20余種液位測量方法分析比較
物位包括液位和料位兩類。液位又包括液位信號器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進(jìn)行測量，用于液位的上、下限報警等。連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進(jìn)行測量，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、食品加工等諸多領(lǐng)域，具有非常重要的意義。文中對20余種連續(xù)液位測量方法進(jìn)行比較分析。
1、玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法
玻璃管法：該方法利用連通器原理工作，如圖1—1所示［1］。圖中1－被測容器；2－玻璃管；3－指示標(biāo)度尺；4、5－閥；6、7－連通管。液位直接從指示標(biāo)度尺讀出。
雙色水位計(jì)法：該方法利用光學(xué)原理，使水顯示綠色，而使水蒸汽顯示紅色，從而指示出水位［2］。
人工檢尺法：該方法用于測量油罐液位。測量時，測量員把量油尺投入油品中，并在尺砣與罐底接觸時提起量油尺。根據(jù)量油尺上的油品痕跡，讀出油面高度；根據(jù)量油尺末端試水膏顏色的變化確定水墊層的高度，從而確定油高和水高［3］。
以上4種方法都是人工測量方法，具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
人工檢尺法：該方法用于測量油罐液位。測量時，測量員把量油尺投入油品中，并在尺砣與罐底接觸時提起量油尺。根據(jù)量油尺上的油品痕跡，讀出油面高度；根據(jù)量油尺末端試水膏顏色的變化確定水墊層的高度，從而確定油高和水高［3］。
以上4種方法都是人工測量方法，具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
2、吹氣法、差壓法、HTG法
吹氣法：該方法的工作原理如圖2—1所示［4］。圖中，1－過濾器；2－減壓閥；3－節(jié)流元件；4－轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5－變送器。因吹氣管內(nèi)壓力近似等于液柱的靜壓力，故 P＝ρgH
吹氣法：該方法的工作原理如圖2—1所示［4］。圖中，1－過濾器；2－減壓閥；3－節(jié)流元件；4－轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5－變送器。因吹氣管內(nèi)壓力近似等于液柱的靜壓力，故 P＝ρgH
??? 差壓法：該方法的工作原理如圖2-2所示[4]。圖中，1、2-閥門；3-差壓變送器。對于開口容器或常壓容器，閥門1及氣相引壓管道可以省掉。壓力差與液位的關(guān)系為 ΔP＝P2－P1＝ρgH
式中：ΔP－變送器正、負(fù)壓室壓力差；P2、P1－引壓管壓力；H－液位。差壓變送器將壓力差變換為4～20 mA的直流信號。如果壓力處于測量范圍下 限時對應(yīng)的輸出信號大于或小于4 mA，則都需要采用調(diào)整遷移彈簧等零點(diǎn)遷移技術(shù)，使之等于4 mA。
HTG法：該方法應(yīng)用于油罐差壓液位測量中，如圖2—3所示。圖中：P1、P2、P3－高精度壓力傳感器；RTD－溫度檢測元件；HIU－接口單元。P1位于罐底附近 的罐殼處，P2比P1高8英尺 ，P3位于罐頂附近的罐殼處。對于常壓油罐，壓力傳感器P3可以省去。設(shè)壓力傳感器P1、P2、P3測得的壓力分別為p1、p2、p3，則
式中：G－油品重量；Sav－油罐平均截面積；ρa(bǔ)v－介于壓力傳感器P1、P2之間油品平均密度；g是重力加速度；H是壓力傳感器P1、P2之間的距離；h是油品高度；h0是壓力傳感器P1的高度。RTD用于測量油品溫度，以對測量數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。HTG測量系統(tǒng)價格較低，但液位測量精度較低，安裝須在罐壁開孔。
以上3種方法都是利用液體的壓力差來測量液位的。
以上3種方法都是利用液體的壓力差來測量液位的。
3、浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法
??? 浮子法：該方法采用浮子作為液位測量元件，并驅(qū)動編碼盤或編碼帶等顯示裝置，或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測量信號。
??? 浮子法：該方法采用浮子作為液位測量元件，并驅(qū)動編碼盤或編碼帶等顯示裝置，或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測量信號。
浮筒法：該方法采用中間帶孔的磁浮筒作為液位敏感元件，如圖3—1所示。不銹鋼套管從浮筒中間孔穿過，固定在罐頂和罐底之間。液位變化帶動空心磁浮筒（內(nèi)藏永久磁鐵）沿套管上下移動，并吸引套管內(nèi)的磁鐵沿套管內(nèi)壁上下移動，二次儀表根據(jù)磁鐵的移動量計(jì)算出液位。
浮球法：該方法利用杠桿原理工作，如圖3—2所示［4］。圖中：1－浮球；2－連桿；3－轉(zhuǎn)軸；4－平衡重；5－杠桿。浮球跟隨液位變化而繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸上的指針轉(zhuǎn)動，并與杠桿另一端的平衡重平衡，同時在刻度盤上指示出液位數(shù)值。浮球法有內(nèi)浮球式和外浮球式兩種，如圖3—2所示。浮球法主要用于測量溫度高、粘度大的液位，但量程較小。
浮球法：該方法利用杠桿原理工作，如圖3—2所示［4］。圖中：1－浮球；2－連桿；3－轉(zhuǎn)軸；4－平衡重；5－杠桿。浮球跟隨液位變化而繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸上的指針轉(zhuǎn)動，并與杠桿另一端的平衡重平衡，同時在刻度盤上指示出液位數(shù)值。浮球法有內(nèi)浮球式和外浮球式兩種，如圖3—2所示。浮球法主要用于測量溫度高、粘度大的液位，但量程較小。
伺服法：該方法采用波動積分電路，消除抖動、延長壽命、提高液位測量精度。現(xiàn)代伺服液位儀的測量精度較高，已達(dá)到40 m 量程內(nèi)小于1 mm 的精度，且一般都具有測量密度分布和平均密度的功能。
沉筒法：沉筒的位置隨著液位的變化而變化，但其變化量并不與液位變化量相等。在圖3－3a 中［4］，液位與浮筒位置的關(guān)系如下：
上式中：ΔH－液位變化量；C－彈簧的彈性系數(shù)；A－沉筒截面積；ρ液體密度；ΔX－沉筒位置變化量。通常情況下，浮筒位置變化量ΔX遠(yuǎn)小于液位變化量ΔH。圖3—3b是扭力管式沉筒法原理［4］，圖中：1－沉筒；2－杠桿；3－扭力管；4－芯軸；5－外殼。沉筒位置隨液位變化而變化，在杠桿的作用下，扭力管芯軸的扭角發(fā)生變化，二次儀表根據(jù)扭角的變化量計(jì)算出液位。
以上5種方法都是利用浮力原理來工作的。
以上5種方法都是利用浮力原理來工作的。
上式中：ε1－被測液體的相對介電常數(shù)；ε2－氣相介質(zhì)的相對介電常數(shù)；H－電容傳感器浸入液體的深度（m）；l－電容傳感器垂直高度（m）；R－內(nèi)極板圓柱底面半徑（m）；r－外極板圓柱底面半徑（m）。由于R、r、l等都是固定值，只要利用ε1、ε2、CH就能計(jì)算出液位H。圖4—2是用于測量導(dǎo)電液體的電容法原理［4］，其公式推導(dǎo)略。電容式液位儀價格較低，安裝容易，且可以應(yīng)用于高溫、高壓的場合。但電容液位儀測量重復(fù)精度較低，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命也不是很長。
電阻法：該方法［5］特別適用于導(dǎo)電液體的測量，敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨液位的變化而變化，故將電阻變化值傳送給二次電路即得到液位。探針式利用跟蹤測量法來測量液位，以液位上升的情形為例來說明液位測量原理，當(dāng)液位上升時，提起探針完全脫離液體，然后緩慢降低探針尋找液面，則探針與液體剛接觸時的位置即與液位相對應(yīng)。探針式的特點(diǎn)是測量精度很高、控制電路復(fù)雜。
電感法：該方法［5］適用于導(dǎo)電液體的液位測量，特別是液態(tài)金屬。電感法的原理是，液位變化使得電感元件的自感、互感或?qū)Т怕拾l(fā)生變化，故將該變化量送往二次電路即可得到相應(yīng)的液位數(shù)值。電感法應(yīng)用最為廣泛的是高頻液位計(jì)。該液位計(jì)的測量原理是，頻率調(diào)制信號通過射頻電纜耦合到傳輸線傳感器諧振回路，諧振回路的輸出電壓經(jīng)過檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然后根據(jù)低通濾波器的輸出電壓控制調(diào)諧電路，產(chǎn)生新的振蕩頻率，直到傳感器諧振電路處于完全諧振狀態(tài)為止，則此時的振蕩頻率即與傳感器的電感量相對應(yīng)，從而與液位相對應(yīng)。
以上3種方法都是利用液位傳感器的電參數(shù)產(chǎn)生變化的方法來測量液位的。
電感法：該方法［5］適用于導(dǎo)電液體的液位測量，特別是液態(tài)金屬。電感法的原理是，液位變化使得電感元件的自感、互感或?qū)Т怕拾l(fā)生變化，故將該變化量送往二次電路即可得到相應(yīng)的液位數(shù)值。電感法應(yīng)用最為廣泛的是高頻液位計(jì)。該液位計(jì)的測量原理是，頻率調(diào)制信號通過射頻電纜耦合到傳輸線傳感器諧振回路，諧振回路的輸出電壓經(jīng)過檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然后根據(jù)低通濾波器的輸出電壓控制調(diào)諧電路，產(chǎn)生新的振蕩頻率，直到傳感器諧振電路處于完全諧振狀態(tài)為止，則此時的振蕩頻率即與傳感器的電感量相對應(yīng)，從而與液位相對應(yīng)。
以上3種方法都是利用液位傳感器的電參數(shù)產(chǎn)生變化的方法來測量液位的。
5、磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法
磁致伸縮法：該方法用于測量油罐液位的原理如圖5—1所示［6］。圖5—1中有兩個浮子，分別用來檢測油氣界面和油水界面。各浮子內(nèi)都藏有一組永久磁鐵，用來產(chǎn)生固定磁場。測量時，液位計(jì)頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖，該電流產(chǎn)生的磁場沿波導(dǎo)管向下傳導(dǎo)。當(dāng)電流磁場與浮子磁場相遇時，產(chǎn)生“返回”脈沖（也稱“波導(dǎo)扭曲”脈沖）。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應(yīng)油水界面和油氣界面的高度。磁致伸縮液位計(jì)安裝容易，測量精度很高，但液體密度變化和溫度變化會帶來測量誤差［7］，浮子沿著波導(dǎo)管外的護(hù)導(dǎo)管上下移動，容易被卡死。
磁致伸縮法：該方法用于測量油罐液位的原理如圖5—1所示［6］。圖5—1中有兩個浮子，分別用來檢測油氣界面和油水界面。各浮子內(nèi)都藏有一組永久磁鐵，用來產(chǎn)生固定磁場。測量時，液位計(jì)頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖，該電流產(chǎn)生的磁場沿波導(dǎo)管向下傳導(dǎo)。當(dāng)電流磁場與浮子磁場相遇時，產(chǎn)生“返回”脈沖（也稱“波導(dǎo)扭曲”脈沖）。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應(yīng)油水界面和油氣界面的高度。磁致伸縮液位計(jì)安裝容易，測量精度很高，但液體密度變化和溫度變化會帶來測量誤差［7］，浮子沿著波導(dǎo)管外的護(hù)導(dǎo)管上下移動，容易被卡死。
超聲波法：換能器將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號。超聲波是機(jī)械波，傳播衰減小，界面反射信號強(qiáng)，且發(fā)射和接收電路簡單，因而應(yīng)用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測量精度較低。
微波法：微波通過天線（大多為口徑天線，也有平面天線）輻射出去，經(jīng)液面反射后被天線接收，然后由二次電路計(jì)算發(fā)射信號與接收信號的時間差得液位。連續(xù)波雷達(dá)液位儀原理如圖5—2所示，該液位儀采用三角波頻率調(diào)制形式，并通過對發(fā)射信號與接收信號混頻后得到的差額信號的分析，得到微波傳輸時間，從而計(jì)算出液位。微波速度受傳播介質(zhì)、溫度、壓力、液體介電常數(shù)的影響很小，但液體界面的波動、液體表面的泡沫、液體介質(zhì)的介電常數(shù)對微波反射信號強(qiáng)弱有很大影響。當(dāng)壓力超過規(guī)定數(shù)值時，壓力對液位測量精度將產(chǎn)生顯著影響。對于介電常數(shù)小于規(guī)定數(shù)值的液體，大部分雷達(dá)液位儀都需要采用波導(dǎo)管，但波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾斜都會影響測量精度。例如：當(dāng)空高h(yuǎn)為20 m ，導(dǎo)波管與垂直方向傾斜角度α只要超過0．573°，則引起的液位誤差Δh將超過1 mm ，由此證明，在傾斜角度α（單位為度）較小時，Δh滿足：
微波法：微波通過天線（大多為口徑天線，也有平面天線）輻射出去，經(jīng)液面反射后被天線接收，然后由二次電路計(jì)算發(fā)射信號與接收信號的時間差得液位。連續(xù)波雷達(dá)液位儀原理如圖5—2所示，該液位儀采用三角波頻率調(diào)制形式，并通過對發(fā)射信號與接收信號混頻后得到的差額信號的分析，得到微波傳輸時間，從而計(jì)算出液位。微波速度受傳播介質(zhì)、溫度、壓力、液體介電常數(shù)的影響很小，但液體界面的波動、液體表面的泡沫、液體介質(zhì)的介電常數(shù)對微波反射信號強(qiáng)弱有很大影響。當(dāng)壓力超過規(guī)定數(shù)值時，壓力對液位測量精度將產(chǎn)生顯著影響。對于介電常數(shù)小于規(guī)定數(shù)值的液體，大部分雷達(dá)液位儀都需要采用波導(dǎo)管，但波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾斜都會影響測量精度。例如：當(dāng)空高h(yuǎn)為
雷達(dá)液位儀特別適合于高污染度或高粘度的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)液位儀測量的重復(fù)精度較高，無須定期維修和重新標(biāo)定，測量精度也較高，但價格較高，測量油水界面困難。
調(diào)制型光學(xué)法與微波法類似，只是采用相位或頻率調(diào)制的光信號代替微波信號。圖5—3是一種激光雷達(dá)液位儀原理圖［8］。但光信號受水蒸汽、油蒸汽影響較大，并對液面波動很敏感，且必須采用易受污染的光學(xué)鏡頭。
調(diào)制型光學(xué)法與微波法類似，只是采用相位或頻率調(diào)制的光信號代替微波信號。圖5—3是一種激光雷達(dá)液位儀原理圖［8］。但光信號受水蒸汽、油蒸汽影響較大，并對液面波動很敏感，且必須采用易受污染的光學(xué)鏡頭。
以上3種方法都是通過檢測信號傳播的時間來確定液位的。設(shè)發(fā)射信號與接收信號的時間差為t，則空高h(yuǎn)＝vt／2，v為波的傳播速度。
6、磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法
磁翻板法原理如圖6—
振動法的原理如圖6—2所示［9］。振動液位儀由導(dǎo)軌、測試架、激錘、振動傳感器、伺服機(jī)構(gòu)等組成。伺服機(jī)構(gòu)控制振錘上下爬動并激振，激振后的自由振動被振動傳感器檢測，該檢測信號經(jīng)FET變換后得到最大功率處的頻率，最后由空罐時固有頻率／液位關(guān)系得到液位。這種液位測量方法需要激錘、伺服機(jī)構(gòu)等機(jī)械運(yùn)動部件，其工作壽命不是很長，須定期維修和重新標(biāo)定，安裝也較復(fù)雜。
輻射法：放射性同位素在衰變過程中會輻射射線，常見的射線有α、β、γ射線。其中，γ射線的穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，故在核輻射液位測量中廣泛采用。實(shí)驗(yàn)證明，穿過物質(zhì)前后γ射線強(qiáng)度會發(fā)生變化，并滿足以下關(guān)系［5］
輻射法：放射性同位素在衰變過程中會輻射射線，常見的射線有α、β、γ射線。其中，γ射線的穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，故在核輻射液位測量中廣泛采用。實(shí)驗(yàn)證明，穿過物質(zhì)前后γ射線強(qiáng)度會發(fā)生變化，并滿足以下關(guān)系［5］
上式中：J0－穿過物質(zhì)前的強(qiáng)度；J－穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度；μ－物質(zhì)對γ射線的衰減特性；d－物質(zhì)的厚度。核輻射式液位儀由放射源、探測器及處理電路組成。放射源大都采用鈷－60或銫－137。探測器有電離室、記數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器等幾種，其作用是探測射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度。核輻射液位儀采用非接觸式安裝，如圖6—3所示。圖6—3a 采用點(diǎn)式放射源、探測器，測量范圍較小；圖6—3b采用點(diǎn)式放射源、線狀探測器，測量范圍較大；圖6—3c 采用線狀放射源、探測器，測量范圍最大。除γ射線外，中子射線也可用來測量液位。中子射線的穿透能力極強(qiáng)，比γ射線強(qiáng)10倍以上，可穿透壁厚達(dá)9英寸 的鋼質(zhì)容器［10］。射線液位儀安裝方便，測量精度能滿足大罐測量的需要，有一定的應(yīng)用場合。
光纖傳感法：文獻(xiàn)［11］提出了一種光纖液位傳感器，當(dāng)液位變化時，壓力傳感器的敏感彈性膜片產(chǎn)生位移，帶動反光膜移動，使探頭感受的光強(qiáng)發(fā)生變化，從而計(jì)算出液位。文獻(xiàn)［12］提出了又一種光纖液位傳感器，根據(jù)探頭在氣相和液相介質(zhì)中感受到光強(qiáng)的差異，判斷探頭的位置，并控制探頭跟蹤液位的變化，從而得到液位數(shù)值。
7、結(jié)束語
該文對20余種液位測量方法進(jìn)行了分析比較。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)價格、測量精度、被測介質(zhì)的特點(diǎn)等因素，合理選擇液位儀的種類。
該文對20余種液位測量方法進(jìn)行了分析比較。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)價格、測量精度、被測介質(zhì)的特點(diǎn)等因素，合理選擇液位儀的種類。