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液位检测方法

 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法,由于测量状况及条件复杂多样,因而往往采用间接测量,即将液位信号转化为其它相关信号进行测量,如压力法、浮力法、电学法、热学法等。
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,它是利用连通器的原理,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。下图所示的是玻璃管液位计。 
   
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,因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。
  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:
   式中,ρ——被测液体的密度(kg/m3)。
    下面图7-2为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。 
   
      (a) 压力表式液位计        (b)法兰式液位变送器         (c)吹气式液位计
  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,它可在测量过程中需消除液面上部气压及气压波动对示值的影响,下图7-3示出差压式液位计测量原理 。
    
    一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为ρ2,被测液体密度为p1,一般都使ρ1>ρ2.      
P1、P2 —— 引入变送器正压室和负压室的压力(Pa);H —— 液位高度(m);
h1、h2 —— 容器底面和工作液面距变送器高度(m)。这里Z0=ρ2gh2-ρ1gh1即称为零点迁移量,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。
1.3 浮力法
  浮力法测液位是依据力平衡原理,通常借助浮子一类的悬浮物,浮子做成空心刚体,使它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。浮子式液位计按浮子形状不同,可分为浮子式、浮筒式等等;按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。
 
1. 钢带浮子式液位计 
  直读式钢带浮子式液位计,这是一种最简单的液位计,一般只能就地显示。
   
2. 浮筒式液位计
    浮筒式液位计属于变浮力液位计,当被测液面位置变化时,浮筒浸没体积变化,所受浮力也变化,通过测量浮力变化确定出液位的变化量。图7-5为浮筒式液位计原理图。图中:1-浮筒;2-弹簧;3-差动变压器 。 
    
   所示的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:
 
   
式中      k——弹簧刚度(N/m);
          x——弹簧压缩量(m);
          ρ——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,既可就地指示,也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。
1.4  电学法
  电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件,信号转换、传送方便,便于远传,工作可靠,且输出可转换为统一的电信号,与电动单元组合仪表配合使甩,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
  电阻式液位计既可进行定点液位控制,也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开,引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化,由电阻变化反映液位情况。 
  为用于连续测量的电阻式液位计原理图。中:1-电阻棒;2-绝缘套;3-测量电桥
   
    该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
    
式中  H、h——电阻棒全长及液位高度(m);
      ρ——电阻棒的电阻率(Ω*m);
      A——电阻棒截面积(m2)。
  该传感器的材料、结构与尺寸确定后,K1、K2均为常数,电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。
2.电感式液位计
    电感式液位计利用电磁感应现象,液位变化引起线圈电感变化,感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量,也可进行液位定点控制。 
    为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。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置时,引起线圈感应电势变化,以此信号控制继电器动作,可实现上、下液位的报警与控制。中:1、3-上下限线圈; 2-浮子
     
3. 电容式液位计
  电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。电容式液位计的结构形式很多,有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛,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。
 
(1)检测原理
  在液位的连续测量中,多用同心圆柱式电容器,如所示。同心圆柱式电容器的电容量:
   
式中:
  D、d——外电极内径和内电极外径(m);
  ε——极板间介质介电常数(F/m);
  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,从而使电容器的电容量变化,这就是电容式液位计的检测原理。中:1-内电极;2-外电极 。
    
 
(2)安装形式
  在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别 。 
  为用来测量导电介质的单电极电容液位计,它只用一根电极作为电容器的内电极,一般用紫铜或不锈钢,外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层,而导电液体和容器壁构成电容器的外电极 。中: 1-内电极;2-绝缘套。 
        
  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。中:1、2-内、外电极;3-绝缘套;4-流通孔。
     
    以上介绍的两种是最一般的安装方法,在有些特殊场合还有其它特殊安装形式,如大直径容器或介电系数较小的介质,为增大测量灵敏度,通常也只用一根电极,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ε接近ε0,一个电容灵敏度太低。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。
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