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1、,第七章 液位测量,热工测量与自动控制,液位测量必要性,在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油“冒顶”事故；油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响后序设备的生产和安全；电脱水器中油水界面高了会破坏电场低了会使放水中带油，影响生产。,控制、计量、报警等。,在容器中液体介质的高低叫液位，容器中
2、固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关 。,基本概念,检测方法的分类,按其工作原理可分为下列几种类型：(1) 直读式 采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。(2) 差压式（静压式） 基于流体静力学原理，适用于液位检测。 容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力
3、可测知液位。,(3) 浮力式 它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。(4) 电气式 它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。如电容式、电极式(5) 声学式 基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到返回的时间推算物位的高度。(6) 核辐射式 利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质的厚度而衰减的原理测量物位。,第一节 直读式液位计,一、玻璃管液位计,如图所示,玻璃液位计的上端通过阀门1与被测容器中的气体相连接,下端经阀门2与被测容器中的液体相连接。按照连通器液柱静压平衡原理,
4、只要被测容器内和玻璃管内液体的温度相同,两边的液柱高度必然相等,据此,在玻璃管3旁竖一标尺4,从标尺上可直接读出液位的高度。,若两者介质温度不同,可按下式进行修正H：容器内液位高度;h：液位计读数;0：液位计中介质在温度t0时的密度;p：容器中介质在温度t时的密度。玻璃管液位计主要由玻璃管7、上下阀门4、玻璃管两端连接密封件5、标尺8、玻璃管保护罩6等组成。在上下阀上有接头2,将与被测容器连接用的法兰1焊接在该螺纹接头上。在上下阀门内装有钢球3,其作用是当玻璃管因意外事故破碎时,钢球在容器内压力的作用下自动密封,以防止容器内的液体外流,在上下阀端部还装有堵塞螺钉9,供取样之用。,玻璃管液位计使
5、用应注意如下几点:(1)为了保证玻璃管一旦打碎时,上下阀内的小钢球能自动密封,要求介质压力不得小于0.2MPa。(2)定期清洗玻璃管,使液位显示清晰。(3)应根据被测介质的压力和温度合理选用液位计,不得超压使用玻璃管液位计。 （4）玻璃管是用耐热玻璃制成的，其内径不应过细，否则易造成毛细管现象，影响指示水位的准确性.,根据连通器原理，透过石英玻璃管即可直接读出容器内的液位高度。同时利用光的折射原理使液体部分呈现绿色，无液体部分呈现红色，气液分界面十分清晰，无观测盲区。 双色石英玻璃管液位计可直接工作于高温、高压、腐蚀性介质的液位测量。具有指示鲜明、操作安全简单、连续指示等特点。可广泛用于：石油
6、贮罐、锅炉汽包、压力容器等腐蚀性或非腐蚀性介质的液位(面)测量、指示,举例：,彩色石英管液位计,二、玻璃板式液位计,主要用于直接指示各种塔、槽、罐、箱等敞口或密闭容器内的液体液位。液位计可广泛应用于石油、化工、制药等工业部门中。,平板式液位计结构,接气连管的上法兰,上阀,玻璃板,金属框盒,下阀,放水阀,接液连管的下法兰,平板式液位计的优点,平板玻璃液位计，是用经过热处理，具有足够强度和稳定性的玻璃板，嵌在一个金属框以代替玻璃管。 由于玻璃板式液位计比玻璃管式液位计承压能力大，因此广泛应用于额定工作压力较高的压力容器上。,第二节 静压式液位计,一、工作原理 静压式液位计是根据液体在容器内的液位与
7、液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。 A、敞口容器的液位测量原理图：,将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为 p = gH 式中p 容器内取压平面上由液柱产生的静压力； 容器内被测介质的密度；g 重力加速度。H 从取压平面到液面的高度；,B、在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测液位，如图所示。,差压变送器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连。如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压变送器高、低压侧所感受的压力分别为：,差压变送器所受的压差 因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算
8、出液位的高度,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。,C、法兰压力式液位计,由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差 P 与液位高度 H 满足式 的条件是： （1）差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（ H =0）在同一水平面上； （2）差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在； （3）被测介质的密度保持不变。 在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工作状态。假定采用输出为 4mA 20mA 的差压变送器,当 H 0 时，变送器输入 p 0 ，输出电流为4mA
9、 ；当液位到上限，变送器输入p=Hmaxg，输出电流20mA 。,二、零点迁移问题,在实际应用中，差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上，如图所示。,这时差压变送器高低压室所受压力分别为：,高低压室所受的压差为：,与无迁移情况式相比，上式中多出一项 hg ，即在高压室增加了一个恒定的静压 hg。由于此项的存在，使得当 H =0时， p = hg ，此时的变送器输出必然大于 4mA 。,正迁移示意图,为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。使得当 H =0， p = hg 时，变送器输出为 4mA 。,*正迁移：在上图这种工作状态
10、下，变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因此称为正迁移。,*负迁移：在工程中还经常遇到负迁移的情况，如图所示。若被测液体的密度为 1 ，隔离液的密度为 2，且 1 2 ，则变送器高低压室的压力分别为：,高低压室所感受的压差为,与无迁移情况相比较，总的差压减少了 (h2-h1)2g，即相当于在低压室增加 了一个恒定的静压。 由于它的存在，使得当 H =0 时， p= -（ h2- h1 ）pg , 此时变送器的输出必然小于 4mA ，当 H =Hmax时，变送器的输出也达不到 20mA 。,负迁移示意图,为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系。就必须借助差压变送器的零点迁移
11、功能来抵消这静压力的影响，使得当 p =（h2h1）g 时，变送器的输出为 4mA 。变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这种情况就是负迁移。,综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，而量程范围不变。,例1如下图所示是双法兰式差压变送器测量密闭容器中有结晶液体的液位，已知被测液体的密度=1200kg/m3，液位变化范围为H为0950mm，变送器的正、负压法兰中心线距离H0=1800mm，变送器毛细管硅油密度1=950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。,差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为16.758kPa。,解：液位的变化范围为0950mm时，差压的变化量为,
12、当H=0时,第三节 浮力式液位计,浮力式液位计是依据力平衡原理，通常可分为两种类型：通过浮子随液位升降的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变化的，属于变浮力式液位计。,一、浮子式液位计 浮子液位计的原理如图所示,浮子1用钢丝绳3连接并悬挂在滑轮4上,钢丝绳的另一端挂有平衡锤2,使浮子所受的重力和浮力之差与平衡锤的拉力相平衡,保持浮子可以停留在任意液面上。这样,浮子跟随液面变化而变化。这种结构的液位计指针位移与被测液位变化相同,从而达到了检测的目的。,机械式就地指示浮子液位计1一浮子;2一平衡锤;3一钢丝绳;4一滑轮;5一标尺;6一指针,浮球液位计
13、,磁浮子液位计,磁性浮子、浮球式液位计主要由本体部分、就地指示器、远传变送器以及上、下限液位报警器等几部分组成。磁性浮子式液位计通过与工艺容器相连的筒体内浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红蓝两色（液红气蓝）明显直观地指示出工艺容器内的液位或界位。,二、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。 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。图中： 1-浮筒；2-弹簧；3-
14、差动变压器 。,变浮力法测量液位的原理：,设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X, 弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：,弹簧的伸长量通过变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。,将,代入,得,位移量X与液位高度成正比关系，浮力物位检测方法实质就是将液位转换成敏感元件浮筒的位移变化。,第四节 电学法测量液位,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。,一、电阻式液位计,电阻式液位计既可进行定点
15、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。,电阻式液位测量法主要分为两类，根据液体与其蒸汽之间导电特性(电阻值)的差异进行液位测量的电接点液位计；利用液体与其蒸汽之间的不同传热特性，以之影响热敏材料的散热条件，从而引起热敏材料电阻值变化这种现象进行液位测量的热电阻液位计。,1、电接点液位计 由于密度和所含导电介质的数量不同，液体与其蒸汽在导电性能上往往存在较大的差别。如饱和蒸汽的电阻率要比水的电阻率大数万乃至数十万倍，比饱和蒸汽凝结水电阻率也要大100
16、倍以上。电接点液位计就是通过测量物质汽、液电阻的大小来分辨和指示液位高低的。,由上述工作原理可知，无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续性，这也就是电接点液位计固有的不灵敏区，或称作测量的固有误差。显然，这种误差的大小取决于电接点的安装间距。,2、热电阻液位计 利用通电的金属丝(以下简称热丝)与液、汽之间传热系数的不同及其电阻值随温度变化的特点进行液位测量。液体的传热系数要比其蒸汽的传热系数大12个数量级，因此，对于通以恒定电流的热丝而言，其在液体和蒸汽环境中所受到的冷却效果是不同的，即浸于液体时的温度要比暴露于蒸汽中的温度低。如果该热丝(如钨丝)的电阻值还是温度的敏感
17、函数，那么传热条件变化所致的热丝温度变化，将引起热丝电阻值的改变。所以，通过测定热丝电阻值的变化可以判断液位的高低。,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 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。 连续测量的电阻式液位计原理图。 1-电阻棒； 2-绝缘套； 3-测量电桥,二、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。 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
18、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。,1、测量导电液体的液位传感器 主要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这种关系进行液位测量。可见，液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变电容传感器的电容量就成比例地增加；反之，电容量就减小。因此，通过测量传感器的电容量大小就可获知被测液位的高低。,以上介绍被测液体的粘度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该粘附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。另外，还应该
19、再次指出，这种液位传感器的底部约有10mm的非测量区。,2、非导电液体的液位传感器 测量非导电液体的电容式液位计主要利用被测液体液位变化时，可变电容传感器两电极之间充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化这一特性进行液位测量。适合的测量对象包括：电导率10-9sm的液体(如轻油类)、部分有机溶剂和液态气体。,如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为的液体(非导电性的)所浸没时，则必然会有电容量的增量C 产生。,其结构形式如图所示，当中间所充介质的介电常数为0时，则两圆筒间的电容量为,当电极给定后、D、d均为定值，故传感器的电容变化量只是液位的单值函数，亦即测取传感器的电容量就可确定被测液位
20、。,3、电容式物位计特点：电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点。但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。,三、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。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
21、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。 图中：1、3-上下限线圈； 2-浮子,第五节 超声波法,超声波液位计利用波在介质中的传播特性。 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。,在超声波检测技术中，电能转换超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。由传播原理可知，若介质压力、温度、密度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到液面反射被接收所需要的时间，则
22、可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。,一、工作原理,二、分类,超声波液位计按传声介质不同，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。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。,(a)气介式 (b) 液介式 (c)固介式,三、超声波液位测量优点：与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检
23、测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。,超声波液位测量也有缺点：超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。,例 如从上图超声波液位计的显示屏上测得时间t0=1.5ms，t1=6.0ms。已知水底与超声探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0
24、.5m，求液位h。,解：由于传播速度,所以有,所以液位h为,雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。,可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位。 它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。,优点,第六节 雷达液位计,图4-12 雷达式液位计示意图,雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定,由于,故,常用雷达式液位计-喇叭型雷达,这种雷达常用于液体或固体罐的物位测量,常用雷达式液位计-导波雷达,由于信号在波导体中传输不受液面波动和储罐中的障碍物等的影响，因而广泛应用
25、于过程液位的测量，如塔、分液罐、汽包等。,导波雷达液（界）位变送器运用了 TDR（时域反射原理）技术，发射的电磁波脉冲沿着杆或缆传送当遇到比先前传导介质（空气或蒸发汽）介电常数大的介质表面时，脉冲波被反射回来。用超高速计来计算脉冲波的传导时间，从而达到精确的液位测量。,微波脉冲法原理示意图,第七节 放射性物位计,一、放射性物位计测量原理,核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。式中I为穿
26、过厚度为X的物质后的辐射强度；I0为射入物质前的辐射强度；为物质的吸收系数 ；H为介质层厚度。,核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表。适用于高温、高压、强腐蚀、剧毒等条件苛刻的场合。核射线还能直接穿透钢板等介质，可用于高温熔融金属的液位测量。使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。由于射线对人体有害，射线的剂量应严加控制，加强安全防护措施。,放射源,接收器,测量示意图,二、特点要求,选用液位计的原则,（1）油罐容积对大型罐（10000100000m3）及比较大液化气罐可选用性能较高液位计，中小罐可选用一般液位计；（2）油罐用途贸易罐应选用高精度液位计，中间罐可用一般液位计；（3）介质特性储存粘度大的介质（如重油）时，应尽量采用与被测介质不接触或少接触类型的液位计，如雷达式、超声波式和磁致式液位计，轻油可采用一般液位计；（4）用户实际需要如果用户要求计量精度高而投资限制少，可以采用性能好的液位计，一般情况下，老罐区改造或更新可结合原有液位计使用维护情况考虑选型，尽量统一选型。,感谢关注！,
