葛君山

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系，南京 211170)

0 引言

液位檢測包括液位信號器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量，如上、下限指示，連續(xù)液位測量是對液位進行連續(xù)地測量。液位測量方法很多，有電容法、電阻法、磁致伸縮法、磁翻板法、振動法、浮子液位計法、液位開關(guān)法、安全閥法、伺服液位計法等。本文介紹了工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的幾種液位測量方法，并分析、比較這幾種檢測方法的特點，指出了液位檢測的發(fā)展趨勢。

1 差壓式液位測量

差壓法是目前最常用的測量儲罐內(nèi)液位的方法之一，差壓式液位計測量原理圖如圖 1。差壓計一端接液相，另一端接氣相，根據(jù)流體靜力學原理，P1= P2+Hρg。式中： H為液體高度；ρ為被測介質(zhì)密度；g為被測當?shù)氐闹亓铀俣取tΔP=P1- P2=Hρg。

圖1 差壓式液位測量原理圖

該方法只有在液體密度恒定不變的條件下,差壓ΔP與液體的高度 H成正比關(guān)系，而液體密度是液體組份和溫度的多元函數(shù)，當液體組份和溫度變化導致密度改變時，將引起差壓式液位測量的誤差。為此采用雙差壓法[1]，如圖 2所示。其中差壓傳感器 1用于測量未知液位高度 H 產(chǎn)生的差壓, 即密閉容器底部和液面上方的壓力差P1-P2=Hρg，差壓傳感器2用于測量已知液位高度h 產(chǎn)生的差壓, 即容器底部和液面下方取壓點的壓力差P1-P3=Hρg。

圖2 雙差壓法測量液位的原理圖

由上兩式可得

式中：H為容器內(nèi)被測液面高度；h為液面下方兩固定取壓點間的垂直距離。

由上式可見, 雙差壓法可消除液位密度變化對液位測量的影響。

在測量容器或貯罐液位時，往往取壓口與變送器引壓室不在同一水平線上。當變送器安裝的位置低于取壓口時，就會把引壓管中存在的一段附加液柱壓力引到變送器內(nèi)并產(chǎn)生測量誤差，稱為正遷移；反之，變送器安裝的位置高于取壓口的位置時，為負遷移。在實際應用中差壓變送器一般放在下取壓口的下面，由于下取壓口到變送器的正壓室的引壓管已被被測介質(zhì)充滿，而上取壓口到變送器負壓室的引壓管理論上是氣相，由于液位波動或氣相冷凝會有液體聚集在負壓的引壓管內(nèi)，使變送器的負壓始終受到積液壓力的影響，從而形成不穩(wěn)定的零點漂移?？朔闫挠行Х椒ㄊ窃谪搲汗苤泄酀M液體，但同時增加了附加的液柱壓力。從上、下取壓口到變送器的正負遷移相抵消一部分，余下部分為遷移，采用遷移機構(gòu)或電路消除此附加壓力的影響。在實際應用中，為防止容器內(nèi)液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保持負壓室的液位高度恒定，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。

差壓式液位測量，具有精度高（0.7%），漂移小，抗過載能力強等特點[8]。目前，生產(chǎn)差壓液位計的廠家較多。

2 超聲波法液位測量

超聲波頻率在2×104~2×1013Hz，在氣體中傳播衰減少。超聲波測量液位的方法比較多，其中應用比較廣泛的是脈沖回波法。該方法是從聲波源發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)介質(zhì)傳播到被測界面時，會在液體表面反射形成反射波，反射波被超聲波檢測器接受，測量超聲波從發(fā)射到接受所需時間，再根據(jù)介質(zhì)中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度計算出液位高度，如圖3。

圖3 脈沖回波法原理圖

從圖3中可見液位的高度計算公式為：L= L0-V·t/2，式中：V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波往返傳播時間。

超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、壓力、溫度、濃度等因素影響。實際應用中，可采用多個換能器，將上式中的傳播速度V抵消掉，避免超聲波傳播速度的影響。

超聲波法液位測量結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝及維護，屬于非接觸式測量，可用于有毒、腐蝕性氣體、高粘性液體的液位測量，響應時間短，具有實時性。但不宜用于含氣泡或固體顆粒的液體[2]。

3 光纖液位測量

光纖傳感器是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器，從根本上克服了電氣測量方法帶來的火災隱患，可用于易燃易爆的惡劣環(huán)境。其基本檢測原理是利用光學技術(shù)，發(fā)光器件發(fā)出的光通過光纖傳送到被測表面，一部分透射，另一部分被反射，反射光經(jīng)光纖接收傳回，被光電器件接受，根據(jù)反射光量判定液面高度。目前國內(nèi)已有許多廠家生產(chǎn)光纖液位計，已用于生產(chǎn)過程的有：雙波紋管結(jié)構(gòu)光纖液位計、浮筒式光纖液位計、反射式動柵光纖液位計等。

光纖液位測量具有靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾、耐腐蝕，尤其適用于易燃易爆的惡劣環(huán)境，適用于多種液體的液位測量。其缺點是不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)的液位。

4 激光液位測量

激光本質(zhì)上屬于電磁波，具有高亮度、高方向性、單色性好、高相干性的特點。激光頻率范圍6×1011~3×1016Hz，其傳播速度為光速。激光測距主要有脈沖法和相位法，用得較多是脈沖法。

激光脈沖法測量液位的原理類似于超聲波法，激光發(fā)射頭向被測液面發(fā)出激光脈沖，液面反射或散射回來的激光脈沖被激光器接收端接受，根據(jù)測得的激光脈沖往返一次所需時間Δt，由h= c ·Δ t /2(c為光速)換算得到液面高度h，在實際應用中常常在液體的表面放一個浮子。

激光液位測量是將檢測信號施加于安全功率的激光上，適用在油罐液位測量等易燃易爆的環(huán)境，具有很好的安全性，同時無活動部件，維護方便，系統(tǒng)抗干擾性強，價格相對較低。不足之處，光學鏡頭易受污染，影響測量結(jié)果。

5 雷達波法測量液位

雷達波法測量液位，利用喇叭狀波導管發(fā)射低功率微波（幾十微瓦），遇到被測液面后，部分微波反射回來，被同一天線接受，通過測量發(fā)射、接受的時間差來間接測量液位。

由于微波的傳播速度很快，要精確地測量雷達波的往返時間比較困難，目前采用微波脈沖法和連續(xù)波調(diào)頻法來解決。微波脈沖法的工作原理是雷達波發(fā)送器發(fā)出一系列脈沖信號，接收到的反射波與發(fā)射波進行合成，得到合成脈沖雷達波，然后通過測量發(fā)射波和反射波的頻率差間接計算脈沖波的往返時間。

雷達波法測量液位時，常采用導波管，一方面，若被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)比較小，會在物料表面產(chǎn)生反射和折射，使得物料表面有效的反射信號強度被衰減，嚴重時會導致無法正常工作，采用導波管，用來提高反射回波的能量，以提高測量的準確度；另一方面，導波管還可以消除由于容器的形狀而導致多種回波所產(chǎn)生的干擾。

由于微波在傳輸過程中受灰塵、煙霧及強光的影響很小，雷達波法測量液位可用于腐蝕性、高黏度和有毒液體的液位以及固體料位的測量，測量裝置沒有可動部件，無測量盲區(qū)，雷達波傳播速度取決于介質(zhì)的相對介電常數(shù)和磁導率，因此不受溫度、壓力等影響，屬于非接觸測量，實時性好。不足之處，價格較高。

6 液位檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，對液位檢測技術(shù)的要求也越來越高，液位檢測的方法及相應的儀表也在不斷改進和更新，出現(xiàn)了很多液位測量方法，如新型電容陣列式液位傳感器[5]，利用集成開關(guān)式霍爾元件研制的一種基于串行擴展技術(shù)的液位測量傳感器[6]，采用線陣CCD通過對液面反射光斑的位置測量實現(xiàn)了對黏稠液體液位的精確測量[7]，利用儲罐內(nèi)液體加注時所激發(fā)聲音的頻率變化進行罐體內(nèi)液位的測量[3]等等?，F(xiàn)場情況錯綜復雜，沒有哪一種檢測方法能適應所有的介質(zhì)和環(huán)境，需結(jié)合實際情況和精度要求選用技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的測量方法。

隨著計算機應用的普及，直接輸出數(shù)字信號的數(shù)字化液位傳感器越來越受到重視，納米技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展拓展了液位測量的方法。總之，為滿足現(xiàn)場液位測量要求，液位檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢[8]，一方面新的測量原理運用，擴大檢測的手段；另一方面，檢測儀表方面向數(shù)字化、智能化，實現(xiàn)適時、在線、高精度的測量，提高對惡劣環(huán)境的適應能力。

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[1]江通, 胡海峰. 差壓原理液位精確測量的應用. 工業(yè)計量, 2008, 18(5).

[2]賈麗, 袁小平, 陳燁, 鄧昆, 張繼森. 常用液位檢測方法的研究. 能源技術(shù)及管理, 2009, (1).

[3]賈鵬,張杰,陳侃,童峰. 一種儲罐液位聲學測量新方法. 廈門大學學報(自然科學版), 2007, (8)

[4]聶華, 李衛(wèi), 首曉潔, 劉曉麗, 任曉峰. 差壓式液位計取壓方法的研究. 石油工程建設(shè), 2010, (2).

[5]唐正茂,王惠玲,劉志遠,蔡春麗,崔體波. 一種電容陣列式液位傳感器的設(shè)計與實現(xiàn). 傳感器與微系統(tǒng),2010, (3).

[6]淮文博. 基于串行擴展技術(shù)的霍爾液位傳感器. 寶雞文理學院學報(自然科學版), 2010, (3).

[7]郭少朋, 徐魯寧, 韓立, 方光榮. 基于 CCD 的液位測量方法. 技術(shù)與應用, 2008, (2).

[8]楊朝虹, 李煥. 新型液位檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. 工礦自動化, 2009, (6).