如何测量液位？

驱动过程工程师需要更可靠和精确的液位测量系统，因为复杂的自动化处理系统的需求，越来越严格的监管环境和越来越严格的过程控制的需求。

更好的级别测量精度使其可以降低化学过程可变性，导致成本降低，较少的浪费和更高的产品质量。法规，特别是那些有关电子记录的规定，对电子报告，准确性和可靠性进行了严格的要求。更现代化的水平测量技术有助于满足这些要求。

过渡水平测量技术

视镜是最古老、最简单的工业液位测量装置。视镜总是有限制，因为它们是手动测量的解决方案。由于其透明度而使用的材料可能会遭遇灾难性的故障，给用户带来危险的条件，火灾和爆炸，并对环境造成伤害。

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。

电流回路可以携带信号更远，且退化更少。以任意一种协议(如Hart、Honeywell DE、基金会现场总线、RS-232和Profibus)编码的数字信号是最健壮的，但RS-232等较老的技术只能处理短距离。在最新的发射机信号中可以建立新的无线熟练度，这使得它们可以在几乎没有任何退化的情况下传输到很远的地方。

新兴技术通常使用计算机在涉及更复杂的物理原则时执行计算。这需要以机器可读格式从传感器向控制或监控系统发送数据。

计算机自动化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求相结合，解释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

与本文贯穿本文的工艺流体相比，我们假设顶空（通常是空气）中的蒸汽密度可忽略不计。我们还将假设坦克只包含一种，均匀，过程流体。其中一些技术可用于多级应用，其中多个不混溶的流体共用船只。

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。玻璃压力表作为一种简单的测量液位的方法已经使用了200多年。有各种各样的设计，有无保护的，也有装甲的。不利的一面是玻璃破碎的风险，导致泄漏或对人员造成伤害。这种设计的好处是能够通过透明的玻璃观察真实的水平。

液压设备

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作为参考。顶部的通风口使顶空压力与大气压力相等。流体静压差等于流体在容器中的高度乘以过程流体密度。

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显示了一个气泡型液位传感器。这种技术用于在大气压下操作的容器。

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。

当气体向下流动到dip的管出口时，管中的压力上升，直到它克服了出口液位产生的流体静压。压力等于过程流体的密度乘以从蘸液管末端到表面的深度，并由连接到蘸液管的压力传感器监测。

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)。

该列刻于等于塔的横截面积的体积，该横截面积乘以置换器中的过程流体水平，因为过程流体水平升高。等于这种位移体积的浮力乘以过程流体密度在置换器上向上推动，减少支撑它抗重力所需的力。与发射器连接的换能器观察并将这种变化与水平相结合。

6.磁性指标水平。这些设备类似于浮动设备，但它们通过磁力传递液体表面的位置。它们(参见图5)是视镜的首选替代品。

浮子携带一组强力永磁体，通过两个工艺连接连接到容器上的辅助柱(浮子室)上。该柱横向限制浮子，使其始终接近腔室的侧壁。

当浮子在液位上上下移动时，磁化的梭形或条形图形指示与浮子一起移动，显示浮子的位置，从而提供液位指示。室壁和辅助柱是由非磁性材料构成的，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。欧洲杯足球竞彩

这意味着该仪表可以处理腐蚀性流体、高温和高压。高浮力浮子和超大浮子室，可用于预计会积聚的应用场合。

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.电容变送器。这些器件（参见图6）操作的事实是，处理流体通常具有介电常数，△，与空气显着不同，这非常接近1.0。油的介电常数为1.8至5.纯乙二醇为37;水溶液在50和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。

总电容随着液面上升而增加，并且在板与板之间填满更多的空间。一种称为电容桥的电子电路测量总电容，并给出连续的电平测量。

8.负载细胞。测压元件或应变计装置基本上是一种装有一个或多个传感器的托架或机械支撑，用以识别支撑部件的微小变化。当测力元件上的力改变时，支架轻微弯曲，导致输出信号改变。经过校准的测压元件的受力范围从几盎司到吨不等。

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。

除了所需的净重量或产品重量外，船舶、管道、连接结构和由船舶支撑的总重量将由负载系统称重。总重量与净重量的比值通常很低，这意味着净重量占总重量的百分比很小。

最后，由于不均匀的加热(例如，从早上到晚上的日照)造成的支撑结构的增长可以表现为水平，风荷载、侧荷载、刚性管道和防倾覆硬件(用于底部安装的测压元件)的捆绑也可以表现为水平。因此，在整个管道设计和初始容器支持过程中，称重传感器称重系统的要求必须是首要考虑的因素，否则性能将会丧失。

现代技术

可能是早期的连续液位测量技术和现在赢得青睐的最大区别是使用飞行时间（TOF）测量来将液位传感到常规输出中。

这些装置通常通过测量容器顶部附近的传感器或发射器的参考点之间的距离和液位来操作。系统通常在参考点处产生脉冲波，其通过导体或蒸汽空间行进，反射液面，并在参考点处返回到拾取器。电子定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.磁致伸缩发射器。使用含有浮子的磁铁来确定液位的优势已经确立，磁致伸缩技术是一种非常精确地读取浮子位置的成熟技术。磁致伸缩变送器利用导线(而不是机械连接)的扭转波速度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，传感器线连接到变送器上的压电陶瓷传感器。该管要么是在非磁性浮子室的外部与浮子相邻，要么是通过浮子中心的孔。

为了找到浮动，发射器会调度传感器线的短电流脉冲，沿其整个长度设置磁场。同时触发定时电路。该领域立即与浮动中的磁体产生的字段相互作用。

总的效果是，在电流流动的整个时间里，在导线中产生了扭转力，很像超声波振动或波。这个力以特定的速度返回到压电陶瓷传感器。

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。

定时电路测量波浪到达和电流脉冲开始之间的时间间隔（TOF）。根据此信息，浮动的位置是非常精确地确定并显示为发射器的电平信号。

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.激光发射器。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液体表面发射短脉冲光，液体表面将其反射回探测器。计时电路计算经过的时间(TOF)并测量距离。关键是激光没有虚假回波，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可以，并且可以在小到2英寸的空间中被引导。

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.雷达发射机。通过空气雷达系统在容器顶部的喇叭或杆天线向下微波。信号将流体表面反射回天线，并且通过测量往返时间（顶部）来计算与流体水平的距离。

液体的介电接触是雷达技术中的关键变量，因为微波（雷达）频率下的反射能量的量取决于流体的介电常数，如果呃低，则大多数雷达的能量进入或通过。水（ER = 80）在ER中的变化或不连续性产生极好的反射。

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显示了超声波、激光和露天雷达系统的大部分优点和少数缺点。

它在真空中工作，无需重新校准，可以通过大多数泡沫层进行测量。限制波跟随探头或电缆，消除了波束扩散问题和坦克墙和结构的虚假回声。

总结

不同测量技术的总体趋势反映了市场驱动因素。精密的数字电子产品正在制造水平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。

如今的液位传感器采用了越来越多的材料和合金，以应对恶劣的环境，如油、酸和极端的温度和压力。欧洲杯足球竞彩现代材料有助于欧洲杯足球竞彩过程仪器满足特殊的要求，如聚四氟乙烯护套材料腐蚀性应用和电抛光316不锈钢清洁要求的组件。由这些新材料制成的探头使接触变送器几乎可以用于任何欧洲杯足球竞彩应用场合。

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

图2：差压传感器通过测量罐底部和血管压力之间的流体之间的总压力差来监测过程流体水平。

图3:通过测量储存容器底部附近的静水压力，鼓泡器感测过程流体深度。

图4:位移液位计的工作原理是阿基米德原理。支撑材料柱(驱替器)所需的力随着被驱替过程流体的重量而减小。力传感器测量支撑力，并将其作为模拟信号报告。

图5:磁液位计使用磁耦合梭来确定浮球在腔内的位置。

图6:电容电平传感器测量由水平变化产生的两个板之间的电容变化。有两个版本，一个用于具有高介电常数（a）的流体，另一个用于具有低介电常数（b）的那些。

图7:磁致伸缩电平变送器利用导线中扭转波的速度来进行电平测量

图8:超声波液位变送器使用声速来计算液位

图9:激光发射器使用短脉冲激光能量来测量电平。

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。欧洲杯足球竞彩

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