液位測量原理及其方法

1、1油氣儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化液位測量油氣儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化液位測量2液位測量必要性液位測量必要性l在油氣儲(chǔ)運(yùn)過程中，精確測定儲(chǔ)油大罐中的液位高度，是正確計(jì)算儲(chǔ)油量、確定庫存、計(jì)算輸量的重要措施。l在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲(chǔ)與處理，物位的測量與控制，對(duì)于保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至關(guān)重要的，否則會(huì)產(chǎn)生重大的事故。l例如油罐液位測量控制不好，會(huì)出現(xiàn)抽空或溢油“冒頂”事故；油氣分離器液位偏高或偏低會(huì)出現(xiàn)“跑油”、“竄氣”事故，嚴(yán)重影響后序設(shè)備的生產(chǎn)和安全；l電脫水器中油水界面高了會(huì)破壞電場低了會(huì)使放水中帶油，影響生產(chǎn)。3物位的基本概念物位的基本概念l

2、物位物位指容器中的液體介質(zhì)的液位、固體的指容器中的液體介質(zhì)的液位、固體的料位或顆粒物的料位和兩種不同液體介質(zhì)分界料位或顆粒物的料位和兩種不同液體介質(zhì)分界面的總稱。面的總稱。l液位液位容器中的液體介質(zhì)的高低容器中的液體介質(zhì)的高低l料位料位容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度l界位界位兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低4檢測方法的分類檢測方法的分類l按測量方式可以分為連續(xù)測量連續(xù)測量和定點(diǎn)測量。定點(diǎn)測量。l按其工作原理可分為下列幾種類型：(1) 直讀式直讀式 它根據(jù)流體的連通性原理來測量液位。(2) 浮力式浮力式 它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變

3、或液體對(duì)浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。(3) 差壓式（靜壓式）差壓式（靜壓式） 它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。(4) 電氣式電氣式 它根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。(5) 核輻射式核輻射式 它根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。(6) 聲學(xué)式聲學(xué)式 它根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來測量物位5直接測量法直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有

4、標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度位高度。玻璃管液位計(jì)。 6人工檢尺液位測量人工檢尺液位測量 l人工檢尺液位測量是對(duì)各種儲(chǔ)罐內(nèi)的液體進(jìn)行體積和質(zhì)量測定的種基本方法。l具有操作簡單、計(jì)量準(zhǔn)確、無須輔助設(shè)備的特點(diǎn)，仍是目前各油田原油集輸過程中的一種主要計(jì)量方法。l檢尺測量時(shí)，先對(duì)罐內(nèi)液位高度進(jìn)行測定，再根據(jù)罐的橫截面積或大罐容積表，計(jì)算罐內(nèi)液體體積和質(zhì)量。l檢尺測量的工具是鋼卷尺，其下端帶有銅質(zhì)重錘。為方便量油操作，在罐頂設(shè)有量油口。量油口下裝有量油管，管子底端鉆有孔眼與液體連通。設(shè)置量油管的目的是為了減小罐內(nèi)液面波動(dòng)對(duì)量油的影響。7磁翻轉(zhuǎn)

5、液位計(jì)磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì) l磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、顯示醒目。l由于被測液體被完全密封，使用磁耦合傳動(dòng)，因而可以測量高溫、高壓及不透明的粘性液體，如原油、污水等。l缺點(diǎn)是經(jīng)長期使用后，磁鋼磁性退化，翻板軸磨損易造成指示錯(cuò)誤故應(yīng)定期檢查與校正。8浮力法 浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會(huì)跟隨當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會(huì)跟隨液面上下移動(dòng)。液面上下移動(dòng)。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。 浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼

6、帶式、杠桿式等。 9鋼帶浮子式液位計(jì)直讀式鋼帶浮子式液位計(jì)，這是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。10浮筒式液位計(jì) 浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。 液位高度變化與彈簧變形量成液位高度變化與彈簧變形量成正比。正比。彈簧變形量可用多種方法測量，既可就地指示，也可用變換器(如差動(dòng)變壓器)變換成電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。圖中： 1-浮筒；2-彈簧；3-差動(dòng)變壓器 。11靜壓式液位計(jì)靜壓式液位計(jì) 依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此

7、通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。 12多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的高度的高度 。 其關(guān)系為其關(guān)系為式中式中 P P測壓儀表指示值測壓儀表指示值 H H液位的高度液位的高度液體的密度液體的密度g g重力加速度重力加速度gHP 壓力表測量液位原理 敞口容器敞口容器131p0H321容 器 ；2差 壓 傳 感 器 ；3液 位 零 面gHPPP0式中式中 P P0 0、P P+ +分別是液面上部介

8、質(zhì)壓力和液面以下分別是液面上部介質(zhì)壓力和液面以下H H深度的液體壓力。深度的液體壓力。gHPP0測量容器底部壓力，除與液面高度有關(guān)外，還與液面上部介測量容器底部壓力，除與液面高度有關(guān)外，還與液面上部介 質(zhì)壓力有關(guān)，其關(guān)系為質(zhì)壓力有關(guān)，其關(guān)系為密閉容器密閉容器14零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移（1）壓力表安裝位置與容器底部不在同一高度（2）導(dǎo)壓管存在液柱無遷移無遷移特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位（容器的最低液位（Hmin=0Hmin=0）處于同一水平）處于同一水平位置。作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓位置。作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓PP與液位高度與液位高度

9、H H的關(guān)系為的關(guān)系為P=HgP=Hg。當(dāng)當(dāng)H =0H =0時(shí)，正負(fù)壓室的差壓時(shí)，正負(fù)壓室的差壓P=0P=0，變送，變送 器輸出信號(hào)為器輸出信號(hào)為4mA4mA當(dāng)當(dāng)H= HmaxH= Hmax時(shí)，差壓時(shí)，差壓Pmax=gHmaxPmax=gHmax， 變送器的輸出信號(hào)為變送器的輸出信號(hào)為20 mA20 mA，15ghhgHPPP2121)(負(fù)遷移負(fù)遷移 差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為 ghgHPP211氣正、負(fù)壓室的壓差為正、負(fù)壓室的壓差為當(dāng)被測液位當(dāng)被測液位H=0H=0時(shí)，時(shí)，P=-P=-（h h2 2-h-h1 1）2 2g0g0，從而使變送器在H=0時(shí)

10、輸出電流大于4 mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流大于20 mA。17（a）無遷移 （b）負(fù)遷移 （c）正遷移0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)固定差壓 =2000Pa某壓力變送器的測量范圍：05000Pa，ghh212)(18 改變變送器的零點(diǎn)。 都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。 同時(shí)改變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。19法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1法蘭式測量頭；2毛細(xì)管；3變送器 單法蘭式單法蘭式 雙法蘭式雙法蘭式 為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及

11、黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。 20例例1如下圖所示是雙法蘭式差壓變送器測量密閉容器中如下圖所示是雙法蘭式差壓變送器測量密閉容器中有結(jié)晶液體的液有結(jié)晶液體的液位，已知被測液體的密度位，已知被測液體的密度=1200kg/m3，液位變化范圍為液位變化范圍為H為為0950mm，變送器的正、負(fù)壓法蘭中心線距離變送器的正、負(fù)壓法蘭中心線距離H0=1800mm，變送器毛細(xì)管硅油密度，變送器毛細(xì)管硅油密度1=950kg/m3，試確定變送器的量程和遷移量。試確定變送器的量程和遷移量。根據(jù)差壓變送器的量程系列，可選16kPa

12、的量程。差壓變送器需要進(jìn)行負(fù)遷移，負(fù)遷移量為16.758kPa。)(1117295. 08 . 91200maxPagH解：液位的變化范圍為0950mm時(shí)，差壓的變化量為)(167588.18.995001PagHp當(dāng)H=0時(shí)21例例2 2：有兩種密度分別為：有兩種密度分別為1=0.8g/cm31=0.8g/cm3，2=1.1g/cm32=1.1g/cm3的液體置于閉口容器中，的液體置于閉口容器中，它們的界面經(jīng)常發(fā)生變化。試考慮能否利用差壓變送器來連續(xù)測量其界面，它們的界面經(jīng)常發(fā)生變化。試考慮能否利用差壓變送器來連續(xù)測量其界面，若可以利用差壓變送器來測量，試問：若可以利用差壓變送器來測量，試問

13、：（1 1）儀表的量程如何選擇；）儀表的量程如何選擇；（2 2）遷移量是多少？）遷移量是多少？ 解：可以利用差壓變送器來連續(xù)測量其界面，如右圖。因2密度比較高，所以用采用法蘭液面計(jì)測量1、2的界位。液位計(jì)毛細(xì)管內(nèi)充有硅油，其密度為=0.95g/cm3。 （1）儀表的量程是指當(dāng)界位由最低升到最高時(shí)，液面計(jì)上所增加的壓力。故量程為ghp)(123max（2）當(dāng)界面最低時(shí)，儀表正、負(fù)室壓的壓力+、-分別為 ghhhhghppghghghhhpp0432111_02413211)()(22所以儀表的遷移量 ghhhghghhppp043224123)()(ppppp則為負(fù)遷移，遷移量為則無遷移；則為正

14、遷移，遷移量為, 0, 0;, 023超聲波法超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。 因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可測出液位高低。24分類分類 超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式氣介式、液介式液介式和固介式固介式三種； 按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式收發(fā)分開的雙探頭方式。 單探頭液位計(jì)使用一個(gè)換能器，由控制電路控制它分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。 雙探頭式則使用兩個(gè)換能器分別作發(fā)射器和接收器，對(duì)于固介式

15、，需要有兩根金屬棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。(a)氣介式 (b) 液介式 (c)固介式單探頭超聲波液位計(jì) 25超聲波液位測量超聲波液位測量有許多優(yōu)點(diǎn)：u與介質(zhì)不接觸，無可動(dòng)部件，電子元件只以聲頻振動(dòng)，振幅小，儀器壽命長；u超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對(duì)檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；u不僅可進(jìn)行連續(xù)測量和定點(diǎn)測量，還能方便地提供遙測或遙控信號(hào)；u能測量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。 26超聲波液位測量超聲波液位測量也有缺點(diǎn)：u超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴；u當(dāng)超

16、聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對(duì)此超聲波液位計(jì)應(yīng)有相應(yīng)的補(bǔ)償措施，否則嚴(yán)重影響測量精度；u有些物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時(shí)要充分考慮液位測量的具體情況和條件。27電學(xué)法 電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。式和電容式。用電學(xué)法測量無摩擦件和可動(dòng)部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)，與電動(dòng)單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制。 28電阻式液位計(jì)電阻式液位計(jì) 電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測量。 所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降

17、到一定位置所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起電路的接通或斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。時(shí)引起電路的接通或斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。29 該液位計(jì)的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。整個(gè)傳感器電阻為 該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，電阻大小與液位高度成正比。連續(xù)測量的電阻式液位計(jì)原理圖。 1-電阻棒； 2-絕緣套； 3-測量電橋hKKhAHAhHAR2122230電感式液位計(jì) 電感式液位計(jì)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線圈電電感式液位計(jì)利用電磁感

18、應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。 電感式液位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行液位定點(diǎn)控制。 傳感器由不導(dǎo)磁管子不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子導(dǎo)磁性浮子及線圈線圈組成。管子與被測容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，當(dāng)液面高度變化時(shí)，浮子隨著移動(dòng)。 線圈固定在液位上下限控制點(diǎn)，當(dāng)浮子隨液面移動(dòng)到控制位置時(shí)，引起線圈感應(yīng)電勢變化，以此信號(hào)控制繼電器動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)上、下液位的報(bào)警與控制。 圖中：1、3-上下限線圈； 2-浮子 31電容式液位計(jì) 電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量

19、。行測量。 電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式平極板式、同心圓柱式同心圓柱式等等。 它的適用范圍非常廣泛，對(duì)介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。不僅可作液位控制器。還能用于連續(xù)測量。32檢測原理檢測原理 在液位的連續(xù)測量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖。同心圓柱式電容器的電容量：式中： D、d外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑 (m)； 極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)； L 極板相互重疊的長度(m)。 液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計(jì)的檢測容器的電容量變化，這就是電容式液位計(jì)的檢測原理。原理。圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極 。dDLCln233磁電法 利用磁電轉(zhuǎn)換原理磁電轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行液位測量的磁致伸縮液位計(jì)是近年來推出的新產(chǎn)品。 磁致伸縮液位計(jì)原理圖 34常用油罐液位計(jì)的性能特點(diǎn)及選用常用油罐液位計(jì)的性能特點(diǎn)及選用 l中間罐僅對(duì)液位、溫度和壓力（帶壓儲(chǔ)罐）等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以防止