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    【自控学堂】物位测量↓仪表系列四:静压式液位计

    2020-03-06 倪彬洲
    对于容☉器中不可压缩的液体液位测量 ,当介质的密度为常数时 ,液柱的高度与液柱的静压成正比 ,因 此 ,当测出液体的静压时便可知液位的高度 ,这就是静压式液位计的测量原理。由于静压式液位计测量原理与↓仪表结构都较为简单 ,制造№和维护成本也较低 ,因 此 ,是应用最多的液位计之一 ,在石油化工▲、制药、环保、电站等领域被广泛使用。

    根据静压式液位计的测量原理 ,对应用于不同的工▲况 ,研发出多种形式的液位测量↓仪表 ,下面介绍几种最为常用的液位测量↓仪表的原理、特点№和应用场合。

    一、压力式液位计
    在工▲业↘生产中 ,压力式液位测量方式常被用在开口容☉器中 ,应用压力计测量液位 ,如图1所示。
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    1:压力计测量液位
    压力计通过取▓压导管与容☉器底部相连接 ,压力计显示的压力与液位之间的关系如下(注:g为重力加▆速度 ,下同):
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    式中:P--指示压力
              ρ--介质密度
              H--液位高度
    从测量原理来看这种测量方法比较简单 ,测量范围也不受限制 ,如果需要将信号远传 ,可采用压力变送☉器发送标准信号。这种测量方法只适合于开口容☉器 ,并且被测介质的密度不会随着温度的变化而变化 ,否则会产生测量误差。
    另外应该注意 ,只有当压力计的测量基准点与最低液位一致时 ,显示的压力与液位之间的关系才能〓成立 ,如果压力计的测量基准点低于最低液位 ,必须减去一段液柱差 ,这种情况如果采用压力变送☉器很容易实现迁移。当压力计的测量基准点高于工▲艺的最低液位时 ,那么相当于把最低液位抬高 ,这是设◢计中不能〓允许的 ,所以 ,在工▲程设◢计时一定要与工▲艺、设◢备专业↘密切配合 ,认真确定设◢备上  的取▓压口位置(在现场时有发现设◢备取▓压口开口位置不对 ,而不能〓显示正确液位的情况)。

    二、差压式液位计
    在密闭容☉器中 ,采用压力计测出的压力除了随液面波动变化外 ,它还受到容☉器内压力的影响。为了消除这个压力的影响 ,可在容☉器的底部(液位最低点)接出一根导压管至差压计的正端 ,并在容☉器的上  部增加▆一根导压管 ,接到差压计的负端 ,这时差压计指示出ΔP差压计测量液位见图2 ,如果已知被测液体的密度为ρ ,那么容☉器内液位的高度为:
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    式中:ΔP--指示差压
                 ρ--介质密度
                 H--液位高度

    这样 ,只要测量出差压就可得到对应的液面值。
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    2:差压计测量液位
    这种测量方法也比较简单 ,在密闭容☉器的液面测量中广泛被应用。如果需要将信号远传 ,可采用差压式变送☉器发送标准信号。但是它要求被测介质的密度不会随着温度的变化而变化 ,否则会产生测量误差。
    2是一种较理想的情况 ,差压计正端的取▓压点正好在最低液面 ,在实际应用中因 各种原因 的限制 ,差压计正端的取▓压点有时低于最低液面 ,这时我们可以通过差压变送☉器的迁移功能〓进行迁移 ,以保证显示的最低液面与真实的液面一致。关于正负迁移的问题以后再讨论。

    三、吹气式液位计
    对于高粘度、有悬浮颗粒、腐蚀性介质的液位测量时 ,为了导压管不被堵塞 ,可采用吹气法 ,如图3所示:
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    3吹气法测量液位
    通过过滤☉器减压阀、稳压№和稳流调整组件将压缩空气的压力№和流量调整到吹气管的最下端逸出微量气泡(理想中稳压№和稳流调整组件的作用是将供气量恒定不变) ,这时吹气管内的气压与液封压力几乎相等 ,当液位上  升或下降时 ,液封压力也随之升高或降低 ,因 此 ,压力计或压力变送☉器显示的压力数值就能〓反应液位高度。
    吹气法同样适合测量密闭容☉器的液面 ,它最大的特点是结构简单 ,适用于测量具有腐蚀性、高粘度、悬浮颗粒物的介质液面 ,被测介质不直接接触↓仪表 ,价格相比较更便宜。如果 ,被测介质易燃或易氧化 ,可改用其它惰性气体 ,如氮气、二氧化碳等气体。
    但采用吹气法测量液位也有不足之处 ,测量精度不是太高 ,它的误差由稳压№和稳流调整组件№和变送☉器两部分的误差的叠加▆ ,因 此吹气的气体流量要选择合适 ,否则流量设◢置过大 ,则流经导压管的压降变大 ,会引入较大的测量误差 ,流量设◢置过小 ,又●会造成较大的滞后 ,一般都以测量最高液位时仍有气泡逸出为宜。还有在开启或停止吹气装置时 ,操作要求较严格 ,否则容易堵塞吹气管。

    四、膜片式液位计
    膜片式液位计在膜片与压力计之间封入高沸点、低凝固点、膨胀系数小的隔离液体 ,当液面上  下变化时 ,直接作用在隔离膜片上  产生压力变化 ,使压力计不与介质接触。这种液位计适用于测量粘度大、易结晶、易凝固的介质的液位 ,不仅解决了导压管易腐蚀№和易堵塞等问题 ,而且安装维护更便捷、准确度更高。膜片式测量液面如图4所示:
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    4膜片式测量液面
    除了采用膜片外 ,还有采用膜盒或波纹管的等方法进行间接测量 ,如法兰式差压变送☉器。法兰式差压变送☉器又●被分为单法兰差压变送☉器№和双法兰差压变送☉器 ,按照法兰的结构又●被分为平法兰№和插入式法兰。在使用中单法兰差压变送☉器通常是用来测量敞口容☉器的液位;双法兰差压变送☉器是用来测量密闭有压容☉器的液位;平法兰差压变送☉器是用在被测介质比较清洁 ,不结晶、不凝固的液位 ,而插入式法兰差压变送☉器是被用在被测介质粘稠、易结晶、易凝固的液位。
    在设◢计中选用法兰式差压变送☉器时要注意:①要根据被测介质的腐蚀性选择隔离膜片的材质;②要根据被测介质温度选择合适的隔离液;差压变送☉器的测量单位是压力单位(如kPa) ,设◢计时应将液柱(mm ,m)换算︻成压力单位来选择测量范围;④选择差压变送☉器时还应考虑液位迁移量。

    五、浸入式液位计
    浸入式液位计广泛应用于城市的供排水、污水处理、水库、河道、海洋等水位监测 ,其也是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的测量原理。↓仪表传感☉器(底部带有膜片)浸入到被测液体某一深度时 ,传感☉器膜片就感受到一定的压力 ,压力与液位关系公式为:
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    式中:P0--液面上  的大气压(对于敞口容☉器)
              P--传感☉器感受的液体压力
              ρ--介质密度
              H--传感☉器投入的液位深度
    显然 ,通过测量取▓得压力 P  ,可以得到液位深度。
    浸入式液位计的特点是:①结构简单 ,使用维护方便 ,直接浸入到被测介质中;②使用范围广 ,从水到高粘度介质都可高精度测量 ,并不受液体中气泡№和沉积物的影响;③浸入式液位计种类较齐全 ,根据不同的工▲况可选择防腐式、缆式、杆式等;④价格相对较低 ,性价比高。
    在浸入式液位计设◢计时应注意:①根据被测介质的特性 ,如介质的腐蚀性、温度等参数选择适合的传感☉器材质及浸入模式;②传感☉器尽可能〓不要安装在设◢备的进出口处;③为了提高↓仪表的测量精度№和使用寿命 ,根据传感☉器安装位置应考虑对传感☉器及缆绳或导杆的固定保护;④当浸入式液位计安装在室外 ,特别是野外时 ,应做好防雷电措施。

    六、加▆隔离液测量
    对于压力式液位计、差压式液位计 ,当测量腐蚀性液体的液位时 ,为了↓仪表不直接接触腐蚀性液体 ,可通过在↓仪表与被测液体之间加▆装隔离罐 ,内加▆隔离液 ,如图5所示:
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    5加▆装隔离罐测量液位
    使用隔离罐测量液位时 ,要注意隔离液不能〓与被测介质发生互溶 ,并且在隔离罐内两种液体的界面高度还应合适 ,否则会影响测量精度。

    七、小结
    为了选择合适的↓仪表 ,在静压式液位计选型时通常应考虑以下几点:①被测容☉器是有压还是常压;②被测介质的清洁度、粘稠度、腐蚀性、易燃性、是否易结晶、易凝固等方面;③↓仪表的测量精度;④在都能〓满足要求情况下 ,考虑↓仪表性能〓价格比。

    作者简介

    邱老师 ,自控学堂创办人 ,教授级高级工▲程师 ,从事自控工▲程设◢计30余年 ,先后承担了几十个大中型工▲程项目的设◢计、施工▲安装指导、调试开车及新技术开发等工▲作 ,是国家科技进步一等奖获得者 ,获国务院特殊津贴、行业↘工▲程设◢计大师等荣誉称号 ,国家科技奖评审专家。

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    以上  信息来源:自控学堂邱老师


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