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液位檢測方法

 液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法,由于測量狀況及條件復雜多樣,因而往往采用間接測量,即將液位信號轉化為其它相關信號進行測量,如壓力法、浮力法、電學法、熱學法等。
1.1  直接測量法
    直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法,它是利用連通器的原理,將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中,通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。 
   
1.2  壓力法
  壓力法依據液體重量所產生的壓力進行測量。由于液體對容器底面產生的靜壓力與液位高度成正比,因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。
  對常壓開口容器,液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關系:
   式中,ρ——被測液體的密度(kg/m3)。
    下面圖7-2為用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。 
   
      (a) 壓力表式液位計        (b)法蘭式液位變送器         (c)吹氣式液位計
  對于密閉容器中的液位測量,除可應用上述三種液位計外,還可用差壓法進行測量,它可在測量過程中需消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響,下圖7-3示出差壓式液位計測量原理 。
    
    一般在低壓管中充滿隔離液體。若隔離液體密度為ρ2,被測液體密度為p1,一般都使ρ1>ρ2.      
P1、P2 —— 引入變送器正壓室和負壓室的壓力(Pa);H —— 液位高度(m);
h1、h2 —— 容器底面和工作液面距變送器高度(m)。這里Z0=ρ2gh2-ρ1gh1即稱為零點遷移量,它與差壓計安裝情況有關。一般的差壓計都有零點遷移量調節機構,通過調節可使Z0=0,這時差壓計的讀數直接反映液面高度H。
1.3 浮力法
  浮力法測液位是依據力平衡原理,通常借助浮子一類的懸浮物,浮子做成空心剛體,使它在平衡時能夠浮于液面。當液位高度發生變化時,浮子就會跟隨液面上下移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。浮子式液位計按浮子形狀不同,可分為浮子式、浮筒式等等;按機構不同可分為鋼帶式、杠桿式等。
 
1. 鋼帶浮子式液位計 
  直讀式鋼帶浮子式液位計,這是一種最簡單的液位計,一般只能就地顯示。
   
2. 浮筒式液位計
    浮筒式液位計屬于變浮力液位計,當被測液面位置變化時,浮筒浸沒體積變化,所受浮力也變化,通過測量浮力變化確定出液位的變化量。圖7-5為浮筒式液位計原理圖。圖中:1-浮筒;2-彈簧;3-差動變壓器 。 
    
   所示的液位計是用彈簧平衡浮力,用差動變壓器測量浮筒位移,平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即:
 
   
式中      k——彈簧剛度(N/m);
          x——彈簧壓縮量(m);
          ρ——液體密度(kg/m3);
          H——浮筒浸入深度(m);
          A——浮筒截面積(m2)。
  液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測量,既可就地指示,也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進行遠傳控制。
1.4  電學法
  電學法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。用電學法測量無摩擦件和可動部件,信號轉換、傳送方便,便于遠傳,工作可靠,且輸出可轉換為統一的電信號,與電動單元組合儀表配合使甩,可方便地實現液位的自動檢測和自動控制。
 
1. 電阻式液位計
  電阻式液位計既可進行定點液位控制,也可進行連續測量。所謂定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開,引發報警器報警。電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化,由電阻變化反映液位情況。 
  為用于連續測量的電阻式液位計原理圖。中:1-電阻棒;2-絕緣套;3-測量電橋
   
    該液位計的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成,電阻棒兩端固定并與容器絕緣。整個傳感器電阻為
    
式中  H、h——電阻棒全長及液位高度(m);
      ρ——電阻棒的電阻率(Ω*m);
      A——電阻棒截面積(m2)。
  該傳感器的材料、結構與尺寸確定后,K1、K2均為常數,電阻大小與液位高度成正比。電阻的測量可用圖中的電橋電路完成。
2.電感式液位計
    電感式液位計利用電磁感應現象,液位變化引起線圈電感變化,感應電流也發生變化。電感式液位計既可進行連續測量,也可進行液位定點控制。 
    為電感式液位控制器的原理圖。傳感器由不導磁管子、導磁性浮子及線圈組成。管子與被測容器相連通,管子內的導磁性浮子浮在液面上,當液面高度變化時,浮子隨著移動。線圈固定在液位上下限控制點,當浮子隨液面移動到控制位置時,引起線圈感應電勢變化,以此信號控制繼電器動作,可實現上、下液位的報警與控制。中:1、3-上下限線圈; 2-浮子
     
3. 電容式液位計
  電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。依此原理還可進行其它形式的物位測量。電容式液位計的結構形式很多,有平極板式、同心圓柱式等等。它的適用范圍非常廣泛,對介質本身性質的要求不象其它方法那樣嚴格,對導電介質和非導電介質都能測量,此外還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器。還能用于連續測量。電容式液位計的這些特點決定了它在液位測量中的重要地位。
 
(1)檢測原理
  在液位的連續測量中,多用同心圓柱式電容器,如所示。同心圓柱式電容器的電容量:
   
式中:
  D、d——外電極內徑和內電極外徑(m);
  ε——極板間介質介電常數(F/m);
  L——極板相互重疊的長度(m)。
  液位變化引起等效介電常數變化,從而使電容器的電容量變化,這就是電容式液位計的檢測原理。中:1-內電極;2-外電極 。
    
 
(2)安裝形式
  在具體測量時。電容式液位計的安裝形式因被測介質性質不同而稍有差別 。 
  為用來測量導電介質的單電極電容液位計,它只用一根電極作為電容器的內電極,一般用紫銅或不銹鋼,外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層,而導電液體和容器壁構成電容器的外電極 。中: 1-內電極;2-絕緣套。 
        
  為用于測量非導電介質的同軸雙層電極電容式液位計。內電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極,外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。中:1、2-內、外電極;3-絕緣套;4-流通孔。
     
    以上介紹的兩種是最一般的安裝方法,在有些特殊場合還有其它特殊安裝形式,如大直徑容器或介電系數較小的介質,為增大測量靈敏度,通常也只用一根電極,將其靠近容器壁安裝,使它與容器壁構成電容器的兩極;在測大型容器或非導電容器內裝非導電介質時,可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構成電容;在測極低溫度下的液態氣體時,由于ε接近ε0,一個電容靈敏度太低??扇⊥S多層電極結構,把奇數層和偶數層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極,變成相當于多個電容并聯,以增加靈敏度。
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