第四章 液位測(cè)量1

第一節(jié)概述第四章

液位測(cè)量一、液位測(cè)量的概念

液位：液體和氣體介質(zhì)的分界面叫液位界位：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面叫界位物位：固體顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位（物位）液位、界位測(cè)量的重要性：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，液位、界位的測(cè)量與控制，對(duì)于計(jì)量油水罐介質(zhì)容量、維持容器物料的平衡、保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全至關(guān)重要。液位、界位測(cè)量?jī)x表分類：1.直讀式液位計(jì):主要有玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)等2.浮力式液位計(jì):標(biāo)式、浮球式;浮筒式液位計(jì)3.靜壓式液位計(jì):差壓變送器4.電氣式物位計(jì):電容式物位計(jì)5.輻射式物位計(jì):6.反射式物位計(jì):超聲波式物位計(jì)、雷達(dá)式物位計(jì)第一節(jié)概述二、大罐人工檢尺液位測(cè)量具體測(cè)量方法：操作簡(jiǎn)單、計(jì)量準(zhǔn)確、無需輔助設(shè)備是目前各油田原油集輸過程中的一種主要計(jì)量方法?；驹恚合葘?duì)罐內(nèi)液位高度進(jìn)行測(cè)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。檢尺的組成：鋼卷尺+銅質(zhì)重錘1.測(cè)量液面高度：H0H△hh′h0第一節(jié)概述二、大罐人工檢尺液位測(cè)量2.測(cè)量液體體積及質(zhì)量罐內(nèi)液體體積：根據(jù)液位高度，可以查大罐標(biāo)定容積表來查出罐內(nèi)液體體積，或是根據(jù)罐的直徑或橫截面積計(jì)算出液體體積值Vt。標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算：實(shí)際溫度下的原油體積Vt換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的體積值v20：含油量（質(zhì)量）計(jì)算：將實(shí)際體積值扣除所含的水，得到純油量，并用質(zhì)量值來表示第一節(jié)概述三、玻璃式液位計(jì)由帶有刻度的玻璃管和玻璃板通過閥門與設(shè)備連接而成的。玻璃式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，一般用在溫度和壓力都不太高、需要就地指示液位的場(chǎng)合；玻璃式液位計(jì)有易碎及不能遠(yuǎn)傳和自動(dòng)記錄等缺點(diǎn)第二節(jié)浮力式液位計(jì)一、恒浮力式液位計(jì)浮力式液位計(jì)是應(yīng)用最早的液位測(cè)量?jī)x表。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，維護(hù)也比較方便，至今仍然為工業(yè)生產(chǎn)所廣泛應(yīng)用。其工作原理如圖所示（外浮球式）分類：恒浮力式：浮力維持不變，浮標(biāo)永遠(yuǎn)漂浮在液面上，浮標(biāo)的位置隨著液面高低而變化變浮力式：浮筒浸沒在液體里，浮筒所受的浮力隨被浸沒的高度——液位而變1.浮球式液住計(jì)

特點(diǎn)：可用于壓力、溫度高，高粘介質(zhì)，單只適用于小量程（300～500mm)。

結(jié)構(gòu)：浮球、連桿、密封輸出軸、平衡錘。形式有內(nèi)浮球式、外浮球式兩種。

原理：力矩平衡原理（略）第二節(jié)浮力式液位計(jì)一、恒浮力式液位計(jì)1.浮球式液住計(jì)開關(guān)應(yīng)用：如果只用于液位的定點(diǎn)報(bào)警與控制，可以不用密封輸出軸。只是在與浮球相連的杠桿的末端，加一個(gè)磁鋼，通過磁耦合的方式，帶動(dòng)容器外的外磁鋼，驅(qū)動(dòng)電接點(diǎn)閉合或斷開，就構(gòu)成了浮球式液位發(fā)訊器。油田及煉廠常利用浮球式液位發(fā)訊器對(duì)油水罐及其他設(shè)備進(jìn)行液位的上、下限報(bào)警。2.磁翻轉(zhuǎn)式液位計(jì)用來測(cè)量有壓容器或敞口容器內(nèi)的液位，不僅可以就地指示，還可以附加液位越限報(bào)警及信號(hào)遠(yuǎn)傳功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的液位報(bào)警和監(jiān)控。第二節(jié)浮力式液位計(jì)一、恒浮力式液位計(jì)2.磁翻轉(zhuǎn)式液位計(jì)

結(jié)構(gòu)：連通管、磁性浮子、磁性翻板（球）。

原理：磁性浮子隨液位升降時(shí)，吸引磁翻板翻轉(zhuǎn)。液位上升時(shí)，“紅面”向外翻，液位下降時(shí)，“白面”向外翻，紅（代表液體）—白（代表氣體）分界處表示液位。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、顯示直觀、精度較低，克測(cè)高溫高壓液體。二、變浮力式液位計(jì)

檢測(cè)元件——圓柱沉筒截面積不變，其上浮力變化與浸沒深度成正比。1.測(cè)量原理當(dāng)浮筒被液體浸沒的高度不同時(shí)，浮筒上的浮力也不同，因此通過檢測(cè)浮筒所受的浮力，便可以確定液位。第二節(jié)浮力式液位計(jì)二、變浮力式液位計(jì)當(dāng)H＝0時(shí)，沉筒重量G被彈簧反力平衡：CX＝G當(dāng)H↑→浮力F↑→向下合力↓→彈簧使沉筒↑浮筒在其平衡時(shí)存在如下關(guān)系：結(jié)論：彈簧位移量△x與液位變化H成比例關(guān)系。如果在浮筒的連桿上安裝一鐵芯，通過差動(dòng)變壓器便可以輸出相應(yīng)的電信號(hào)，指示出液位的數(shù)值。第二節(jié)浮力式液位計(jì)二、變浮力式液位計(jì)2.扭力管式變送器組成：由測(cè)量部分、轉(zhuǎn)換部分兩部分組成1）測(cè)量部分：浮筒1上的力，通過杠桿2被扭力管3的彈性力所平衡。當(dāng)液位低于浮筒下端時(shí)，浮筒的全部重力w作用在杠桿上。此時(shí)作用在扭力管上的扭力最大，扭力管產(chǎn)生的扭角最大（一般約為7℃）。當(dāng)液位上升為H時(shí)，浮筒的浮力抵消掉一部分重力，作用在扭力管上的扭力矩減小，扭力管的彈力使浮筒上升，則扭力管扭轉(zhuǎn)角減小。與扭力管3底端固定的芯軸4順時(shí)針偏轉(zhuǎn)相同的角度。芯軸輸出角位移量，通過機(jī)械傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針，便可以就地指示出液位數(shù)值，并通過轉(zhuǎn)換元件將此角位移轉(zhuǎn)換為電動(dòng)信號(hào)輸出，以適應(yīng)遠(yuǎn)傳和控制的需要。電動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將扭力管輸出的角位移轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出。電路框圖如圖所示，主要由振蕩器、渦流差動(dòng)變壓器、解調(diào)器、直流放大器組成。第二節(jié)浮力式液位計(jì)2.扭力管式變送器2）轉(zhuǎn)換部分：將扭力管芯軸角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。多諧振蕩器產(chǎn)生6kHz正弦電壓，作為渦流差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓。當(dāng)芯軸帶動(dòng)差動(dòng)變壓器動(dòng)臂移動(dòng)時(shí)，輸出線圈上的感應(yīng)電壓△u與△θ成正比。解調(diào)器將差動(dòng)變壓器的輸出信號(hào)△u變?yōu)橹绷麟妷篤，送入差分放大器U放大，其輸出電壓經(jīng)功率放大器放大轉(zhuǎn)換為4～20mA電流I0輸出，I0經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回到差分放大器的反相輸入端，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。輸出信號(hào)4-20mA與H、ρ有關(guān)，介質(zhì)密度發(fā)生變化時(shí)，必須進(jìn)行修正。第三節(jié)靜壓式液位計(jì)一、測(cè)量原理利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的。罐底靜壓Pb與氣相壓力Pa間壓差ΔP與液位H成正比：

ΔP＝Pb-Pa=Hρg對(duì)敞口容器，Pa=大氣壓，表壓力：Pb=Hρg。對(duì)密閉容器，Pa=氣相壓力。

基本原理第三節(jié)靜壓式液位計(jì)一、測(cè)量原理

測(cè)量方法：一般用差壓計(jì)、差壓變送器測(cè)量。正壓室接罐底液相壓力，負(fù)壓室接氣相壓力或接大氣。測(cè)量具有腐蝕、易凝液體時(shí)，可以用隔離罐隔離、或用法蘭式差壓變送器。第三節(jié)靜壓式液位計(jì)二、零點(diǎn)遷移問題理論工作情況：用差壓變送器測(cè)量液位高度，是一種最基本的狀況。當(dāng)H＝O時(shí)，作用在正、負(fù)壓室的壓力是相等的，稱為“無遷移”。假定我們采用的是電動(dòng)差壓變送器，其輸出信號(hào)為4～20mA。H＝0時(shí)，Δp＝0，這時(shí)變送器輸出為4mA，H＝Hmax時(shí)變送器的輸出為20mA。實(shí)際工作情況：為了防止容器內(nèi)液體和氣體進(jìn)人變送器而造成管線堵塞或腐蝕，在變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝有隔離罐，并充以隔離液。若被測(cè)介質(zhì)的密度為p1，隔離液密度為p2，這時(shí)，正、負(fù)壓室的壓力分別為：正、負(fù)壓室之間的壓力差為:＋－第三節(jié)靜壓式液位計(jì)二、零點(diǎn)遷移問題對(duì)比無遷移情況，相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定數(shù)值為（h2—h1）p2g。為了使儀表能正常反映出液位的數(shù)值，必須設(shè)法抵消掉這一固定差壓的作用，使得當(dāng)H＝0時(shí)變送器的輸出仍然為4mA，而當(dāng)H＝Hmax時(shí)，變送器的輸出為20mA。采用的方法一般是在儀表上加一遷移裝置，利用變送器內(nèi)部的反饋調(diào)整作用，抵消掉固定差壓（h2—h1）p2g的作用，我們稱這種方法為“零點(diǎn)遷移”。由于H＝0時(shí)，△p＜O，這種情況叫負(fù)遷移。假定固定差壓為（h2—h1）p2g＝2000Pa，滿量程時(shí)，差壓由0變化到5000Pa。遷移原理如圖4－12中曲線b所示。第三節(jié)靜壓式液位計(jì)三、靜壓式液位計(jì)的應(yīng)用1.法蘭式差壓變送器測(cè)液位測(cè)量具有腐蝕性、易結(jié)晶以及粘度大、易凝固等介質(zhì)的液位時(shí)，引壓管線易被腐蝕或被堵，為了解決這個(gè)問題，可以采用法蘭式差壓變送器在膜盒、毛細(xì)管和測(cè)量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，起到隔離被測(cè)介質(zhì)的作用測(cè)量密閉容器的液位時(shí)，同樣存在“遷移”問題。圖4－14中遷移量為：第三節(jié)靜壓式液位計(jì)三、靜壓式液位計(jì)的應(yīng)用2.投入式液位變送器（教材P71圖4-15）

擴(kuò)散硅式傳感器位于導(dǎo)氣電纜的底端，被安置到罐底，將承受的液相壓力、氣相壓力通過中空的導(dǎo)氣電纜，傳遞到傳感器上。代表液位的壓力差由變送器轉(zhuǎn)換成4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。投入式液位變送器具有便利安裝和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于水、油、酸、堿、鹽及粘稠性液體。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表一、電容式物位計(jì)

電容液位傳感器：內(nèi)外兩個(gè)筒型電極組成同軸電容器，兩電極間充滿介電系數(shù)為ε的被測(cè)介質(zhì)時(shí)，傳感器電容為：

1、測(cè)量原理

電容式物位計(jì)由電容液位傳感器和測(cè)量電路組成。被測(cè)介質(zhì)的物位通過電容傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量，利用測(cè)量電路測(cè)得電容的變化量，即可間接求得被測(cè)介質(zhì)物位的變化

當(dāng)R、r和ε一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長(zhǎng)度L成正比例關(guān)系。這樣，將電容傳感器浸入被測(cè)介質(zhì)中，電極浸人物料的深度隨物位高低變化，必然引起電容量的變化，從而可以測(cè)得物位。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表一、電容式物位計(jì)用被測(cè)介質(zhì)作中間絕緣體。電容器上部氣體、下部液體的介電常數(shù)分別為ε0、εx，當(dāng)電容器內(nèi)液位高度為H時(shí)，電容器的總電容量為上下兩部分電容之和：

2.非導(dǎo)電介質(zhì)液住的測(cè)量當(dāng)液位變化時(shí)，引起的電容增量應(yīng)為：可見，只要εo、εx、R和r不改變，系數(shù)kc在一定條件下為常數(shù)，電容增量△C與被測(cè)液位H成正比，因此，測(cè)出電容增量的變化便可知道液位的高度。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表一、電容式物位計(jì)

內(nèi)電極要用絕緣套作為中間介質(zhì)，導(dǎo)電液體與金屬容器壁一起作為外電極。若中間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，電極被導(dǎo)電液體浸沒的高度為H，則該電容器的電容量與液位的關(guān)系可近似表示為：

3.導(dǎo)電介質(zhì)液住的測(cè)量說明：通?！鰿的數(shù)值很?。s為pF即10＿12F的數(shù)量級(jí)），難以準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量。因此，在測(cè)量電路中應(yīng)采取相應(yīng)的措施；此外，還應(yīng)注意，當(dāng)介質(zhì)的濃度和溫度發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)也要發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修正。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表二、超聲波式液位計(jì)

超聲波式液位計(jì)是利用超聲波在液面上反射和透射傳播特性測(cè)量液位的。因此，它有兩類液位測(cè)量方法，即透射式和反射式。1.基本原理1)透射式測(cè)量方式:一般是利用有液位或無液位時(shí)聲阻抗的顯著差別作為超聲液位開關(guān)，產(chǎn)生開關(guān)量信號(hào)，作為液位高、低限報(bào)警信號(hào)或聯(lián)鎖信號(hào)使用。2)反射式測(cè)量方式:測(cè)量人射波和反射波的時(shí)間差，從而計(jì)算出液位高度。探頭到液位的高度h可用下式來表示：對(duì)于一定的介質(zhì)，vc是已知的，因此，只要測(cè)得時(shí)間t，即可確定被測(cè)液位高度h。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表二、超聲波式液位計(jì)根據(jù)超聲波傳播的介質(zhì)不同有氣介式和液介式兩類。2.反射式超聲波液位計(jì)安裝:探頭在液面以上的氣體介質(zhì)中，是一種非接觸的測(cè)量方法。應(yīng)用場(chǎng)合：適用于腐蝕性介質(zhì)、高粘度及含有顆粒雜質(zhì)的液位測(cè)量。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表三、雷達(dá)式液位計(jì)說明：1）因聲速受溫度壓力的影響較大，測(cè)量結(jié)果需要采取相應(yīng)的修正補(bǔ)償措施，以避免聲速變化所引起的誤差。2）氣介式液位計(jì)也可用于料位測(cè)量，但顆粒尺寸和堆積坡度應(yīng)盡量小，否則表面不平整，使得聲速散射嚴(yán)重，不能有效接收回波。1.工作原理工作原理類似于超聲波式的測(cè)量方法，以光速c傳播的超高頻電磁波（微波），經(jīng)天線向被探測(cè)容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波碰到液面后反射回來，雷達(dá)液位計(jì)是通過測(cè)量發(fā)射波到反射波之間的延時(shí)△t來確定天線與反射面之間的高度（空高h(yuǎn)）。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表三、雷達(dá)式液位計(jì)2.雷達(dá)液位計(jì)的組成探測(cè)器安裝在設(shè)備頂部，由電子部件、波導(dǎo)連接器、安裝法蘭及喇叭口型天線組成。電子部件包括振蕩器、調(diào)頻器、混頻電路、差頻放大器、A／D轉(zhuǎn)換器等。顯示器為盤裝型，由計(jì)算單元、顯示單元及電源部分組成。

探測(cè)器與顯示器之間用一根多芯屏蔽專用電纜連接，其作用是向探測(cè)器提供24vDC電源，并將A／D轉(zhuǎn)換信號(hào)送至顯示器由于回波延時(shí)Δt極其微小，直接測(cè)量Δt非常困難。FCM雷達(dá)波：發(fā)射線性調(diào)頻（頻率與時(shí)間成線性關(guān)系）鋸齒狀信號(hào)，延遲Δt反射回天線。發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在同一時(shí)刻上的頻率差△f正比于△t。差頻信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可獲得空高、液位高度值。第四節(jié)其它物位測(cè)量?jī)x表三、雷達(dá)式液位計(jì)3.特點(diǎn)及應(yīng)用

振蕩器經(jīng)線性電壓調(diào)制成線性調(diào)頻等幅振蕩波，通過耦合器、天線向被測(cè)液面發(fā)射電磁波，液面反射波被天線接收。回波通過定向通路器送入混頻電路，與發(fā)射波產(chǎn)生差頻△f信號(hào)。通過