第四节 物位检测及仪表
一、概述
在容器中液体介质的高低称为液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度称为料位。测量液位的仪表称为液位计，测量料位的仪表称为料位计，而测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表称为界面计。上述三种仪表统称为物位仪表。
物位测量在现代工业生产自动化中具有重要的地位。随着现代化工业设备规模的扩大和集中管理，特别是计算机投入运行以后，物位的测量和远传更显得重要了。
通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。所以，一般测量物位有两种目的，一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或贮存库中的原料、辅料、半成品或成品的数量；另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。
物位测量对安全生产关系十分密切。例如合成氨生产中铜洗塔塔底的液位控制塔底液位过高，精炼气就会带液，导致合成塔触媒中毒；反之，如果液位过低时，会失去液封作用，发生高压气冲入再生系统，造成严重事故。
工业生产中对物位仪表的要求多种多样，主要的有精度、量程、经济和安全可靠等方面。其中首要的是安全可靠。测量物位仪表的种类很多。按其工作原理主要有下列几种类型。
（1）直读式物位仪表 这类仪表中主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
（2）差压式物位仪表 它又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表，利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。
（3）浮力式物位仪表 利用浮子（或称沉筒）高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮力随液位高度而变化的原理工作。它又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。
（4）电磁式物位仪表 使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位。它可以分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等。还有利用压磁效应工作的物位仪表。
（5）辐射式物位仪表 利用辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。
（6）声波式物位仪表 由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。所以声波式物位仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。
（7）光学式物位仪表 利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白炽灯光或激光等。
此外还有微波式、机械接触式等以适应各种不同的检测要求，表3-5给出了常见液位计及特性。
表3-5 常见液位测量仪表的特性
下面重点介绍差压式液位计，并简单介绍几种其他类型的物位测量仪表。
二、差压式液位变送器
利用差压或压力变送器可以很方便地测量液位，且能输出标准的电流或气压信号，有关变送器的原理及结构已在第二节里介绍，此处只着重讨论其应用。
1.工作原理
差压式液位变送器，是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的，如图3-37所示。
图3-37 差压式液位变送器原理图
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。设容器上部空间为干燥气体，其压力为p，则
p1=p+Hρg （3-44）
p2=p （3-45）
因此可得
Δp=p1-p2=Hρg
式中，H为液位高度；ρ为介质密度；g为重力加速度；p1，p2分别为差压变送器正、负压室的压力。
通常，被测介质的密度是已知的。差压变送器测得的差压与液位高度成正比。这样就把测量液位高度转换为测量差压的问题了。
当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-38所示，根据压力p与液位H成正比的关系，可直接在压力表上按液位进行刻度。
图3-38 压力表式液位计
2.零点迁移问题
在使用差压变送器测量液位时，一般来说，其压差Δp与液位高度H之间有如下关系
Δp=Hρg （3-46）
这就属于一般的“无迁移”情况。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。
图3-39 负迁移示意图
但是在实际应用中，往往H与Δp之间的对应关系不那么简单。例如图3-39所示，为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。若被测介质密度为ρ1，隔离液密度为ρ2（通常ρ2>ρ1），这时正、负压室的压力分别为
p1=h1ρ2g+Hρ1g+p0 （3-47）
p2=h2ρ2g+p0 （3-48）
正、负压室间的压差为
p1-p2=Hρ1g+h1ρ2g-h2ρ2g
即
Δp=Hρ1g-（h2-h1）ρ2g （3-49）
式中，Δp为变送器正、负压室的压差；H为被测液位的高度；h1为正压室隔离罐液位到变送器的高度；h2为负压室隔离罐液位到变送器的高度。
将式（3-49）与式（3-46）相比较，就知道这时压差减少了（h2-h1）ρ2g一项，也就是说，当H=0时，Δp=-（h2-h1）ρ2g，对比无迁移情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定数值为（h2-h1）ρ2g。假定采用的是DDZ-Ⅲ型差压变送器，其输出范围为4～20mA的电流信号。在无迁移时，H=0，Δp=0，这时变送器的输出Io=4mA；H=Hmax，Δp=Δpmax，这时变送器的输出Io=20mA。但是有迁移时，根据式（3-49）可知，由于有固定差压的存在，当H=0时，变送器的输入小于0，其输出必定小于4mA；当H=Hmax时，变送器的输入小于Δpmax，其输出必定小于20mA。为了使仪表的输出能正确反映出液位的数值，也就是使液位的零值与满量程能与变送器输出的上、下限值相对应，必须设法抵消固定压差（h2-h1）ρ2g的作用，使得当H=0时，变送器的输出仍然回到4mA，而当H=Hmax时，变送器的输出能为20mA。采用零点迁移的办法就能够达到此目的，即调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差（h2-h1）ρ2g的作用。
这里迁移弹簧的作用，其实质是改变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。
迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。例如，某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如图3-40中曲线a所示。当有迁移时，假定固定压差为（h2-h1）ρ2g=2000Pa，那么H=0时，根据式（3-49）有Δp=-（h2-h1）ρ2g=-2000Pa，这时变送器的输出应为4mA；H为最大时，Δp=Hρ1g-（h2-h1）ρ2g=5000-2000=3000Pa，这时变送器输出应为20mA，如图3-40中曲线b所示。也就是说，Δp从-2000Pa到3000Pa变化时，变送器的输出应从4mA变化到20mA。它维持原来的量程（5000Pa）大小不变，只是向负方向迁移了一个固定压差值［（h2-h1）ρ2g=2000Pa］。这种情况称之为负迁移。
图3-40 正负迁移示意图
由于工作条件的不同，有时会出现正迁移的情况，如图3-41所示，如果p0=0，经过分析可以知道，当H=0时，正压室多了一项附加压力hρg，或者说H=0时，Δp=hρg，这时变送器输出应为4mA，画出此时变送器输出和输入压差之间的关系，就如同图3-40中曲线c所示。
图3-41 正迁移示意图
3.用法兰式差压变送器测量液位
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如图3-42所示。作为敏感元件的测量头1（金属膜盒），经毛细管2与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，并使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。
图3-42 法兰式差压变送器测量液位示意图
1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器
法兰式差压变送器按其结构形式又分为单法兰式及双法兰式两种。容器与变送器间只需一个法兰将管路接通的称为单法兰差压变送器，而对于上端和大气隔绝的闭口容器，因上部空间与大气压力多半不等，必须采用两个法兰分别将液相和气相压力导至差压变送器，如图3-42所示，这就是双法兰差压变送器。
三、电容式物位传感器
1.测量原理
在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。
图3-43是由两个同轴圆柱极板1、2组成的电容器，在两圆筒间充以介电系数为ε的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为
（3-50）
式中，L为两极板相互遮盖部分的长度；d、D为圆筒形内电极的外径和外电极的内径；ε为中间介质的介电常数。
图3-43 电容器的组成
1—内电极；2—外电极
所以，当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。这样，将电容传感器（探头）插入被测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起其电容量的变化，从而可检测出物位。
2.液位的检测
对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如图3-44所示。它由内电极1和一个与它相绝缘的同轴金属套筒做的外电极2所组成，外电极2上开很多小孔4，使介质能流进电极之间，内外电极用绝缘套3绝缘。当液位为零时，仪表调整零点（或在某一起始液位调零也可以），其零点的电容为
（3-51）
式中，ε0为空气介电系数；D、d分别为外电极内径及内电极外径。
图3-44 非导电介质的液位测量
1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔
当液位上升为H时，电容量变为
（3-52）
电容量的变化为
（3-53）
因此，电容量的变化与液位高度H成正比。式（3-53）中的Ki为比例系数。Ki中包含（ε-ε0），也就是说，这个方法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理工作的。（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。
实际上与电容器两极间的距离有关，D与d越接近，即两极间距离越小，仪表灵敏度越高。
上述电容式液位计在结构上稍加改变以后，也可以用来测量导电介质的液位。
3.料位的检测
用电容法可以测量固体块状 颗粒体及粉料的料位。
由于固体间磨损较大，容易“滞留”，所以一般不用双电极式电极。可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。
图3-45 料位检测
1—金属电极棒；2—容器壁
图3-45所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。它的电容量变化与料位升降的关系为
（3-54）
式中，D、d分别为容器的内径和电极的外径；ε、ε0分别为物料和空气的介电系数。
电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。但由于电容变化量不大，要精确测量，就需借助于较复杂的电子线路才能实现。此外，还应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这一情况，以便及时调整仪表，达到预想的测量目的。
四、核辐射物位计
放射性同位素的辐射线射入一定厚度的介质时，部分粒子因克服阻力与碰撞动能消耗被吸收，另一部分粒子则透过介质。射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱。入射强度为I0的放射源，随介质厚度增加其强度呈指数规律衰减，其关系为
I=I0e-μH （3-55）
式中，μ为介质对放射线的吸收系数；H为介质层的厚度；I为穿过介质后的射线强度。
不同介质吸收射线的能力是不一样的。一般来说，固体吸收能力最强，液体次之，气体则最弱。当放射源已经选定，被测的介质不变时，则I0与μ都是常数，根据式（3-55），只要测定通过介质后的射线强度I，介质的厚度H就知道了。介质层的厚度，在这里指的是液位或料位的高度，这就是放射线检测物位法。
图3-46是核辐射物位计的原理示意图。辐射源1射出强度为I0的射线，接收器2用来检测透过介质后的射线强度I，再配以显示仪表就可以指示物位的高低了。
图3-46 核辐射物位计示意图
1—辐射源；2—接收器
这种物位仪表由于核辐射线的突出特点，能够透过钢板等各种物质，因而可以完全不接触被测物质，适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。由于核辐射线特性不受温度、湿度、压力、电磁场等影响，所以可在高温、烟雾、尘埃、强光及强电磁场等环境下工作。但由于放射线对人体有害，它的剂量要加以严格控制，所以使用范围受到一些限制。
五、光纤式液位计
随着光纤传感技术的不断发展，其应用范围日益广泛。在液位测量中，光纤传感技术的有效应用，一方面缘于其高灵敏度，另一方面是由于它具有优异的电磁绝缘性能和防爆性能，从而为易燃易爆介质的液位测量提供了安全的检测手段。
1.全反射型光纤液位计
全反射型光纤液位计由液位敏感元件、传输光信号的光纤、光源和光检测元件等组成。图3-47所示为光纤液位传感器部分的结构原理图。棱镜作为液位的敏感元件，它被烧结或粘接在两根大芯径石英光纤的端部。这两根光纤中的一根光纤与光源耦合，称为发射光纤；另一根光纤与光电元件耦合，称为接收光纤。棱镜的角度设计必须满足以下条件：当棱镜位于气体（如空气）中时，由光源经发射光纤传到棱镜与气体介面上的光线满足全反射条件，即入射光线被全部反射到接收光纤上，并经接收光纤传送到光电检测单元中；而当棱镜位于液体中时，由于液体折射率比空气大，入射光线在棱镜中全反射条件被破坏，其中一部分光线将透过界面而泄漏到液体中去，致使光电检测单元收到的光强减弱。
图3-47 全反射型光纤液位传感器结构原理
设光纤折射率为n1，空气折射率为n2，液体折射率为n3，光入射角为Φ1，入射光功率为Pi，则单根光纤对端面分别裸露在空气中时和淹没在液体中时的输出光功率Po1和Po2分别为
二者差值为
ΔPo=Po1-Po2=Pi（Eo1-Eo2） （3-56）
由式（3-56）可知，只要检测出有差值ΔPo，便可确定光纤是否接触液面。
由上述工作原理可以看出，这是一种定点式的光纤液位传感器，适用于液位的测量与报警，也可用于不同折射率介质（如水和油）的分界面的测定。另外，根据溶液折射率随浓度变化的性质，还可以用来测量溶液的浓度和液体中小气泡含量等。若采用多头光纤液面传感器结构，便可实现液位的多点测量，如图3-48所示。
由图3-48可见，在大贮水槽6中，贮水深度为H，5为垂直放置的管状支撑部件，其直径很细，侧面穿很多孔，图中所示是采用了多头结构1-1'，2-2'，3-3'和4-4'。如图3-48所示的同样光纤对，分别固定在支撑件5内，距底部高度分别为H1，H2，H3，H4各位置。入射光纤1，2，3和4均接到发射光源上，虚线1'，2'，3'和4'表示出射光纤，分别接到各自光电探测器上，将光信号转变成电信号，显示其液位高度。
图3-48 光纤对多头传感器结构
P1—入射光线；P2—出射光线；
1～4—入射光纤；1'～4'—出射光纤；5—管状支撑部件；6—大贮水槽
光源发出的光分别向入射光纤1，2，3和4送光，因为结合部3和4位于水中，而结合部1和2位于空气中，所以光电探测器的检测装置从出射光纤1'和2'所检测到的光强大，而对出射光纤3'和4'所检测的光强就小。由此可以测得水位H位于H2和H3之间。
为了提高测量精度，可以多安装一些光纤对，由于光纤很细，故其结构体积可做得很小。安装也容易，并可以远距离观测。
由于这种传感器还具有绝缘性能好，抗电磁干扰和耐腐蚀等优点，故可用于易燃易爆或具有腐蚀性介质的测量。但应注意，如果被测液体对敏感元件（玻璃）材料具有黏附性，则不宜采用这类光纤传感器，否则当敏感元件露出液面后，由于液体黏附层的存在，将出现虚假液位，造成明显的测量误差。
2.浮沉式光纤液位计
浮沉式光纤液位计是一种复合型液位测量仪表，它由普通的浮沉式液位传感器和光信号检测系统组成，主要包括机械转换部分、光纤光路部分和电子电路部分，其工作原理及检测系统如图3-49所示。
图3-49 浮沉式光纤液位计工作原理
1—计数齿盘；2—钢索；3—重锤；4—浮子；5—光源；6—光纤；7—分束器；8—计数齿盘；9—透镜；10—光电元件
（1）机械转换部分 这一部分由浮子4、重锤3、钢索2及计数齿盘1组成，其作用是将浮子随液位上下变动的位移转换成计数齿盘的转动齿数。当液位上升时，浮子上升而重锤下降，经钢索带动计数齿盘顺时针方向转动相应的齿数；反之，若液位下降，则计数齿盘逆时针方向转动相应的齿数。通常，总是将这种对应关系设计成液位变化一个单位高度（如1cm和1mm）时，齿盘转过一个齿。
（2）光纤光路部分 这一部分由光源5（激光器或发光二极管）、等强度分束器7、两组光纤光路和两个相应的光电元件10（光电二极管）等组成。两组光纤分别安装在齿盘上下两边，每当齿盘转过一个齿，上下光纤光路就被切断一次，各自产生一个相应的光脉冲信号。由于对两组光纤的相对位置做了特别的安排，从而使得两组光纤光路产生的光脉冲信号在时间上有一很小的相位差。通常，导先的脉冲信号用做可逆计数器的加、减指令信号，而另一光纤光路的脉冲信号用做计数信号。
如图3-49所示，当液位上升时，齿盘顺时针转动，假设是上面一组光纤光路先导通，即该光路上的光电元件先接收到一个光脉冲信号，那么该信号经放大和逻辑电路判断后，就提供给可逆计数器作为加法指令（高电位）。紧接着导通的下一组光纤光路也输出一个脉冲信号，该信号同样经放大和逻辑电路判断后提供给可逆计数器作为计数运算，使计数器加1。相反，当液位下降时，齿盘逆时针转动，这时先导通的是下面一组光纤光路，该光路输出的脉冲信号经放大和逻辑电路判断后提供给可逆计数器作减法指令（低电位），而另一光路的脉冲信号作为计数信号，使计数器减1。这样。每当计数齿盘顺时针转动一个齿，计数器就加1；计数齿盘逆时针转动一个齿，计数器就减1，从而实现了计数齿盘转动齿数与光电脉冲信号之间的转换。
（3）电子电路部分 该部分由光电转换及放大电路、逻辑控制电路、可逆计数器及显示电路等组成。光电转换及放大电路主要是将光脉冲信号转换为电脉冲信号，再对信号加以放大。逻辑控制电路的功能是对两路脉冲信号进行判别，将先输入的一路脉冲信号转换成相应的“高电位”或“低电位”，并输出送至可逆计数器的加减法控制端，同时将另一路脉冲信号转换成计数器的计数脉冲。每当可逆计数器加1（或减1），显示电路则显示液位升高（或降低）1个单位（1cm或1m）高度。
浮沉式光纤液位计可用于液位的连续测量，而且能做到液体储存现场无电源、无电信号传送，因而特别适用于易燃易爆介质的液位测量，属本质安全型测量仪表。
六、称重式液罐计量仪
在石油、化工部门，有许多大型贮罐，由于高度与直径都很大，即使液位变化1～2mm，就会有几百公斤到几吨的差别，所以液位的测量要求很精确。同时，液体（例如油品）的密度会随温度发生较大的变化，而大型容器由于体积很大，各处温度很不均匀，因此即使液位（即体积）测得很准，也反映不了罐中真实的质量储量有多少。利用称重式液罐计量仪，就能基本上解决上述问题。
称重仪是根据天平原理设计的。它的原理图示于图3-50。罐顶压力p1与罐底压力p2分别引至下波纹管1和上波纹管2。两波纹管的有效面积A1相等，差压引入两波纹管，产生总的作用力，作用于杠杆系统，使杠杆失去平衡，于是通过发讯器、控制器、接通电机线路，使可逆电机旋转，并通过丝杠6带动砝码5移动，直至由砝码作用于杠杆的力矩与测量力（由压差引起）作用于杠杆的力矩平衡时，电机才停止转动。下面推导在杠杆系统平衡时砝码离支点的距离L2与液罐中总的质量储量之间的关系。
图3-50 称重式液罐计量仪
1—下波纹管；2—上波纹管；3—液相引压管；4—气相引压管；5—砝码；6—丝杠；7—可逆电机；8—编码盘；9—发讯器
杠杆平衡时，有
（p2-p1）A1L1=MgL2 （3-57）
式中，M为砝码质量；g为重力加速度；L1、L2为杠杆臂长；A1为纹波管有效面积。
由于
p2-p1=Hρg
代入式（3-57），就有
（3-58）
式中，ρ为被测介质密度；K为仪表常数。
如果液罐是均匀截面，其截面积为A，于是液罐内总的液体储量M0为
M0=ρHA （3-59）
即
（3-60）
将式（3-60）代入式（3-58），得
（3-61）
因此，砝码离支点的距离L2与液罐单位面积储量成正比。如果液罐的横截面积A为常数，则可得
L2=KiM0 （3-62）
式中
（3-63）
由此可见，L2与液罐内介质的总质量储量M0成比例，而与介质密度无关。
如果储罐横截面积随高度而变化，一般是预先制好表格，根据砝码位移量L2就可以查得储存液体的质量。
由于砝码移动距离与丝杠转动圈数成比例，丝杠转动时，经减速带动编码盘8转动，因此编码盘的位置与砝码位置是对应的，编码盘发出编码信号到显示仪表，经译码和逻辑运算后用数字显示出来。
由于称重仪是按天平平衡原理工作的，因此具有很高的精度和灵敏度。当罐内液体受组分、温度等影响，密度变化时，并不影响仪表的测量精度。该仪表可以用数字直接显示，显示醒目，并便于与计算机联用，进行数据处理或进行控制。
七、物位测量仪表的选型
物位测量仪表的选型原则如下。
（1）液面和界面测量应选用差压式仪表、浮筒式仪表和浮子式仪表。当不满足要求时，可选用电容式、射频导纳式、电阻式（电接触式）、声波式、磁致伸缩式等仪表。
料面测量应根据物料的粒度、物料的安息角、物料的导电性能、料仓的结构形式及测量要求进行选择。
（2）仪表的结构形式及材质，应根据被测介质的特性来选择。主要的考虑因素为压力、温度、腐蚀性、导电性；是否存在聚合、黏稠、沉淀、结晶、结膜、汽化、起泡等现象；密度和密度变化；液体中含悬浮物的多少；液面扰动的程度以及固体物料的粒度。
（3）仪表的显示方式和功能，应根据工艺操作及系统组成的要求确定。当要求信号传输时，可选择具有模拟信号输出功能或数字信号输出功能的仪表。
（4）仪表量程应根据工艺对象实际需要显示的范围或实际变化范围确定。除供容积计量用的物位仪表外，一般应使正常物位处于仪表量程的50%左右。
（5）仪表精确度应根据工艺要求选择。但供容积计量用的物位仪表的精确度应不劣于±1mm。
（6）用于可燃性气体、蒸汽及可燃性粉尘等爆炸危险场所的电子式物位仪表，应根据所确定的危险场所类别以及被测介质的危险程度，选择合适的防爆结构形式或采取其他的防爆措施。
液面、界面、料面测量仪表选型推荐表如表3-6所示。
表3-6 液面、界面、料面测量仪表选型推荐表
注：表中“—”表示不能选用。