物位仪表
物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量。物位检测为保证生产过程的正常运行，如调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确定产品产量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过程监测中物位检测占有重要的地位。
5.1 物位的定义及物位检测仪表的分类
5.1.1物位的定义
“物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。
(1)液位 指设备和容器中液体介质表面的高低。
(2)料位 指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。
(3)界位 指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液—固相界面。液—液、液—固相界面的位置简称界位。
物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。
5.1.2 物位检测仪表的分类
由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。
物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。连续测量方式能持续测量物位的变化。定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。
按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。
(1)直读式物位检测仪表 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)静压式物位检测仪表 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可测知液位。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。
(3)浮力式物位检测仪表 其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。
(4)机械接触式物位检测仪表 通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。
(5)电气式物位检测仪表 将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。
(6)其他物位检测方法 如声学式、射线式、光纤式仪表等。
各类物位检测仪表的主要特性见表5-1。

5.2 静压式液位检测仪表
静压式检测方法的测量原理如图5-1所示，将液位的检测转换为静压力测量。设容器上部空间的气体压力为 ，选定的零液位处压力为 ，则自零液位至液面的液柱高H所产生的静压差 可表示为: (5-1)
式中 为被测介质密度；g为重力加速度。
当被测介质密度不变时，测量差压值 或液位零点位置的压力 ，即可以得知液位。
静压式检测仪表有多种型式，应用较普遍。

5.2.1 压力、差压式液位计
凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程，均可用于检测液位。这种仪表的特点是测量范围大，无可动部件，安装方便，工作可靠。
对于敞口容器，上式中 的为大气压力，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映相应的液柱静压，如图5-2(a)所示。对于密闭容器，可用差压计测量液位。其设置见图5—2(b)，差压计的正压侧与容器底部相通，负压侧连接容器上部的气空间。由式(5-1)可求液位高度。

压力信号的引出可用引压管方式。对于有腐蚀性或有结晶颗粒、粘度大、易凝固的液体介质，可用法兰式仪表。如图5-3所示，仪表以法兰形式与容器连接，金属感压膜盒安装在法兰中，并直接与介质接触。膜盒与测量室之间则由带保护套管的毛细管相通，在这个密闭系统中充满硅油用以传递压力。

由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器的最低液位处在同一高度上，因此在测量液位时，仪表的量程范围内会有一个不变的附加值。对于这种情况，要根据安装高度差进行读数的修正。如图5-4(a)中的情况，差压计安装在最低液面以下。这时加在差压计两侧的差压为：
(5-2)
由于安装高度h所产生的静压使得液位计的输出不与零液位相对应。一般的差压计都有调整零点位置的机构，即可以对感压元件预加一个作用力，将仪表的零点迁移到与液位零点相重合，这就是零点迁移。在仪表的安装位置确定之后，只需按计算值进行零点调整即可。如在图5-4(a)情况下，为使仪表零点指示液位的零点，需要调整的迁移量为，这种迁移称为正迁移。
对于有可凝结蒸汽或采用隔离介质的液位测量系统，差压计的负压侧通常有一个固定的压力偏置量，如图5-4(b)所示。这时加在差压计两侧的差压为：
(5-3)
这种情况下的迁移量 为负值，这种迁移称为负迁移。

5.2.2 吹气式液位计
吹气式液位计原理如图5-5所示。将一根吹气管插入至被测液体的最低位(液面零位)，使吹气管通人一定量的气体(空气或惰性气体)，使吹气管中的压力与管口处液柱静压力相等。用压力计测量吹气管上端压力，就可测得液位。

由于吹气式液位计将压力检测点移至顶部，其使用维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。
用压力计或差压计检测液位时，液位的测量精度取决于测压仪表的精度，以及液体的温度对其密度的影响。
5.3 浮力式物位检测仪表
5.3.1 浮子式液位计
浮子式液位计是一种恒浮力式液位计。作为检测元件的浮子漂浮在液面上，浮子随着液面的变化而上下移动，其所受浮力的大小保持一定，检测浮子所在位置可知液面高低。浮子的形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等，其结构要根据使用条件和使用要求来设计。
以图5-6所示的重锤式直读浮子液位计为例。浮子通过滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力相平衡，以维持浮子处于平衡状态而漂在液面上，平衡重锤位置即反映浮子的位置，从而测知液位。若圆柱形浮子的外直径为D、浮子浸入液体的高度为 、液体密度为 。则其所受浮力 为：
(5—4)
此浮力与浮子的重量减去绳带向上的拉力相平衡。当液位发生变化时，浮子浸入液体的深度将改变，所受浮力亦变化。浮力变化 与液位变化 的关系可表示为：
(5—5)
由于液体的粘性及传动系统存在摩擦等阻力，液位变化只有达到一定值时浮子才能动作。按式(5-5)，若 等于系统的摩擦力，则式(5-5)给出了液位计的不灵敏区，此时的 为浮子开始移动时的浮力。选择合适的浮子直径及减少摩擦阻力，可以改善液位计的灵敏度。
浮子位置的检测方式有很多，可以直接指示也可以将信号远传。图5-7给出用磁性转换方式构成的舌簧管式液位计结构原理图。仪表的安装方式见图(c)，在容器内垂直插入下端封闭的不锈钢导管，浮子套在导管外可以上下浮动。图(a)中导管内的条形绝缘板上紧密排列着舌簧管和电阻，浮子里面装有环形永磁体，环形永磁体的两面为N、S极，其磁力线将沿管内的舌簧管闭合，即处于浮子中央位置的舌簧管将吸合导通，而其他舌簧管则为断开状态。舌簧管和电阻按图(b)接线，随着液位的变化，不同舌簧管的导通使电路可以输出与液位相对应的信号。这种液位计结构简单，通常采用两个舌簧管同时吸合以提高其可靠性。但是由于舌簧管尺寸及排列的限制，液位信号的连续性较差，且量程不能很大。
图5-8所示为一种伺服平衡式浮子液位计。卷绕在鼓轮上的测量钢丝绳前端与浮子连接，浮子静止在液面上时，对钢丝绳产生一定的张力。当液位变化时，浮子所受浮力改变，钢丝绳张力亦变化。这使传动轴的转矩改变，并引起平衡弹簧的伸缩，由张力检测磁铁和磁束感应传感器组成的张力传感器的输出将变化。经与标准张力值比较而给出偏差信号，使步进电机向减少偏差的方向转动。步进电机带动由传动皮带、蜗杆、蜗轮和磁耦合内外轮构成的传动机构使鼓轮旋转，并使浮子移动，直至浮力恢复到原来的数值。鼓轮的旋转量即步进电机的驱动步数反映了液位的变化量。这种连续控制使浮子可以跟踪液位变化，仪表配有微处理器，可以进行信号转换、运算和修正，可以现场显示，也可以将信号远传。

5.3.2 浮筒式液位计
这是一种变浮力式液位计。作为检测元件的浮筒为圆柱形，部分沉浸于液体中，利用浮筒被液体浸没高度不同引起的浮力变化而检测液位。图5-9为浮筒式液位计的原理示意图。浮筒由弹簧悬挂，下端固定的弹簧受浮筒重力而被压缩，由弹簧的弹性力平衡浮筒的重力。在检测液位的过程中浮筒只有很小的位移。设浮筒质量为m，截面积为S，弹簧的刚度和压缩位移为 和 ，被测液体密度为 ，浮筒没入液体高度为H，对应于起始液位有以
下关系：
(5-6)

当液位变化时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。达到新的力平衡时则有以下关系：
（5-7）
由式(5-6)和式(5-7)可求得：
上式表明，弹簧的变形与液位变化成比例关系。容器中的液位高度则为：
通过检测弹簧的变形即浮筒的位移，即可求出相应的液位高度。
检测弹簧变形有各种转换方法，常用的有差动变压器式、扭力管力平衡式等。图5-9中的位移转换部分就是一种差动变压器方式。在浮筒顶部的连杆上装一铁心，铁心随浮筒而上下移动，其位移经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出，从而给出相应的液位指示。
5.4 其他物位测量仪表
5.4.1电容式物位计
电容式物位计的工作原理基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。这种物位计的检测元件是两个同轴圆筒电极组成的电容器，见图5-10，其电容量为：
(5-8)
式中L为极板长度；D，d为外电极内径及内电极外径； 为极板间介质的介电常数。若将物位变化转换为L或 的变化均可引起电容量的变化，从而构成电容式物位计。
当圆筒形电极的一部分被物料浸没时，极板间存在的两种介质的介电常数将引起电容量的变化。设原有中间介质的介电常数为 ，被测物料的介电常数为 ，电极被浸没深度为H，则电容变化量为: (5-9)
在一定条件下， 为常数，则 与H成正比，测量电容变化量即可得知物位。
电容式物位计可以测量液位、料位和界位，主要由测量电极和测量电路组成。根据被测介质情况，电容测量电极的型式可以有多种。当测量不导电介质的物位时，可用同心套筒电极，如图5-11所示；也可以在容器中心设内电极而由金属容器壁做为外电极，构成同心电容器，如图5-12所示。当测量导电液体时，可以用包有一定厚度绝缘外套的金属棒做内电极，而外电极即液体介质本身，这时液位的变化是引起极板长度的改变，如图5-13所示。
常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。
电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。但是不适合于以下介质：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等情况。

5.4.2超声式物位计
超声波在气体、液体及固体中传播，具有一定的传播速度。超声波在介质中传播时会被吸收而衰减，在气体中传播的衰减最大，在固体中传播的衰减最小。超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗(声速与介质密度的乘积)差别较大的相界面，几乎为全反射。从发射超声波至收到反射回波的时间间隔与分界面位置有关，利用这一比例关系可以进行物位测量。
回波反射式超声波物位计的工作原理，就是利用发射的超声波脉冲将由被测物料的表面反射，测量从发射超声波到接收回波所需的时间，可以求出从探头到分界面的距离，进而测得物位。根据超声波传播介质的不同，超声式物位计可以分为固介式、液介式和气介式。它的组成主要有超声换能器和电子装置，超声换能器由压电材料制成，它完成电能和超声能的可逆转换，超声换能器可以采用接、收分开的双探头方式，也可以只用一个自发自收的单探头。电子装置用于产生电信号激励超声换能器发射超声波，并接收和处理经超声换能器转换的电信号。
图5-14所示为一种液介式超声波物位计的测量原理。置于容器底部的超声波换能器向液面发射短促的超声波脉冲，经时间t后，液面处产生的反射回波又被超声波换能器接收。则由超声波换能器到液面的距离H可用下式求出： （5-10）
式中 c为超声波在被测介质中的传播速度。只要声速已知，可以精确测量时间 ，求得液位。

超声波在介质中的传播速度易受介质的温度、成分等变化的影响，是影响物位测量的主要因素，需要进行补偿。通常可在超声换能器附近安装温度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响。还可使用校正器，定期校正声速。
超声式物位计的构成型式多样，还可以实现物位的定点测量。这类仪表无机械可动部件，安装维修方便；超声换能器寿命长；可以实现非接触测量，适合于有毒、高粘度及密封容器的物位测量；能实现防爆。由于其对环境的适应性较强，应用广泛。
5.4.3 核辐射式物位计
核辐射式物位计是利用核辐射线在穿透物质时将被衰减的现象来确定物位。射线射入一定厚度的介质时，其强度随所通过介质厚度的增加呈指数规律衰减，有如下关系：
(5-11)
式中 ， 分别为射线穿透介质前后的辐射强度； 为介质对射线的吸收系数；H为介质层厚度。
当射线源与被测介质确定后，利用物位高度不同而改变射线吸收厚度的原理，测量射线辐射强度的变化即可测得物位。
核辐射式物位计主要由射线源及其防护容器、射线检测器及电子转换、指示电路组成。射线源多选用穿透能力较强的丁射线源，通常选用钴(C060)或铯(Csl37)。射线检测器将射线强度转换为电信号输出。电子电路接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后输出与被测物位相应的标准信号。
核辐射式物位计的主要检测方式有固定安装式和随动式两种。根据测量要求，射线源和射线检测器可有不同的形状和布置，图5-15给出几种核辐射式物位计的测量方式。图5-15(a)为自动跟踪方式，通过电机带动射线源和接收器沿导轨随物位变化而升降，射线源和接收器始终保持在同一高度，可以实现对物位的自动跟踪。图5-15(b)为在容器外部的相应位置上安装射线源与接收器，射线通过容器中的介质时被吸收，当物位变化时其衰减程度将发生变化，测得辐射强度可知物位。在测量变化范围大的物位时，可以采用射线源多点组合，如图5-15(c)所示；或接收器多点组合，如图5-15(d)所示；或二者并用的方式，如图5-15(e)所示。这三种方式可以改善线性关系，但也增加了安装与维护的困难。

核辐射式物位计具有非接触测量的特点，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量，可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。
5.4.4 物位开关
进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，并发出相应的开关量信号。针对不同的被测对象，物位开关有多种型式，可以测量液位、料位、固—液分界面、液—液分界面，以及判断物料的有无等。物位开关的特点是简单、可靠、使用方便，适用范围广。
物位开关的工作原理与相应的连续测量仪表相同，表5-2列出几种物位开关的特点及示意图。

利用全反射原理亦可以制成开关式光纤液位探测器。光纤液位探头由LED光源、光电二极管和多模光纤等组成。一般在光纤探头的顶端装有圆锥体反射器，当探头未接触液面时，光线在圆锥体内发生全反射而返回光电二极管；在探头接触液面后，将有部分光线透人液体内，而使返回光电二极管的光强变弱。因此，当返回光强发生突变时，表明测头已接触液面，从而给出液位信号。图5-16给出光纤液位探测器的几种结构型式。图5-16(a)所示为Y型光纤结构，由Y型光纤和全反射锥体以及光源和光电二极管等组成。图5-16(b)所示为U型结构，在探头端部除去光纤的包层，当探头浸入液体时，液体起到包层的作用，由于包层折射率的变化使接收光强改变，其强度变化与液体的折射率和测头弯曲形状有关。图5-16(c)所示探头端部是两根多模光纤用棱镜耦合在一起，这种结构的光调制深度最强，而且对光源和光探测器件要求不高。

5.5 影响物位测量的因素
在实际生产过程中，被测对象很少有静止不动的情况，因此会影响物位测量的准确性。各种影响物位测量的因素对于不同介质各有不同，这些影响因素表现在如下方面。
5.5.1液位测量的特点
(1)稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。
(2)大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。
(3)容器中的液体呈高温、高压或高粘度，或含有大量杂质、悬浮物等。
5.5.2料位测量的特点
(1)料面不规则，存在自然堆积的角度。
(2)物料排出后存在滞留区。
(3)物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储量的计量。
5.5.3界位测量的特点
界位测量的特点则是在界面处可能存在浑浊段。
以上这些问题，在物位计的选择和使用时应予以考虑，并要采取相应的措施。

习题：
1．恒浮力式液位计与变浮力式液位计的测量原理有什么不同点？
2．对于开口容器和密闭压力容器用差压式液位计测量时有何不同？
3．利用差压变送器测量液位时，为什么要进行零点迁移？如何实现迁移？
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