如何测量液位?

驱动过程工程师需要更可靠、更精确的液位测量系统，因为需要复杂的自动化处理系统、越来越严格的监管环境以及越来越严格的过程控制。

更高的液位测量精度降低化学过程的可变性，从而降低成本，减少浪费，提高产品质量。法规，特别是有关电子记录的法规，规定了对电子报告、准确性和可靠性的严格要求。更现代的水平测量技术有助于满足这些要求。

转型期的液位测量技术

观察镜是最古老、最简单的工业液位测量装置。目镜总是有限制的，因为它们是手动测量的解决方案。用于透明的材料可能会发生灾难性故障，给用户带来危险条件、火灾和爆炸以及对环境的危害。

密封件经常泄漏，如果有堆积，就会掩盖可见的水平。传统的眼镜是所有安装中最薄弱的环节。因此，它们正迅速被现代技术所取代。

其他一些水平探测设备是基于比重的，这是最常用于探测水平表面的物理属性。一个简单的浮子，其比重介于顶空蒸汽和工艺流体之间，浮在表面，精确地跟随其起伏。水压头测量也被广泛用于理解水平面。

最古老和最简单的工业信号通信是4-20 mA电流回路(回路电流偏离电平测量)，是最近最广泛使用的输出机制。

电流回路可以更进一步传输信号，并且性能降低。在许多协议中编码的数字信号（例如哈特、霍尼韦尔DE、基金会现场总线、RS-232和PROFIBUS）是最健壮的，但是较老的技术，如RS-232只能处理短距离。最新的发射机信号可以建立新的无线能力，这使得它们可以在几乎没有任何退化的情况下远距离发送。

当涉及到更复杂的物理原理时，新兴技术通常使用计算机来执行计算。这需要以机器可读的格式将数据从传感器发送到控制或监控系统。

计算机自动化中有用的传感器输出信号格式是数字信号、电流回路和模拟电压。模拟电压易于设置和处理，但可能存在严重的干扰和噪声问题。

对于更先进的测量技术(如激光、超声波和雷达)，需要数字计算机智能来格式化更复杂的数字编码格式的代码。

将这一要求与数字校准方案和先进通信能力的需要相结合，说明了在几乎所有液位测量产品中嵌入基于微处理器的计算机的趋势（见图1）。

建立了液位传感技术

在本文中，我们假设顶空(通常是空气)中的蒸汽密度与工艺流体的密度相比可以忽略不计。我们还假设容器中只含有一种均匀的工艺流体。其中一些技术可用于多层应用，即多个非混相流体共用一个容器。

1.浮点数．浮子的工作原理很简单:将一个浮力介于工艺流体和顶空蒸汽之间的浮力物体定位到容器中，然后连接一个机械设备来记录它的位置。

浮子位于工艺流体的顶部，并下沉到顶空蒸汽的底部。浮子本身是定位液体表面问题的基本解决方案，但计算浮子的位置(即进行实际的液位测量)仍然很困难。配备磁铁的浮子现在很流行。

早期的浮子系统使用齿轮、电缆、胶带和滑轮等机械部件来显示水平。早期浮球液位变送器利用多个簧片开关和电阻网络进行模拟离散或模拟液位测量，导致变送器的输出在离散步骤中变化。不像连续式液位测量装置，它们不能区分台阶之间的电平值。

2.玻璃液位计。玻璃液位计作为一种简单的液位测量方法已经使用了200多年。有多种设计，包括无防护和装甲。不利的一面是玻璃破裂的风险，导致溢出或人员伤害。这种设计的优点是能够通过透明玻璃观察真实液位。

静液压装置

3.差压变送器，4。喷水式饮水口和5。置换剂均为流体静力测量装置。温度的任何变化都会导致液体比重的变化，压力的变化也会影响液体上蒸汽的比重。这两种方法都导致测量精度降低。

差压(DP)液位传感器如图2所示。基本的测量是容器内的静压或水头压力与容器底部总压力(流体的静压水头压力加上容器内静压)之间的差值。

图2中的单位使用大气压力作为参考。顶部的通风孔使顶空压力与大气压力相等。静水压差等于容器内流体高度乘以工艺流体密度。

DP传感器可用于无排气(加压)容器。所有所需要的是将参考端口(低压侧)连接到容器中高于最大填充水平的端口。可能仍然需要液体清洗或起泡器，这取决于变送器相对于工艺连接和/或工艺物理条件的位置。

图3显示了气泡式液位传感器。该技术用于在大气压力下运行的容器。

浸入管的开口端靠近容器的开口端，它携带一种吹气气体(通常是空气，但当与工艺流体或污染发生氧化反应的风险时，可以使用惰性气体，如干燥的氮气)进入罐内。

当气体向下流入dip的管出口时，管中的压力上升，直到克服出口处液位产生的静水压力。压力等于工艺流体密度乘以其从汲取管末端到表面的深度，并由连接到管道的压力传感器监测。

如图4所示，固体物质柱(置换器)悬浮在容器中。流离失所者按照阿基米德原理工作。驱替剂必须从所需的最低液位延伸到至少要测量的最高液位，而且驱替剂密度总是大于工艺流体的密度(它会在工艺流体中下沉)。

随着过程液位的升高，柱置换流体的体积等于柱的横截面积乘以置换液中的过程液位。一个浮力等于这个被排开的体积乘以过程流体密度，它向上推动排开的物体，减少了支撑它抵抗重力的力。传感器与发射器相连，观察并将力的变化与水平联系起来。

6.磁性指标水平。这些装置与浮子装置类似，但它们通过磁性传递液体表面的位置。它们（见图5）是目镜的首选替代品。

浮子携带一组强永磁体，在通过两个工艺连接件连接至容器的辅助柱（浮子室）中运行。该立柱横向限制浮子，使其始终靠近腔室的侧壁。

磁化梭或条形图指示随着浮子在液位上下移动，显示浮子的位置，从而提供液位指示。腔室壁和辅助柱由非磁性材料制成，以便系统工作。

许多制造商生产的浮子设计都是针对被测流体的比重进行优化的，无论是酸、水、丙烷、油、丁烷，还是两种流体之间的界面，都是由可选的浮子材料制成的。亚博网站下载

这意味着压力表可以处理腐蚀性液体、高温和高压。高浮力浮子和超大浮子室，可用于预计会堆积的应用场合。

法兰、工艺连接和腔体，可由哈氏C-276等稀有合金或Kynar等工程塑料制成。特殊的腔室配置可以处理极端条件，如:

• 液氮和制冷剂的温度设计
• 蒸汽护套用于液体沥青
• 用于闪光应用的超大腔室

许多合金和金属，如蒙乃尔、钛和铬铁合金，可用于不同的腐蚀性流体应用组合，高温、低比重和高压。

现代磁性液位计也可以配备导波和磁致伸缩雷达发射器，使仪表的本地指示可以转换成数字通信和4-20 mA输出，可以发送到控制系统或控制器。

7.电容发射器。这些设备(见图6)的工作原理是，工艺流体的介电常数ᶓ与空气的介电常数明显不同，空气的介电常数非常接近1.0。油的介电常数从1.8到5。纯乙二醇为37;水溶液的浓度在50到80之间。

这种技术需要电容随液位变化，由连接在发射器上的非绝缘棒或连接在发射器和工艺流体上的绝缘棒，以及参考探头或容器壁产生。

总电容随着液位的升高而成比例地增加，并填充更多的极板之间的空间。称为电容电桥的电子电路测量总电容，并提供连续电平测量。

8.负载细胞。称重传感器或应变计装置基本上是一个支架或机械支架，配备一个或多个传感器，用于识别支撑构件中的微小变化。当称重传感器上的力发生变化时，支架略微弯曲，导致输出信号发生变化。校准称重传感器的受力能力从分数盎司到吨不等。

为了测量水平，测压元件必须安装在容器的支撑结构中。当工艺流体充满容器时，施加在测压元件上的力增加。当您知道流体的比重和容器的几何形状(特别是它的横截面面积)时，将已知输出的测压元件转换为液位是很简单的。

由于其非接触特性，测压元件在许多应用中具有优势，但它们价格昂贵，而且容器支撑结构和连接管道的设计必须适合测压元件对浮动底座的要求。

除所需净重或产品重量外，容器、管道、连接结构和容器支撑的总重量将由负载系统进行称重。总重量通常会使净重下降得很低，这意味着净重只占总重量的很小百分比。

最后，由不均匀加热（例如，早晨到傍晚的阳光）引起的支撑结构的增长可以显示为水平，风荷载、侧荷载、刚性管道和防倾覆硬件（用于底部安装的称重传感器）的约束也可以显示为水平。因此，在整个管道设计和初始容器支撑过程中，称重传感器称重系统的要求必须是首要考虑因素，否则性能会损失。

现代技术

早期的连续液位测量技术与现在越来越受欢迎的技术之间最大的不同可能是使用飞行时间(TOF)测量，将液位传感器转换为常规输出。

这些设备通常通过测量容器顶部附近的传感器或发射器上的参考点与液位之间的距离来工作。该系统通常在参考点产生一个脉冲波，它通过导体或蒸汽空间，在液体表面反射，并返回到参考点的拾音器。电子计时电路计算总行程时间。

到流体表面的距离是用传播时间除以两倍波的速度得到的。这些技术的区别主要在于用于测量的脉冲的种类。光、超声波和微波(雷达)都很有用。

9磁致伸缩液位变送器。使用包含浮子的磁铁来确定液位的优势已经确立，磁致伸缩是一种经过验证的技术，可以非常精确地读取浮子的位置。磁致伸缩变送器使用沿着导线的扭转波速度，而不是机械连接，来找到浮子并报告其位置。

浮子在磁致伸缩系统中携带一系列永磁体（见图7）。张力夹具连接到传感器管的另一端，传感器导线连接到变送器处的压电陶瓷传感器。管子要么靠近非磁性浮子室外部的浮子，要么穿过浮子中心的孔。

为了找到浮子，发射机向传感器导线发出短电流脉冲，在导线的整个长度上建立一个磁场。同时触发一个定时电路ON。磁场立即与浮子中磁铁产生的磁场相互作用。

总的效果是，在电流流动的整个过程中，导线中会产生扭转力，就像超声波振动或波一样。该力以特征速度传回压电陶瓷传感器。

传感器产生电信号，通知计时电路波已经到达，当检测到张力波时停止计时电路。

定时电路测量波到达和电流脉冲开始之间的时间间隔(TOF)。从这个信息，浮球的位置是非常精确的确定，并显示为一个水平信号由发射机。

该技术的优点是信号不受泡沫、波束发散或虚假回波的影响，信号速度已知，且随压力和温度等过程变量而恒定。唯一可移动的部分是浮子，它随流体表面上下移动，这是另一个好处。

10.超声波发射器。超声波液位传感器(见图8)测量换能器与表面之间的距离，利用超声波脉冲从换能器到流体表面并返回所需的时间(TOF)。

这些传感器利用的频率在数万赫兹范围内;传输时间约为6ms /m。声速(15摄氏度时在空气中为340米/秒，60华氏度时为1115帧/秒)取决于空气中气体的混合和它们的温度。虽然传感器的温度是补偿的(如果传感器与顶空空气的温度相同)，但该技术仅限于测量空气或氮气中的大气压力。

11激光液位变送器。这种激光器专为泥浆、大块固体和不透明液体(如液体苯乙烯、污水坑和牛奶)设计，其运行原理与超声波液位传感器类似。然而，他们使用的不是声速来检测水平，而是光速(见图9)。

容器顶部的激光发射器向工艺液体表面发射短脉冲光，将其反射回探测器。定时电路计算经过的时间（TOF）并测量距离。关键是激光器没有虚假回波，几乎没有光束扩散（0.2度光束发散）。它们是精确的，即使在蒸汽和泡沫中，也能被引导通过小到2英寸2的空间。

激光非常适合用于有障碍物的容器中，可以测量距离达1500英尺。对于高压或高温应用，如在反应堆容器中，激光必须与专门的视窗一起使用，以将发射器与过程隔离。这些玻璃窗以最小的扩散和衰减通过激光束。

12雷达液位变送器。通过空中雷达系统从船只顶部的喇叭或杆状天线向下发射微波。信号从流体表面反射回天线，定时电路通过测量往返时间(TOP)计算到液位的距离。

在雷达技术中，液体的介电接触是关键变量，因为在微波(雷达)频率下反射能量的多少取决于流体的介电常数，如果Er值低，雷达的大部分能量进入或通过。水(Er=80)在Er的变化或不连续处产生极好的反射。

导波雷达(GWR)发射机(见图10)也非常可靠和准确。一个刚性探头或柔性电缆天线系统引导微波从罐顶下降到液位，并返回到发射机。与空中雷达一样，Er从低到高的变化会引起反射。

导航仪产生了更集中的能量路径，这意味着导航波雷达的效率比空中雷达高20倍。不同的天线配置允许测量到ER=1.4或更低。

这些系统可以垂直安装，在某些情况下也可以水平安装，导轨可以弯曲成90度角，并且仍然提供简洁的测量信号。

雷达的波速在很大程度上不受蒸汽空间气体成分、温度或压力的影响。GWR展示了超声波、激光和露天雷达系统的大部分优势和很少的责任。

它在真空中工作，无需重新校准，可以测量大多数泡沫层。将波限制在探头或电缆之后，可消除波束扩散问题以及来自罐壁和结构的虚假回波。

总结

不同测量技术的总体趋势反映了市场驱动因素。精致的数字电子产品正在制造液位传感器和其他测量设备更人性化，更容易设置，更便宜，更可靠。改进的通信接口将液位测量数据输入公司现有的控制和/或信息系统。

今天的液位传感器采用了越来越多的材料和合金，以应对恶劣环境，如油、酸和极端温度和压力。现代材料也有助于工艺仪表满足特殊亚博网站下载要求，如用于腐蚀应用的PTFE夹套材料组件和用于清洁要求的电抛光316不锈钢组件。这些新材料制成的探头允许接触式变送器在几乎任何应用中使用。

图1:液位测量定义了液位相对于工艺流体储存容器顶部或底部的位置。根据流体的特性及其工艺条件，可以使用多种技术。

图2:差压传感器通过测量罐底流体与容器压力之间的总压差来监测工艺液面。

图3:起泡器通过测量存储容器底部附近的流体静压来感知处理流体的深度。

图4:位移液位计根据阿基米德原理工作。支撑材料柱（置换器）所需的力随置换工艺流体的重量而减小。力传感器测量支撑力并将其作为模拟信号报告。

图5:磁性液位计使用磁耦合换向来确定浮子在腔室中的位置。

图6:电容式电平传感器测量两个极板之间因电平变化而产生的电容变化。有两种版本可供选择，一种适用于高介电常数(A)的流体，另一种适用于低介电常数(B)的流体。

图7:磁致伸缩液位变送器利用导线中扭转波的速度进行液位测量

图8:超声波液位变送器使用声速计算液位

图9:激光发射器使用短脉冲激光能量测量液位。

图10:导波雷达使用一个波导来传导来自流体表面的微波能量。

这些信息已经从ABB测量与分析公司提供的材料中获得、审查和修改。亚博网站下载

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