【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。
中国仪器仪表学会产品信息工作委员会
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(mmm)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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