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在工業(yè)生產(chǎn)過程中，及時獲知部分容器內(nèi)的物料高度是十分重要的，而進行該類物位高度測量的監(jiān)測儀表就被稱為物位計。物位與溫度、壓力和流量一起統(tǒng)稱為工業(yè)生產(chǎn)過程中的四大測量參數(shù)。物位計是工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的一類重要監(jiān)測儀表，關系著生產(chǎn)過程的安全和質(zhì)量。

 

在實際的生產(chǎn)活動中，物位可以按照被測量介質(zhì)的物理狀態(tài)的不同來進行分類：粉狀、顆粒狀等固態(tài)介質(zhì)的高度被稱為料位，液態(tài)介質(zhì)的高度被稱為液位，兩種互不相溶、有分界面的固態(tài)或液態(tài)介質(zhì)的高度被稱為相界面，對應的物位計分別被稱為料位計、液位計、相界面計。

 

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)向自動化、大規(guī)模方向的持續(xù)發(fā)展，工藝流程的曰趨復雜，需要使用儀器儀表進行檢測和控制的場景也越來越多，對液位計的適用工況、測量精度、響應速度等也提出了更高的要求。此外，隨著微電子技術的飛速發(fā)展，液位計的機電一體化趨勢更加明顯，并在不斷向自動化、智能化方向發(fā)展。

 

１，２．２液位計分類及應用

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的測量需要，舊式的液位測量儀表的缺陷逐漸顯露，市場上隨之出現(xiàn)了多種液位測量儀表。可以按照液位測量儀表的測量方式不同，對其進行劃分。不同液位計的性能比較如下表所示。��

（１）連通器式液位計；

連通器式液位計是指采用連通器原理來進行測量的液位計。該類液位計通常采用玻璃管材質(zhì)以便于讀取液位。連通器式液位計的優(yōu)點是：結構簡單，價格低，測量直觀，適合于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用。不足之處是：需要人工讀數(shù)，測量精度低；在人工讀取液位時往往需要等待連通器內(nèi)液位平穩(wěn)，致使測量耗時長、實時性差；連通器內(nèi)表面容易因沾染污物而導致讀取液位困難，不適用于復雜液位測量場合或自動化程度較高的工程項目；玻璃材質(zhì)較為脆弱，容易發(fā)生破損。

（２）浮力式液位計；

浮力式液位計是指根據(jù)浮標所受浮力來進行測量的液位計。該類液位計通常由浮標（或浮球、浮筒等）、傳感器和變送器組成。當液位變化時，浮標的位置或受到的浮力會發(fā)生變化，繼而被傳感器檢測，實現(xiàn)液位測量。浮力式液位計的

 

優(yōu)點是：結構簡單，價格較低。不足之處是：在部分生產(chǎn)活動中，液位的波動范圍可能較大，測量精度會受到影響。并且由于浮力式液位計為接觸式測量，有活動部件，因此維護量較大，對被測介質(zhì)類型有一定限制，如粘度較低、液體內(nèi)雜質(zhì)較少、腐蝕性較小等。

 

根據(jù)浮標所受的浮力是否變化，即浮標的位置是否固定，可以分為恒浮力式液位計和變浮力式液位計［１｜］。

 

恒浮力式液位計：該類型液位計的浮標漂浮在液面上，浮標可以在較大的范圍內(nèi)跟隨待測液位的起伏而產(chǎn)生位移變化，繼而通過傳感器實現(xiàn)液位測量，該類液位計的特點是結構簡單、價格較低，適用范圍廣［１２１。變浮力式液位計（又稱浮筒式液位計）：該類型液位計的浮標較大且與彈簧相連，浮標浸沒的深度隨著待測液位的起伏而產(chǎn)生變化，產(chǎn)生浮力變化，使儀表內(nèi)的彈簧發(fā)生形變，繼而通過傳感器實現(xiàn)液位測量，該類液位計可以實現(xiàn)信號遠傳和自動調(diào)節(jié)［１２，１３］。

（３）差壓式液位計；

差壓式液位計是指利用液體的壓力差來進行測量的液位計。該類液位計通常設置有兩個取壓口：氣相取壓口和液相取壓口。由于氣相介質(zhì)密度較低，在氣相取壓口至液位處的壓力差可以忽略不計，所以兩個取壓口的壓力差即可以使為液面到液相取壓口之間液體所產(chǎn)生的靜壓力。繼而根據(jù)液體的壓力和高度關系，即可計算出待測液位。差壓式液位計的優(yōu)點是結構簡單，技術成熟可靠，可以實現(xiàn)遠傳和自動調(diào)節(jié)，適用于大部分常溫常壓的工況，在工業(yè)上得到了廣泛的應用。不足之處是：差壓式液位計是先測量壓力再將其轉化為液位，所以測量精度必然會受到容器內(nèi)大氣溫度和壓力、容器內(nèi)介質(zhì)密度等的影響，精度較低，需要配套多種測試儀表進行相關的密度補償，導致測量成本升高［１２１；對于一些需要大量程和遠傳的測量場合，差壓式液位計的引壓管安裝較為復雜，壓力管過長會在傳輸過程中增大誤差；當容器內(nèi)有大量的蒸汽時，蒸汽容易在氣相取壓口處冷凝成液體，造成取壓異常，從而產(chǎn)生極大的測量誤差，因此需要在氣相取壓口處安裝儲液罐并定期人工清理儲液罐，維護量較大，等等［１４］。差壓式液位計為接觸式測量，對被測介質(zhì)類型有一定限制，如粘度較低、腐蝕性較小等。

（４）伺服式液位計；

伺服式液位計是指采用浮力平衡原理來進行測量的液位計。該類液位計通常采用伺服電機驅動浮子上下移動，構成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)伺服電機使系統(tǒng)力矩平衡，使浮子在液面處受力平衡，隨液位變化而升降，繼而通過傳感器實現(xiàn)液位測量。伺服式液位計的優(yōu)點是：測量精度高（可達ｌｍｍ），可靠性高，性價比高，安裝改造維護方便，可以實現(xiàn)掛料補償，可以實現(xiàn)遠傳控制，并可測量兩種介質(zhì)（如油和水）的分界面，在測量儲罐液位，尤其是測量油田的采油廠的油水界面中得到了廣泛的應用［１５，１６］。不足之處是：長期使用后機械活動部件會發(fā)生磨損，產(chǎn)生較大的測量誤差。

（５）電容式液位計；

電容式液位計是指采用電容感應原理來進行測量的液位計。該類液位計內(nèi)電容的兩極通常設為液位計金屬桿和容器壁，當液位變化時，金屬桿電極浸潤的高度發(fā)生變化，引起兩電極間電容量的變化，繼而通過傳感器實現(xiàn)液位測量。電容式液位計的優(yōu)點是：在原理上與溫度、濕度、壓力等因素無關，可用于高溫高壓工況的液位測量，具有較好的抗干擾性和可靠性，安裝簡單，成本低，可以用于粉狀、顆粒狀固體物料的測量，可以用于腐蝕性液體的測量，可以實現(xiàn)遠傳。不足之處是：無法測量介電常數(shù)較低的液體，且如果被測介質(zhì)和液面上方氣相介質(zhì)的介電常數(shù)不穩(wěn)定會影響測量精度［１７，１８］。

（６）磁致伸縮式液位計；

磁致伸縮式液位計是指采用磁致伸縮效應來進行測量的液位計。該類液位計通常由表頭、探測桿和內(nèi)部裝有磁環(huán)的浮子組成，浮子跟隨待測液位的起伏而升降。液位計表頭部分發(fā)射的脈沖電流會沿探測桿形成一個磁場，和浮子產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生的磁場相互作用生成一個返回脈沖，通過測量發(fā)射脈沖電流和返回脈沖的時間間隔，即可計算待測液位。該類型液位計的優(yōu)點是：耐高溫高壓，可靠性高，安裝方便，便于安裝和維護，可用于兩種不同液體之間的界面測量，且有較高的測量精度（可達土〇．５＿）。不足之處是：不適用于強電磁輻射工況；不適用于對高粘度或高腐蝕性的介質(zhì)進行測量［１９］。

（７）超聲波式液位計；

超聲波液位計是指采用超聲波回波測距原理來進行測量的液位計。該類液位計通過測量發(fā)射波和反射回波之間的時間差來計算待測液位。超聲波式液位計的優(yōu)點是：精度較高，響應速度快，為非接觸式測量，安裝維護方便。不足之處是：超聲波屬于機械波，傳播介質(zhì)的溫度、壓力、氣流、蒸汽和泡沫等均會對信號產(chǎn)生較大的影響；不適用于測量易揮發(fā)性介質(zhì)在密閉的環(huán)境中會發(fā)生多次反射，影響測量結果，因此不適用于復雜惡劣工況［２Ｇ］。

（８）雷達式液位計；

雷達液位計是指采用電磁波回波測距原理來進行測量的液位計。該類液位計的表頭部分發(fā)出高頻電磁波，經(jīng)過液面的反射后產(chǎn)生回波被表頭接收，通過測量發(fā)射波和反射回波之間的時間差即可計算液位。傳播介質(zhì)的溫度、壓力、氣流和蒸汽等對電磁波信號的影響較小。雷達式液位計的優(yōu)點是：測量精度高，響應速度快，可靠性高，安裝維護方便，受空氣介質(zhì)影響極小，適用于高溫高壓等多種復雜工況［２Ｇ，２１：Ｉ。不足之處是：價格較高。

 

根據(jù)雷達液位計發(fā)射電磁波的模式，可以將其分為兩類。脈沖波式雷達液位計：該類型的液位計周期性發(fā)射固定頻率的電磁波脈沖，可以直接分析發(fā)射波和反射回波的時間差，計算液位。發(fā)射的電磁波的頻率越高，測量精度也越高（量程在５ｍ內(nèi)精度可達土５＿，量程在５ｍ外精度可達±０．１％）。常見的雷達式液位計均采用脈沖波式。

 

調(diào)頻連續(xù)波式雷達液位計：該類型的液位計持續(xù)發(fā)射調(diào)制頻率的電磁波

（FｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ，ＦＭＣＷ），電磁波的頻率是持續(xù)變化的，按照調(diào)頻方式有三角波、鋸齒波等，通過分析反射波和反射回波的頻率差來計算時間差，進而計算液位［２２］。該類型液位計的特點是：測量精度高（可達±０．１％），抗干擾能力強，但結構較為復雜，功耗和成本也更高，應用較少。根據(jù)雷達液位計的結構，可以將其分為兩類。天線式雷達液位計：該類型的液位計發(fā)射的電磁波在氣相介質(zhì)中進行傳播，為非接觸式測量。天線式雷達液位計的優(yōu)點是：安裝維護方便。不足之處是：電磁波在密閉罐體環(huán)境中會產(chǎn)生多次反射，產(chǎn)生干擾回波影響測量精度；當被測介質(zhì)介電常數(shù)較小（相對介電常數(shù)小于４．０）時會影響回波的強度，因此也不適用于介電常數(shù)較小的介質(zhì)的液位測量。

 

導波雷達液位計：該類型的液位計發(fā)射的電磁波由導波桿進行傳播，為接觸式測量。導波雷達液位計的優(yōu)點是：電磁波在導波桿中傳播，改善了天線式雷達液位計能量損耗較大的情況，回波信號質(zhì)量高，測量結果可靠性更高，適用于高溫高溫等惡劣工況下的測量，適用于介電常數(shù)較小的介質(zhì)的液位測量（相對介電常數(shù)可低至１．２）。不足之處是：對于需要較大量程的工況，導波桿過長會導致安裝和維護不便；導波桿在粘稠液體中容易發(fā)生掛料，影響測量精度。