器

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磁浮子产生一个轴向磁场，电流脉冲产生一个脉冲周向磁场，两磁场相遇时合成倾斜磁场，产生磁致伸缩效应。波导管栓见扭曲变形（机械变形振动），应变脉冲的超声波信号向两端传播。

工作原理：

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测量开始时，计时器开始计时，查询电流脉冲产生一个圆周磁场，抵达位移信号单元，遭遇第二个磁场。

电磁应变超声波传感器

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两个磁场相互作用，磁道管产生弹性变形，以机械波形式向两端传播。

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机械波向两端传播

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信号传感单元收到机械应力波，计时器停止计时一个测量周期结束。