第四章 液位測量1

第一節(jié)概述第四章

液位測量一、液位測量的概念

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、界位測量的重要性：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(shè)備和罐器中分離、存儲與處理，液位、界位的測量與控制，對于計量油水罐介質(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、界位測量儀表分類：1.直讀式液位計:主要有玻璃管液位計、玻璃板液位計等2.浮力式液位計:標式、浮球式;浮筒式液位計3.靜壓式液位計:差壓變送器4.電氣式物位計:電容式物位計5.輻射式物位計:6.反射式物位計:超聲波式物位計、雷達式物位計第一節(jié)概述二、大罐人工檢尺液位測量具體測量方法：操作簡單、計量準確、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量方法。基本原理：先對罐內(nèi)液位高度進行測定，再根據(jù)罐的橫截面積或大罐容積表，計算罐內(nèi)液體體積和質(zhì)量。檢尺的組成：鋼卷尺+銅質(zhì)重錘1.測量液面高度：H0H△hh′h0第一節(jié)概述二、大罐人工檢尺液位測量2.測量液體體積及質(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算出液體體積值Vt。標準體積計算：實際溫度下的原油體積Vt換算成標準溫度20℃下的體積值v20：含油量（質(zhì)量）計算：將實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。玻璃式液位計結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，一般用在溫度和壓力都不太高、需要就地指示液位的場合；玻璃式液位計有易碎及不能遠傳和自動記錄等缺點第二節(jié)浮力式液位計一、恒浮力式液位計浮力式液位計是應用最早的液位測量儀表。它結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，維護也比較方便，至今仍然為工業(yè)生產(chǎn)所廣泛應用。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，浮標永遠漂浮在液面上，浮標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

特點：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)浮力式液位計一、恒浮力式液位計1.浮球式液住計開關(guān)應用：如果只用于液位的定點報警與控制，可以不用密封輸出軸。只是在與浮球相連的杠桿的末端，加一個磁鋼，通過磁耦合的方式，帶動容器外的外磁鋼，驅(qū)動電接點閉合或斷開，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)訊器對油水罐及其他設(shè)備進行液位的上、下限報警。2.磁翻轉(zhuǎn)式液位計用來測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警及信號遠傳功能，實現(xiàn)遠距離的液位報警和監(jiān)控。第二節(jié)浮力式液位計一、恒浮力式液位計2.磁翻轉(zhuǎn)式液位計

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，吸引磁翻板翻轉(zhuǎn)。液位上升時，“紅面”向外翻，液位下降時，“白面”向外翻，紅（代表液體）—白（代表氣體）分界處表示液位。

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

檢測元件——圓柱沉筒截面積不變，其上浮力變化與浸沒深度成正比。1.測量原理當浮筒被液體浸沒的高度不同時，浮筒上的浮力也不同，因此通過檢測浮筒所受的浮力，便可以確定液位。第二節(jié)浮力式液位計二、變浮力式液位計當H＝0時，沉筒重量G被彈簧反力平衡：CX＝G當H↑→浮力F↑→向下合力↓→彈簧使沉筒↑浮筒在其平衡時存在如下關(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，通過差動變壓器便可以輸出相應的電信號，指示出液位的數(shù)值。第二節(jié)浮力式液位計二、變浮力式液位計2.扭力管式變送器組成：由測量部分、轉(zhuǎn)換部分兩部分組成1）測量部分：浮筒1上的力，通過杠桿2被扭力管3的彈性力所平衡。當液位低于浮筒下端時，浮筒的全部重力w作用在杠桿上。此時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℃）。當液位上升為H時，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順時針偏轉(zhuǎn)相同的角度。芯軸輸出角位移量，通過機械傳動放大機構(gòu)帶動指針，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)換為電動信號輸出，以適應遠傳和控制的需要。電動轉(zhuǎn)換機構(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、渦流差動變壓器、解調(diào)器、直流放大器組成。第二節(jié)浮力式液位計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)換成電信號輸出。多諧振蕩器產(chǎn)生6kHz正弦電壓，作為渦流差動變壓器初級線圈的激勵電壓。當芯軸帶動差動變壓器動臂移動時，輸出線圈上的感應電壓△u與△θ成正比。解調(diào)器將差動變壓器的輸出信號△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)絡送回到差分放大器的反相輸入端，實現(xiàn)負反饋。輸出信號4-20mA與H、ρ有關(guān)，介質(zhì)密度發(fā)生變化時，必須進行修正。第三節(jié)靜壓式液位計一、測量原理利用容器內(nèi)的液位改變時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應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對敞口容器，Pa=大氣壓，表壓力：Pb=Hρg。對密閉容器，Pa=氣相壓力。

基本原理第三節(jié)靜壓式液位計一、測量原理

測量方法：一般用差壓計、差壓變送器測量。正壓室接罐底液相壓力，負壓室接氣相壓力或接大氣。測量具有腐蝕、易凝液體時，可以用隔離罐隔離、或用法蘭式差壓變送器。第三節(jié)靜壓式液位計二、零點遷移問題理論工作情況：用差壓變送器測量液位高度，是一種最基本的狀況。當H＝O時，作用在正、負壓室的壓力是相等的，稱為“無遷移”。假定我們采用的是電動差壓變送器，其輸出信號為4～20mA。H＝0時，Δp＝0，這時變送器輸出為4mA，H＝Hmax時變送器的輸出為20mA。實際工作情況：為了防止容器內(nèi)液體和氣體進人變送器而造成管線堵塞或腐蝕，在變送器正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離罐，并充以隔離液。若被測介質(zhì)的密度為p1，隔離液密度為p2，這時，正、負壓室的壓力分別為：正、負壓室之間的壓力差為:＋－第三節(jié)靜壓式液位計二、零點遷移問題對比無遷移情況，相當于在負壓室多了一項壓力，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H＝0時變送器的輸出仍然為4mA，而當H＝Hmax時，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“零點遷移”。由于H＝0時，△p＜O，這種情況叫負遷移。假定固定差壓為（h2—h1）p2g＝2000Pa，滿量程時，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)靜壓式液位計三、靜壓式液位計的應用1.法蘭式差壓變送器測液位測量具有腐蝕性、易結(jié)晶以及粘度大、易凝固等介質(zhì)的液位時，引壓管線易被腐蝕或被堵，為了解決這個問題，可以采用法蘭式差壓變送器在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，起到隔離被測介質(zhì)的作用測量密閉容器的液位時，同樣存在“遷移”問題。圖4－14中遷移量為：第三節(jié)靜壓式液位計三、靜壓式液位計的應用2.投入式液位變送器（教材P71圖4-15）

擴散硅式傳感器位于導氣電纜的底端，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標準電流信號輸出。投入式液位變送器具有便利安裝和使用方便等優(yōu)點，適用于水、油、酸、堿、鹽及粘稠性液體。第四節(jié)其它物位測量儀表一、電容式物位計

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

1、測量原理

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

當R、r和ε一定時，電容量C的大小與極板的長度L成正比例關(guān)系。這樣，將電容傳感器浸入被測介質(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，從而可以測得物位。第四節(jié)其它物位測量儀表一、電容式物位計用被測介質(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，當電容器內(nèi)液位高度為H時，電容器的總電容量為上下兩部分電容之和：

2.非導電介質(zhì)液住的測量當液位變化時，引起的電容增量應為：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與被測液位H成正比，因此，測出電容增量的變化便可知道液位的高度。第四節(jié)其它物位測量儀表一、電容式物位計

內(nèi)電極要用絕緣套作為中間介質(zhì)，導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.導電介質(zhì)液住的測量說明：通常△C的數(shù)值很?。s為pF即10＿12F的數(shù)量級），難以準確地進行測量。因此，在測量電路中應采取相應的措施；此外，還應注意，當介質(zhì)的濃度和溫度發(fā)生變化時，其介電常數(shù)也要發(fā)生變化，應及時進行修正。第四節(jié)其它物位測量儀表二、超聲波式液位計

超聲波式液位計是利用超聲波在液面上反射和透射傳播特性測量液位的。因此，它有兩類液位測量方法，即透射式和反射式。1.基本原理1)透射式測量方式:一般是利用有液位或無液位時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，作為液位高、低限報警信號或聯(lián)鎖信號使用。2)反射式測量方式:測量人射波和反射波的時間差，從而計算出液位高度。探頭到液位的高度h可用下式來表示：對于一定的介質(zhì)，vc是已知的，因此，只要測得時間t，即可確定被測液位高度h。第四節(jié)其它物位測量儀表二、超聲波式液位計根據(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安裝:探頭在液面以上的氣體介質(zhì)中，是一種非接觸的測量方法。應用場合：適用于腐蝕性介質(zhì)、高粘度及含有顆粒雜質(zhì)的液位測量。第四節(jié)其它物位測量儀表三、雷達式液位計說明：1）因聲速受溫度壓力的影響較大，測量結(jié)果需要采取相應的修正補償措施，以避免聲速變化所引起的誤差。2）氣介式液位計也可用于料位測量，但顆粒尺寸和堆積坡度應盡量小，否則表面不平整，使得聲速散射嚴重，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)天線向被探測容器的液面發(fā)射，當電磁波碰到液面后反射回來，雷達液位計是通過測量發(fā)射波到反射波之間的延時△t來確定天線與反射面之間的高度（空高h）。第四節(jié)其它物位測量儀表三、雷達式液位計2.雷達液位計的組成探測器安裝在設(shè)備頂部，由電子部件、波導連接器、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，由計算單元、顯示單元及電源部分組成。

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

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、天線向被測液面發(fā)射電磁波，液面反射波被天線接收?；夭ㄍㄟ^定向通路器送入混頻電路，與發(fā)射波產(chǎn)生差頻△f信號。通過