課件：液位測量

液位測量2023/2/21核工程檢測技術2舉例說明液位測量必要性在油氣儲運過程中，精確測定儲油大罐中的液位高度，是正確計算儲油量、確定庫存、計算運輸量的重要措施。在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲運系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設備和罐器中分離、存儲與處理，物位的測量與控制，對于保證正常生產(chǎn)和設備安全是至關重要的，否則會產(chǎn)生重大的事故。例如油罐液位測量控制不好，會出現(xiàn)抽空或溢油“冒頂”事故；油氣分離器液位偏高或偏低會出現(xiàn)“跑油”、“竄氣”事故，嚴重影響后序設備的生產(chǎn)和安全；電脫水器中油水界面高了會破壞電場．低了會使放水中帶油，影響生產(chǎn)。2023/2/22核工程檢測技術

物位檢測物位的定義：統(tǒng)指設備和容器中液體或固體物料的表面位置。對應不同性質的物料又有以下的定義。1、液位指設備和容器中液體介質表面的高低。2、料位指設備和容器中所儲存的塊狀、顆?；蚍勰罟腆w物料的堆積高度。3、界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液-液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置簡稱界位。物位是液位、料位、界位的總稱。對物位進行測量、指示和控制的儀表，稱物位檢測儀表。2023/2/23核工程檢測技術物位檢測儀表的分類：由于被測對象種類繁多，檢測的條件和環(huán)境也有很大差別，所以物位檢測的方法有多種多樣，以滿足不同生產(chǎn)過程的測量要求。物位檢測儀表按測量方式可分為連續(xù)測量和定點測量兩大類。連續(xù)測量方式能持續(xù)測量物位的變化。定點測量方式則只檢測物位是否達到上限、下限或某個特定位置，定點測量儀表一般稱為物位開關。2023/2/24核工程檢測技術按工作原理分類，物位檢測儀表有直讀式、靜壓式、浮力式、機械式、電氣式等。1、直讀式物位檢測儀表采用側壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。方法可靠、準確，但是只能就地指示。主要用于液位檢測和壓力較低的場合。2、靜壓式物位檢測儀表基于流體靜力學原理，適用于液位檢測。容器內(nèi)的液面高度與液柱重量所形成的靜壓力成比例關系，當被測介質密度不變時，通過測量參考點的壓力可測知液位。這類儀表有壓力式、吹氣式和差壓式等型式。2023/2/25核工程檢測技術3、浮力式物位檢測儀表其工作原理基于阿基米德定律，適用于液位檢測。漂浮于液面上的浮子或浸沒在液體中的浮筒，在液面變動時其浮力會產(chǎn)生相應的變化，從而可以檢測液位。這類儀表有各種浮子式液位計、浮筒式液位計等。4、機械接觸式物位檢測儀表通過測量物位探頭與物料面接觸時的機械力實現(xiàn)物位的測量。這類儀表有重錘式、旋翼式和音叉式等。2023/2/26核工程檢測技術5、電氣式物位檢測儀表將電氣式物位敏感元件置于被測介質中，當物位變化時其電氣參數(shù)如電阻、電容等也將改變，通過檢測這些電量的變化可知物位。如電容式、電感式和電阻式液位計等。 6、其他物位檢測方法如聲學式、射線式、光纖式儀表等。2023/2/27核工程檢測技術

浮力式液位計：浮力式液位計有兩類：

恒浮力式：在測量過程中浮力維持不變的，如浮標、浮球等液位計.

變浮力式：根據(jù)浮筒在液體內(nèi)浸沒的程度不同、所受的浮力不同來測定液位的高低。2023/2/28核工程檢測技術恒浮力法測量液位的原理2023/2/29核工程檢測技術平衡時：浮標的重量-浮力=平衡物的重量。即:W-F=G當液位上升時：浮標浸沒部分增加，浮力增大，W-F<G,浮標上升，浮力下降，使W-F=G浮標的位置就反映了物位的高度。2023/2/210核工程檢測技術變浮力法測量物位的原理：設浮筒重為W，浮筒在某一位置時彈簧的伸長量為X,彈簧系數(shù)為C，A為浮筒的截面積，則：彈簧的伸長量通過變壓器的鐵心被轉化為電壓的變化量，采用差動連接可提高靈敏度。2023/2/211核工程檢測技術靜壓式液位計一、壓力式液位計液體在容器中具有一定高度，將對其底部或側面某點產(chǎn)生一定的壓力。液位越高，對某點的壓力就越大，所以只要測出某點的壓力．便可確定液位的高度。右上圖是用壓力表測量容器中液體液位的測量系統(tǒng)。這時壓力表的讀數(shù)應為式中：γ為液體的重度。由于壓力表安裝的位置固定，所以h是常數(shù)。2023/2/212核工程檢測技術一般認為在測量中液體的重度不變，所以儀表的刻度方程為對于與大氣相通的敞口容器可以把壓力表安裝在液位最低處，如右圖。為常數(shù)2023/2/213核工程檢測技術壓縮空氣經(jīng)過濾器、主氣濾清器和節(jié)流元件最后從導管下端敞口逸出。將壓縮空氣的壓力凋到P1后，經(jīng)節(jié)流元件降到P2，當壓縮空氣從導管下端以氣泡的形式流出時，導管內(nèi)的壓力幾乎與液封靜壓相等。因此，差壓變送器所指示的壓力值即可反映出液位高度。吹氣式液位計系統(tǒng)2023/2/214核工程檢測技術差壓式液位計

2023/2/215核工程檢測技術單法蘭式差壓液位計2023/2/216核工程檢測技術

雙法蘭式差壓液位計2023/2/217核工程檢測技術差壓式液位計的工作原理流體靜力學原理2023/2/218核工程檢測技術流體靜力學原理（阿基米德原理）

靜止狀態(tài)的流體內(nèi)物體所受浮力F浮有：F浮

=ρ液

gV排

由F=P表壓S表面積可推導出：

P壓力=ρ液

gH液高

（差壓式液位計的工作依據(jù)）2023/2/219核工程檢測技術差壓法測量原理PA為密封容器中A點靜壓（氣相壓力）；PB為B點靜壓；H為液體高度；ρ-液體密度g-重力加速度9.8m/s22023/2/220核工程檢測技術由P壓力=ρ液

gH液高公式可知：A、B兩點的差壓為：△P=PB-PA=（PA+ρ液

gH液高）-PA

即：△P=ρ液

gH液高若是敞口容器（PA為大氣壓力）則：

P=PB=ρ液

gH液高（P為B點表壓）

(一個標準大氣壓=101.325KPa

1MPa=10^6Pa

1KPa=10^3Pa)2023/2/221核工程檢測技術△P=ρ液

gH液高如果被測液體的密度ρ液是穩(wěn)定的，且g-重力加速度9.8m/s2則：密閉容器中A、B兩點的壓差△P與液位高度H成正比。在敞口容器中P（B點表壓）與液位高度H成正比。即只要測出P或者△P，就可以知道敞口容器或密封容器內(nèi)的液位高度！這便是差壓式液位儀表的工作原理！2023/2/222核工程檢測技術差壓變送器工作原理理論上測量差壓是分別測出A、B兩點壓力后在進行運算得出壓力差，但現(xiàn)實中因為設備本身所帶的靜壓力和精密程度，使得差壓信號的分辨難以實現(xiàn)。因此最理想的辦法是比較兩個壓力，差壓變送器就是根據(jù)這個需要設計制造出來的。2023/2/223核工程檢測技術如圖，當兩側壓力分別作用在兩側的隔離膜片上時，壓力通過硅油傳導到測量膜片兩側，當兩側壓力不等時，測量膜片便會向一側偏移，通過電子電路檢測出這個位移，就可以知道兩側的壓力差。進而換算出相應的液位高度！2023/2/224核工程檢測技術

差壓液位測量的三種方式2023/2/225核工程檢測技術一、雙法蘭式液位測量雙法蘭式液位測量用于密封容器液位檢測，主要常用于檢測量程比較大的高塔、罐的液位。2023/2/226核工程檢測技術2023/2/227核工程檢測技術2023/2/228核工程檢測技術2023/2/229核工程檢測技術二、單法蘭式液位測量單法蘭式液位測量應用于敞口容器的液位檢測。如儲水罐液位檢測，貧液罐液位檢測等。2023/2/230核工程檢測技術2023/2/231核工程檢測技術2023/2/232核工程檢測技術2023/2/233核工程檢測技術三、平衡式差壓液位測量平衡式差壓液位測量適合應用于介質組分、溫度、壓力存在較大變化的容器。例如，鍋爐汽包液位測量。鍋爐中水、汽的溫度、壓力、密度等變化波動大，液位檢測條件比較苛刻，使得液位計檢測誤差比較大。而雙室平衡容器的存在可以相對抵消這些條件變化的影響。故平衡式差壓水位計是一種常見的鍋爐汽包液位檢測儀表！2023/2/234核工程檢測技術2023/2/235核工程檢測技術平衡式差壓液位計2023/2/236核工程檢測技術2023/2/237核工程檢測技術

差壓式流量計的“遷移”2023/2/238核工程檢測技術變送器實際感受到的壓差差壓變送器在液位檢測時，有時感受到的并不僅僅是液位變化帶來的差壓（壓力），同時，還有正負引壓管內(nèi)液柱所帶來的壓力！2023/2/239核工程檢測技術正壓側受到壓力：P正=P+ρ液gH液高+ρ1gh1負壓側受到的壓力：P負=P+ρ2gh2則差壓：△P=ρ液gH液高+ρ1gh1-ρ2gh2顯然，要想得到正確的液位號，必須將ρ1gh1和ρ2gh2的影響除掉，這就要用到差壓變送器的遷移功能！2023/2/240核工程檢測技術設P1=ρ1gh1（正壓側液柱壓力）

P2=ρ2gh2（負壓側液柱壓力）變送器實際差壓△P=ρ液gH液高

+P1-P2若將差壓變成：△P=ρ液gH液高

-（P1-P2）則將不受ρ1gh1

和ρ2gh2的影響！2023/2/241核工程檢測技術通過變送器在不同遷移下輸入/輸出關系曲線可以知道，所謂遷移就是將變送器的輸入/輸出關系曲線在坐標上平移一段距離，就是將變送器的測量范圍進行的遷移！2023/2/242核工程檢測技術兩個易混淆的概念測量范圍：以測量的起始點到終結點表示測量的范圍。如：-50~+50kpa，0~100kpa量程：測量的終結點減去起始點的值。如：-50~+50kpa和0~100kpa的變送器，他們的量程都是100kpa2023/2/243核工程檢測技術以上可知，所謂遷移就是將變送器的輸入/輸出關系曲線在坐標上平移一段距離。因此可以將遷移理解成量程不變的情況下改變變送器的測量范圍。一般我們把這種量程范圍的調(diào)整，稱作“遷移”。2023/2/244核工程檢測技術以上已知：△P=ρ液gH液高

-（P1-P2）則將不受ρ1gh1

和ρ2gh2的影響！通過上面的分析，可以明顯看出：差壓法測量時的變送器遷移量等于正壓側引壓管液柱對變送器的壓力減去負壓側引壓管液柱對變送器的壓力！即遷移量為（P1-P2）2023/2/245核工程檢測技術設H=1mh1=0.7mh2=0.3mh3=0.4m正負壓管內(nèi)都為硅油。變送器位于下法蘭下側時：P1-P2=ρg（0.4-1-0.4）

=-ρg（負遷移）變送器位于兩法蘭之間時：P1-P2=ρg(-0.3-0.7)=-ρg(負遷移）變送器與下法蘭水平時：P1-P2=ρg（0-1）

=-ρg（負遷移）可知雙法蘭式液位計兩法蘭片不在同一水平位置時，只能進行負遷移！2023/2/246核工程檢測技術設單法蘭式液位計量程H=1m,單法蘭內(nèi)為硅油，變送器位于法蘭下時h=0.3m當變送器位于法蘭以下時：

P1-P2=ρg（0.3-0）=0.3ρg（正遷移）而當變送器和法蘭處于同水平面時：

P1-P2=ρg（0-0）=0（不用遷移）2023/2/247核工程檢測技術例1：變送器與下取壓口等高，上下取壓口間距2200mm，負壓管內(nèi)灌充乙二醇（密度為1113kg/m3)求遷移量。答：變送器與下取壓口等高，故h1=0P1=ρ1gh1=0則遷移量=P1-P2=0-ρ2gh2=0-(2200*9.8*1.113)=-24.5KPa即負遷移24.5kpa假設此變送器原測量范圍是0~100kpa，則負遷移后應為-24.4~75.6kpa2023/2/248核工程檢測技術例2：被測介質為丙酮（密度791kg/m3)變送器低于下取壓口200mm；負壓側為干管（空管），求遷移量。答：遷移量=P1-P2=(200*9.8*0.791)-0=1550.36pa

即為正遷移1.55kpa2023/2/249核工程檢測技術電容式液位計

在平行板電容器之間充以不同介質時，電容量的大小就有所不同，因此可以通過測量電容量的變化來測量液位、料位或兩種不同液體的分界面。工作原理2023/2/250核工程檢測技術兩個同軸圓筒極板組成的電容器，在兩圓筒之間充以介電常數(shù)為ε的介質時，則兩圓筒間的電容量為式中：D、d——外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑(m)；ε——極板間介質介電常數(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，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計的檢測原理。2023/2/251核工程檢測技術安裝形式1-內(nèi)電極；2-絕緣套右圖是為用來測量導電介質的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導電液體和容器壁構成電容器的外電極。

2023/2/252核工程檢測技術右圖為用于測量非導電介質的同軸雙層電極電容式液位計。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。圖中：1、2-內(nèi)、外電極；3-絕緣套；4-流通孔。2023/2/253核工程檢測技術超聲波液位計一、超聲波液位測量的優(yōu)點和原理頻率在20000Hz以上的聲波叫作超聲波。優(yōu)點：可以定點和連續(xù)測量，方便提供遙測或遙控所需要的信號；有較大的適應性，安裝維護較方便，價格便宜，并且不受光線、粘度的影響

超聲液位測量儀的原理是利用超聲波在氣體、液體、固體中的吸收衰減的不同來探測探頭前有無液體、固體物料存在，從而可發(fā)出液位報警信號。2023/2/254核工程檢測技術

圖(a)所表示的是超聲波發(fā)射技能器1與接收換能器2分別安裝在容器3的相對面上，當液位升降時就會阻斷或導通聲波，從而發(fā)出信號。圖(b)所表示的測量系統(tǒng)是超聲波發(fā)射和接收部分安裝在同一個探頭4里的裝置。2023/2/255核工程檢測技術二、超聲波脈沖回波式液位測量工作原理：

從發(fā)射探頭發(fā)出的超聲脈沖在媒質中傳到液面，經(jīng)反射后再通過該媒質返回到接收探頭，根據(jù)測出的超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間以及媒質中的聲速，即可求得從探頭到液面之間的距離，從而確定出液位。按傳聲介質不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。2023/2/256核工程檢測技術(a)氣介式(b)液介式(c)固介式單探頭超聲波液位計2023/2/257核工程檢測技術液面探頭超聲波傳播距離為L，在液體中的傳播速度為v，傳播時間為Δt

，則：L是與液位有關的量，故測出L便可知液位，

L的測量一般是用接收到的信號觸發(fā)門電路對振蕩器的脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)。2023/2/258核工程檢測技術單探頭液位計使用一個換能器，