第四節　物位檢測及儀表

一、概述

在容器中液體介質的高低稱為液位，容器中固體或顆粒狀物質的堆積高度稱為料位。測量液位的儀表稱為液位計，測量料位的儀表稱為料位計，而測量兩種密度不同液體介質的分界面的儀表稱為界面計。上述三種儀表統稱為物位儀表。

物位測量在現代工業生產自動化中具有重要的地位。隨著現代化工業設備規模的擴大和集中管理，特別是計算機投入運行以后，物位的測量和遠傳更顯得重要了。

通過物位的測量，可以正確獲知容器設備中所儲物質的體積或質量；監視或控制容器內的介質物位，使它保持在一定的工藝要求的高度，或對它的上、下限位置進行報警，以及根據物位來連續監視或調節容器中流入與流出物料的平衡。所以，一般測量物位有兩種目的，一種是對物位測量的絕對值要求非常準確，借以確定容器或貯存庫中的原料、輔料、半成品或成品的數量；另一種是對物位測量的相對值要求非常準確，要能迅速正確反映某一特定水準面上的物料相對變化，用以連續控制生產工藝過程，即利用物位儀表進行監視和控制。

物位測量對安全生產關系十分密切。例如合成氨生產中銅洗塔塔底的液位控制塔底液位過高，精煉氣就會帶液，導致合成塔觸媒中毒；反之，如果液位過低時，會失去液封作用，發生高壓氣沖入再生系統，造成嚴重事故。

工業生產中對物位儀表的要求多種多樣，主要的有精度、量程、經濟和安全可靠等方面。其中首要的是安全可靠。測量物位儀表的種類很多。按其工作原理主要有下列幾種類型。

（1）直讀式物位儀表　這類儀表中主要有玻璃管液位計、玻璃板液位計等。

（2）差壓式物位儀表　它又可分為壓力式物位儀表和差壓式物位儀表，利用液柱或物料堆積對某定點產生壓力的原理而工作。

（3）浮力式物位儀表　利用浮子（或稱沉筒）高度隨液位變化而改變或液體對浸沉于液體中的浮子的浮力隨液位高度而變化的原理工作。它又可分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式的幾種。

（4）電磁式物位儀表　使物位的變化轉換為一些電量的變化，通過測出這些電量的變化來測知物位。它可以分為電阻式（即電極式）、電容式和電感式物位儀表等。還有利用壓磁效應工作的物位儀表。

（5）輻射式物位儀表　利用輻射透過物料時，其強度隨物質層的厚度而變化的原理而工作的，目前應用較多的是γ射線。

（6）聲波式物位儀表　由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測出這些變化就可測知物位。所以聲波式物位儀表可以根據它的工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。

（7）光學式物位儀表　利用物位對光波的遮斷和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白熾燈光或激光等。

此外還有微波式、機械接觸式等以適應各種不同的檢測要求，表3-5給出了常見液位計及特性。

下面重點介紹差壓式液位計，并簡單介紹幾種其他類型的物位測量儀表。

二、差壓式液位變送器

利用差壓或壓力變送器可以很方便地測量液位，且能輸出標準的電流或氣壓信號，有關變送器的原理及結構已在第二節里介紹，此處只著重討論其應用。

1.工作原理

差壓式液位變送器，是利用容器內的液位改變時，由液柱產生的靜壓也相應變化的原理而工作的，如圖3-37所示。

將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相。設容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p，則

p₁=p+Hρg　?。?-44）

　　　　　　　　　　　　　　　　 p₂=p　?。?-45）

因此可得

Δp=p₁-p₂=Hρg

式中，H為液位高度；ρ為介質密度；g為重力加速度；p₁，p₂分別為差壓變送器正、負壓室的壓力。

通常，被測介質的密度是已知的。差壓變送器測得的差壓與液位高度成正比。這樣就把測量液位高度轉換為測量差壓的問題了。

當被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時，只需將差壓變送器的負壓室通大氣即可。若不需要遠傳信號，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖3-38所示，根據壓力p與液位H成正比的關系，可直接在壓力表上按液位進行刻度。

2.零點遷移問題

在使用差壓變送器測量液位時，一般來說，其壓差Δp與液位高度H之間有如下關系

Δp=Hρg　　        （3-46）

這就屬于一般的“無遷移”情況。當H=0時，作用在正、負壓室的壓力是相等的。

但是在實際應用中，往往H與Δp之間的對應關系不那么簡單。例如圖3-39所示，為防止容器內液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保持負壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離罐，并充以隔離液。若被測介質密度為ρ₁，隔離液密度為ρ₂（通常ρ₂>ρ₁），這時正、負壓室的壓力分別為

p₁=h₁ρ₂g+Hρ₁g+p₀　　        （3-47）

p₂=h₂ρ₂g+p₀　　        （3-48）

正、負壓室間的壓差為

p₁-p₂=Hρ₁g+h₁ρ₂g-h₂ρ₂g

即

        Δp=Hρ₁g-（h₂-h₁）ρ₂g　?。?-49）

式中，Δp為變送器正、負壓室的壓差；H為被測液位的高度；h₁為正壓室隔離罐液位到變送器的高度；h₂為負壓室隔離罐液位到變送器的高度。

將式（3-49）與式（3-46）相比較，就知道這時壓差減少了（h₂-h₁）ρ₂g一項，也就是說，當H=0時，Δp=-（h₂-h₁）ρ₂g，對比無遷移情況，相當于在負壓室多了一項壓力，其固定數值為（h₂-h₁）ρ₂g。假定采用的是DDZ-Ⅲ型差壓變送器，其輸出范圍為4～20mA的電流信號。在無遷移時，H=0，Δp=0，這時變送器的輸出I_o=4mA；H=H_max，Δp=Δp_max，這時變送器的輸出I_o=20mA。但是有遷移時，根據式（3-49）可知，由于有固定差壓的存在，當H=0時，變送器的輸入小于0，其輸出必定小于4mA；當H=H_max時，變送器的輸入小于Δp_max，其輸出必定小于20mA。為了使儀表的輸出能正確反映出液位的數值，也就是使液位的零值與滿量程能與變送器輸出的上、下限值相對應，必須設法抵消固定壓差（h₂-h₁）ρ₂g的作用，使得當H=0時，變送器的輸出仍然回到4mA，而當H=H_max時，變送器的輸出能為20mA。采用零點遷移的辦法就能夠達到此目的，即調節儀表上的遷移彈簧，以抵消固定壓差（h₂-h₁）ρ₂g的作用。

這里遷移彈簧的作用，其實質是改變變送器的零點。遷移和調零都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點相對應，只不過零點調整量通常較小，而零點遷移量則比較大。

遷移同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。例如，某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa，當壓差由0變化到5000Pa時，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖3-40中曲線a所示。當有遷移時，假定固定壓差為（h₂-h₁）ρ₂g=2000Pa，那么H=0時，根據式（3-49）有Δp=-（h₂-h₁）ρ₂g=-2000Pa，這時變送器的輸出應為4mA；H為最大時，Δp=Hρ₁g-（h₂-h₁）ρ₂g=5000-2000=3000Pa，這時變送器輸出應為20mA，如圖3-40中曲線b所示。也就是說，Δp從-2000Pa到3000Pa變化時，變送器的輸出應從4mA變化到20mA。它維持原來的量程（5000Pa）大小不變，只是向負方向遷移了一個固定壓差值［（h₂-h₁）ρ₂g=2000Pa］。這種情況稱之為負遷移。

由于工作條件的不同，有時會出現正遷移的情況，如圖3-41所示，如果p₀=0，經過分析可以知道，當H=0時，正壓室多了一項附加壓力hρg，或者說H=0時，Δp=hρg，這時變送器輸出應為4mA，畫出此時變送器輸出和輸入壓差之間的關系，就如同圖3-40中曲線c所示。

3.用法蘭式差壓變送器測量液位

為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應使用在導壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如圖3-42所示。作為敏感元件的測量頭1（金屬膜盒），經毛細管2與變送器3的測量室相通。在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統內充有硅油，作為傳壓介質，并使被測介質不進入毛細管與變送器，以免堵塞。

法蘭式差壓變送器按其結構形式又分為單法蘭式及雙法蘭式兩種。容器與變送器間只需一個法蘭將管路接通的稱為單法蘭差壓變送器，而對于上端和大氣隔絕的閉口容器，因上部空間與大氣壓力多半不等，必須采用兩個法蘭分別將液相和氣相壓力導至差壓變送器，如圖3-42所示，這就是雙法蘭差壓變送器。

三、電容式物位傳感器

1.測量原理

在電容器的極板之間，充以不同介質時，電容量的大小也有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。

圖3-43是由兩個同軸圓柱極板1、2組成的電容器，在兩圓筒間充以介電系數為ε的介質時，則兩圓筒間的電容量表達式為

　　（3-50）

式中，L為兩極板相互遮蓋部分的長度；d、D為圓筒形內電極的外徑和外電極的內徑；ε為中間介質的介電常數。

所以，當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質的介電常數ε的乘積成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起其電容量的變化，從而可檢測出物位。

2.液位的檢測

對非導電介質液位測量的電容式液位傳感器原理如圖3-44所示。它由內電極1和一個與它相絕緣的同軸金屬套筒做的外電極2所組成，外電極2上開很多小孔4，使介質能流進電極之間，內外電極用絕緣套3絕緣。當液位為零時，儀表調整零點（或在某一起始液位調零也可以），其零點的電容為

　?。?-51）

式中，ε₀為空氣介電系數；D、d分別為外電極內徑及內電極外徑。

當液位上升為H時，電容量變為

　?。?-52）

電容量的變化為

　?。?-53）

因此，電容量的變化與液位高度H成正比。式（3-53）中的K_i為比例系數。K_i中包含（ε-ε₀），也就是說，這個方法是利用被測介質的介電系數ε與空氣介電系數ε₀不等的原理工作的。（ε-ε₀）值越大，儀表越靈敏。實際上與電容器兩極間的距離有關，D與d越接近，即兩極間距離越小，儀表靈敏度越高。

上述電容式液位計在結構上稍加改變以后，也可以用來測量導電介質的液位。

3.料位的檢測

用電容法可以測量固體塊狀　顆粒體及粉料的料位。

由于固體間磨損較大，容易“滯留”，所以一般不用雙電極式電極?？捎秒姌O棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。

圖3-45所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。它的電容量變化與料位升降的關系為

　　（3-54）

式中，D、d分別為容器的內徑和電極的外徑；ε、ε₀分別為物料和空氣的介電系數。

電容物位計的傳感部分結構簡單、使用方便。但由于電容變化量不大，要精確測量，就需借助于較復雜的電子線路才能實現。此外，還應注意介質濃度、溫度變化時，其介電系數也要發生變化這一情況，以便及時調整儀表，達到預想的測量目的。

四、核輻射物位計

放射性同位素的輻射線射入一定厚度的介質時，部分粒子因克服阻力與碰撞動能消耗被吸收，另一部分粒子則透過介質。射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱。入射強度為I₀的放射源，隨介質厚度增加其強度呈指數規律衰減，其關系為

I=I₀e^-μH　　（3-55）

式中，μ為介質對放射線的吸收系數；H為介質層的厚度；I為穿過介質后的射線強度。

不同介質吸收射線的能力是不一樣的。一般來說，固體吸收能力最強，液體次之，氣體則最弱。當放射源已經選定，被測的介質不變時，則I₀與μ都是常數，根據式（3-55），只要測定通過介質后的射線強度I，介質的厚度H就知道了。介質層的厚度，在這里指的是液位或料位的高度，這就是放射線檢測物位法。

圖3-46是核輻射物位計的原理示意圖。輻射源1射出強度為I₀的射線，接收器2用來檢測透過介質后的射線強度I，再配以顯示儀表就可以指示物位的高低了。

這種物位儀表由于核輻射線的突出特點，能夠透過鋼板等各種物質，因而可以完全不接觸被測物質，適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結晶或沸騰狀態的介質的物位測量，還可以測量高溫融熔金屬的液位。由于核輻射線特性不受溫度、濕度、壓力、電磁場等影響，所以可在高溫、煙霧、塵埃、強光及強電磁場等環境下工作。但由于放射線對人體有害，它的劑量要加以嚴格控制，所以使用范圍受到一些限制。

五、光纖式液位計

隨著光纖傳感技術的不斷發展，其應用范圍日益廣泛。在液位測量中，光纖傳感技術的有效應用，一方面緣于其高靈敏度，另一方面是由于它具有優異的電磁絕緣性能和防爆性能，從而為易燃易爆介質的液位測量提供了安全的檢測手段。

1.全反射型光纖液位計

全反射型光纖液位計由液位敏感元件、傳輸光信號的光纖、光源和光檢測元件等組成。圖3-47所示為光纖液位傳感器部分的結構原理圖。棱鏡作為液位的敏感元件，它被燒結或粘接在兩根大芯徑石英光纖的端部。這兩根光纖中的一根光纖與光源耦合，稱為發射光纖；另一根光纖與光電元件耦合，稱為接收光纖。棱鏡的角度設計必須滿足以下條件：當棱鏡位于氣體（如空氣）中時，由光源經發射光纖傳到棱鏡與氣體介面上的光線滿足全反射條件，即入射光線被全部反射到接收光纖上，并經接收光纖傳送到光電檢測單元中；而當棱鏡位于液體中時，由于液體折射率比空氣大，入射光線在棱鏡中全反射條件被破壞，其中一部分光線將透過界面而泄漏到液體中去，致使光電檢測單元收到的光強減弱。

設光纖折射率為n₁，空氣折射率為n₂，液體折射率為n₃，光入射角為Φ₁，入射光功率為P_i，則單根光纖對端面分別裸露在空氣中時和淹沒在液體中時的輸出光功率P_o1和P_o2分別為

二者差值為

ΔP_o=P_o1-P_o2=P_i（E_o1-E_o2）　?。?-56）

由式（3-56）可知，只要檢測出有差值ΔP_o，便可確定光纖是否接觸液面。

由上述工作原理可以看出，這是一種定點式的光纖液位傳感器，適用于液位的測量與報警，也可用于不同折射率介質（如水和油）的分界面的測定。另外，根據溶液折射率隨濃度變化的性質，還可以用來測量溶液的濃度和液體中小氣泡含量等。若采用多頭光纖液面傳感器結構，便可實現液位的多點測量，如圖3-48所示。

由圖3-48可見，在大貯水槽6中，貯水深度為H，5為垂直放置的管狀支撐部件，其直徑很細，側面穿很多孔，圖中所示是采用了多頭結構1-1'，2-2'，3-3'和4-4'。如圖3-48所示的同樣光纖對，分別固定在支撐件5內，距底部高度分別為H₁，H₂，H₃，H₄各位置。入射光纖1，2，3和4均接到發射光源上，虛線1'，2'，3'和4'表示出射光纖，分別接到各自光電探測器上，將光信號轉變成電信號，顯示其液位高度。

光源發出的光分別向入射光纖1，2，3和4送光，因為結合部3和4位于水中，而結合部1和2位于空氣中，所以光電探測器的檢測裝置從出射光纖1'和2'所檢測到的光強大，而對出射光纖3'和4'所檢測的光強就小。由此可以測得水位H位于H₂和H₃之間。

為了提高測量精度，可以多安裝一些光纖對，由于光纖很細，故其結構體積可做得很小。安裝也容易，并可以遠距離觀測。 

由于這種傳感器還具有絕緣性能好，抗電磁干擾和耐腐蝕等優點，故可用于易燃易爆或具有腐蝕性介質的測量。但應注意，如果被測液體對敏感元件（玻璃）材料具有黏附性，則不宜采用這類光纖傳感器，否則當敏感元件露出液面后，由于液體黏附層的存在，將出現虛假液位，造成明顯的測量誤差。 

2.浮沉式光纖液位計

浮沉式光纖液位計是一種復合型液位測量儀表，它由普通的浮沉式液位傳感器和光信號檢測系統組成，主要包括機械轉換部分、光纖光路部分和電子電路部分，其工作原理及檢測系統如圖3-49所示。

（1）機械轉換部分　這一部分由浮子4、重錘3、鋼索2及計數齒盤1組成，其作用是將浮子隨液位上下變動的位移轉換成計數齒盤的轉動齒數。當液位上升時，浮子上升而重錘下降，經鋼索帶動計數齒盤順時針方向轉動相應的齒數；反之，若液位下降，則計數齒盤逆時針方向轉動相應的齒數。通常，總是將這種對應關系設計成液位變化一個單位高度（如1cm和1mm）時，齒盤轉過一個齒。

（2）光纖光路部分　這一部分由光源5（激光器或發光二極管）、等強度分束器7、兩組光纖光路和兩個相應的光電元件10（光電二極管）等組成。兩組光纖分別安裝在齒盤上下兩邊，每當齒盤轉過一個齒，上下光纖光路就被切斷一次，各自產生一個相應的光脈沖信號。由于對兩組光纖的相對位置做了特別的安排，從而使得兩組光纖光路產生的光脈沖信號在時間上有一很小的相位差。通常，導先的脈沖信號用做可逆計數器的加、減指令信號，而另一光纖光路的脈沖信號用做計數信號。

如圖3-49所示，當液位上升時，齒盤順時針轉動，假設是上面一組光纖光路先導通，即該光路上的光電元件先接收到一個光脈沖信號，那么該信號經放大和邏輯電路判斷后，就提供給可逆計數器作為加法指令（高電位）。緊接著導通的下一組光纖光路也輸出一個脈沖信號，該信號同樣經放大和邏輯電路判斷后提供給可逆計數器作為計數運算，使計數器加1。相反，當液位下降時，齒盤逆時針轉動，這時先導通的是下面一組光纖光路，該光路輸出的脈沖信號經放大和邏輯電路判斷后提供給可逆計數器作減法指令（低電位），而另一光路的脈沖信號作為計數信號，使計數器減1。這樣。每當計數齒盤順時針轉動一個齒，計數器就加1；計數齒盤逆時針轉動一個齒，計數器就減1，從而實現了計數齒盤轉動齒數與光電脈沖信號之間的轉換。 

（3）電子電路部分　該部分由光電轉換及放大電路、邏輯控制電路、可逆計數器及顯示電路等組成。光電轉換及放大電路主要是將光脈沖信號轉換為電脈沖信號，再對信號加以放大。邏輯控制電路的功能是對兩路脈沖信號進行判別，將先輸入的一路脈沖信號轉換成相應的“高電位”或“低電位”，并輸出送至可逆計數器的加減法控制端，同時將另一路脈沖信號轉換成計數器的計數脈沖。每當可逆計數器加1（或減1），顯示電路則顯示液位升高（或降低）1個單位（1cm或1m）高度。

浮沉式光纖液位計可用于液位的連續測量，而且能做到液體儲存現場無電源、無電信號傳送，因而特別適用于易燃易爆介質的液位測量，屬本質安全型測量儀表。

六、稱重式液罐計量儀

在石油、化工部門，有許多大型貯罐，由于高度與直徑都很大，即使液位變化1～2mm，就會有幾百公斤到幾噸的差別，所以液位的測量要求很精確。同時，液體（例如油品）的密度會隨溫度發生較大的變化，而大型容器由于體積很大，各處溫度很不均勻，因此即使液位（即體積）測得很準，也反映不了罐中真實的質量儲量有多少。利用稱重式液罐計量儀，就能基本上解決上述問題。

稱重儀是根據天平原理設計的。它的原理圖示于圖3-50。罐頂壓力p₁與罐底壓力p₂分別引至下波紋管1和上波紋管2。兩波紋管的有效面積A₁相等，差壓引入兩波紋管，產生總的作用力，作用于杠桿系統，使杠桿失去平衡，于是通過發訊器、控制器、接通電機線路，使可逆電機旋轉，并通過絲杠6帶動砝碼5移動，直至由砝碼作用于杠桿的力矩與測量力（由壓差引起）作用于杠桿的力矩平衡時，電機才停止轉動。下面推導在杠桿系統平衡時砝碼離支點的距離L₂與液罐中總的質量儲量之間的關系。

杠桿平衡時，有

（p₂-p₁）A₁L₁=MgL₂　　（3-57）

式中，M為砝碼質量；g為重力加速度；L₁、L₂為杠桿臂長；A₁為紋波管有效面積。

由于

p₂-p₁=Hρg

代入式（3-57），就有

　?。?-58）

式中，ρ為被測介質密度；K為儀表常數。

如果液罐是均勻截面，其截面積為A，于是液罐內總的液體儲量M₀為

M₀=ρHA　?。?-59）

即        

　?。?-60）

將式（3-60）代入式（3-58），得

　　（3-61）

因此，砝碼離支點的距離L₂與液罐單位面積儲量成正比。如果液罐的橫截面積A為常數，則可得

L₂=K_iM₀　?。?-62）

式中        

　　（3-63）

由此可見，L₂與液罐內介質的總質量儲量M₀成比例，而與介質密度無關。

如果儲罐橫截面積隨高度而變化，一般是預先制好表格，根據砝碼位移量L₂就可以查得儲存液體的質量。

由于砝碼移動距離與絲杠轉動圈數成比例，絲杠轉動時，經減速帶動編碼盤8轉動，因此編碼盤的位置與砝碼位置是對應的，編碼盤發出編碼信號到顯示儀表，經譯碼和邏輯運算后用數字顯示出來。

由于稱重儀是按天平平衡原理工作的，因此具有很高的精度和靈敏度。當罐內液體受組分、溫度等影響，密度變化時，并不影響儀表的測量精度。該儀表可以用數字直接顯示，顯示醒目，并便于與計算機聯用，進行數據處理或進行控制。

七、物位測量儀表的選型

物位測量儀表的選型原則如下。

（1）液面和界面測量應選用差壓式儀表、浮筒式儀表和浮子式儀表。當不滿足要求時，可選用電容式、射頻導納式、電阻式（電接觸式）、聲波式、磁致伸縮式等儀表。

料面測量應根據物料的粒度、物料的安息角、物料的導電性能、料倉的結構形式及測量要求進行選擇。

（2）儀表的結構形式及材質，應根據被測介質的特性來選擇。主要的考慮因素為壓力、溫度、腐蝕性、導電性；是否存在聚合、黏稠、沉淀、結晶、結膜、汽化、起泡等現象；密度和密度變化；液體中含懸浮物的多少；液面擾動的程度以及固體物料的粒度。

（3）儀表的顯示方式和功能，應根據工藝操作及系統組成的要求確定。當要求信號傳輸時，可選擇具有模擬信號輸出功能或數字信號輸出功能的儀表。

（4）儀表量程應根據工藝對象實際需要顯示的范圍或實際變化范圍確定。除供容積計量用的物位儀表外，一般應使正常物位處于儀表量程的50%左右。

（5）儀表精確度應根據工藝要求選擇。但供容積計量用的物位儀表的精確度應不劣于±1mm。

（6）用于可燃性氣體、蒸汽及可燃性粉塵等爆炸危險場所的電子式物位儀表，應根據所確定的危險場所類別以及被測介質的危險程度，選擇合適的防爆結構形式或采取其他的防爆措施。

液面、界面、料面測量儀表選型推薦表如表3-6所示。