第七章-液位测量

第七章液位测量《热工测量与自动控制》液位测量必要性•在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。•在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。•例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油“冒顶”事故；油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响后序设备的生产和安全；•电脱水器中油水界面高了会破坏电场．低了会使放水中带油，影响生产。控制、计量、报警等。在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关。基本概念检测方法的分类按其工作原理可分为下列几种类型：–(1)直读式采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。–(2)差压式（静压式）基于流体静力学原理，适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。(3)浮力式它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。(4)电气式它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。如电容式、电极式(5)声学式基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到返回的时间推算物位的高度。(6)核辐射式利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质的厚度而衰减的原理测量物位。第一节直读式液位计一、玻璃管液位计玻璃管液位计适用于直接测量各种密封承压容器内介质的液位如图所示,玻璃液位计的上端通过阀门1与被测容器中的气体相连接,下端经阀门2与被测容器中的液体相连接。按照连通器液柱静压平衡原理,只要被测容器内和玻璃管内液体的温度相同,两边的液柱高度必然相等,据此,在玻璃管3旁竖一标尺4,从标尺上可直接读出液位的高度。•若两者介质温度不同,可按下式进行修正•H：容器内液位高度;•h：液位计读数;•ρ0：液位计中介质在温度t0时的密度;•p：容器中介质在温度t时的密度。•玻璃管液位计主要由玻璃管7、上下阀门4、玻璃管两端连接密封件5、标尺8、玻璃管保护罩6等组成。在上下阀上有接头2,将与被测容器连接用的法兰1焊接在该螺纹接头上。在上下阀门内装有钢球3,其作用是当玻璃管因意外事故破碎时,钢球在容器内压力的作用下自动密封,以防止容器内的液体外流,在上下阀端部还装有堵塞螺钉9,供取样之用。hH0•玻璃管液位计使用应注意如下几点:•(1)为了保证玻璃管一旦打碎时,上下阀内的小钢球能自动密封,要求介质压力不得小于0.2MPa。•(2)定期清洗玻璃管,使液位显示清晰。•(3)应根据被测介质的压力和温度合理选用液位计,不得超压使用玻璃管液位计。•（4）玻璃管是用耐热玻璃制成的，其内径不应过细，否则易造成毛细管现象，影响指示水位的准确性.根据连通器原理，透过石英玻璃管即可直接读出容器内的液位高度。同时利用光的折射原理使液体部分呈现绿色，无液体部分呈现红色，气液分界面十分清晰，无观测盲区。双色石英玻璃管液位计可直接工作于高温、高压、腐蚀性介质的液位测量。具有指示鲜明、操作安全简单、连续指示等特点。可广泛用于：石油贮罐、锅炉汽包、压力容器等腐蚀性或非腐蚀性介质的液位(面)测量、指示举例：彩色石英管液位计二、玻璃板式液位计•主要用于直接指示各种塔、槽、罐、箱等敞口或密闭容器内的液体液位。液位计可广泛应用于石油、化工、制药等工业部门中。平板式液位计结构接气连管的上法兰上阀玻璃板金属框盒下阀放水阀接液连管的下法兰平板式液位计的优点•平板玻璃液位计，是用经过热处理，具有足够强度和稳定性的玻璃板，嵌在一个金属框以代替玻璃管。•由于玻璃板式液位计比玻璃管式液位计承压能力大，因此广泛应用于额定工作压力较高的压力容器上。第二节静压式液位计一、工作原理静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。A、敞口容器的液位测量原理图：将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为p=ρgH式中p—容器内取压平面上由液柱产生的静压力；ρ—容器内被测介质的密度；g—重力加速度。H—从取压平面到液面的高度；B、在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测液位，如图所示。差压变送器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连。如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压变送器高、低压侧所感受的压力分别为：差压变送器所受的压差因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算出液位的高度图法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器单法兰式双法兰式法兰式差压变送器按其结构形式为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。C、法兰压力式液位计由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差△P与液位高度H满足式的条件是：（1）差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上；（2）差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在；（3）被测介质的密度保持不变。在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工作状态。假定采用输出为4mA～20mA的差压变送器,当H＝0时，变送器输入△p＝0，输出电流为4mA；当液位到上限，变送器输入△p=Hmaxρg，输出电流20mA。二、零点迁移问题•在实际应用中，差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上，如图所示。这时差压变送器高低压室所受压力分别为：高低压室所受的压差为：与无迁移情况式相比，上式中多出一项hρg，即在高压室增加了一个恒定的静压hρg。由于此项的存在，使得当H=0时，△p=hρg，此时的变送器输出必然大于4mA。正迁移示意图•为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。使得当H=0，△p=hρg时，变送器输出为4mA。•*正迁移：在上图这种工作状态下，变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因此称为正迁移。•*负迁移：在工程中还经常遇到负迁移的情况，如图所示。若被测液体的密度为ρ1，隔离液的密度为ρ2，且ρ1ρ2，则变送器高低压室的压力分别为：•高低压室所感受的压差为与无迁移情况相比较，总的差压减少了(h2-h1)ρ2g，即相当于在低压室增加了一个恒定的静压。由于它的存在，使得当H=0时，△p=-（h2-h1）p２g,此时变送器的输出必然小于4mA，当H=Hmax时，变送器的输出也达不到20mA。负迁移示意图•为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系。就必须借助差压变送器的零点迁移功能来抵消这静压力的影响，使得当△p=－（h2–h1）ρg时，变送器的输出为4mA。•变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这种情况就是负迁移。综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，而量程范围不变。例1．如下图所示是双法兰式差压变送器测量密闭容器中有结晶液体的液位，已知被测液体的密度ρ=1200kg/m3，液位变化范围为H为0~950mm，变送器的正、负压法兰中心线距离H0=1800mm，变送器毛细管硅油密度ρ1=950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为16.758kPa。)(1117295.08.91200maxPagH解：液位的变化范围为0~950mm时，差压的变化量为)(167588.18.995001PagHp当H=0时第三节浮力式液位计浮力式液位计是依据力平衡原理，通常可分为两种类型：通过浮子随液位升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式液位仪表；通过液面升降对浮筒所受浮力的改变反映液位变化的，属于变浮力式液位计。一、浮子式液位计•浮子液位计的原理如图所示,浮子1用钢丝绳3连接并悬挂在滑轮4上,钢丝绳的另一端挂有平衡锤2,使浮子所受的重力和浮力之差与平衡锤的拉力相平衡,保持浮子可以停留在任意液面上。这样,浮子跟随液面变化而变化。这种结构的液位计指针位移与被测液位变化相同,从而达到了检测的目的。机械式就地指示浮子液位计1一浮子;2一平衡锤;3一钢丝绳;4一滑轮;5一标尺;6一指针浮球液位计磁浮子液位计磁性浮子、浮球式液位计主要由本体部分、就地指示器、远传变送器以及上、下限液位报警器等几部分组成。磁性浮子式液位计通过与工艺容器相连的筒体内浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红蓝两色（液红气蓝）明显直观地指示出工艺容器内的液位或界位。二、浮筒式液位计浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。图中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器。•变浮力法测量液位的原理：设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X,弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：CXhgAW弹簧的伸长量通过变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。XhhCXhgAW将代入得位移量X与液位高度成正比关系，浮力物位检测方法实质就是将液位转换成敏感元件浮筒的位移变化。XACgAWh)g1(第四节电学法测量液位电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。一、电阻式液位计电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。•电阻式液位测量法主要分为两类，•根据液体与其蒸汽之间导电特性(电阻值)的差异进行液位测量的――电接点液位计；•利用液体与其蒸汽之间的不同传热特性，以之影响热敏材料的散热条件，从而引起热敏材料电阻值变化这种现象进行液位测量的――热电阻液位计。•1、电接点液位计•由于密度和所含导电介质的数量不同，液体与其蒸汽在导电性能上往往存在较大的差别。如饱和蒸汽的电阻率要比水的电阻率大数万乃至数十万倍，比饱和蒸汽凝结水电阻率也要大100倍以上。电接点液位计就是通过测量物质汽、液电阻的大小来分辨和指示液位高低的。由上述工作原理可知，无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续性，这也就是电接点液位计固有的不灵敏区，或称作测量的固有误差。显然，这种误差的大小取决于电接点的安装间距。•2、热电阻液位计•利用通电的金属丝(以下简称热丝)与液、汽之间传热系数的不同及其电阻值随温度变化的特点进行液位测量。液体的传热系数要比其蒸汽的传热系数大1~2个数量级，因此，对于通以恒定电流的热丝而言，其在液体和蒸汽环境中所受到的冷却效果是不同的，即浸于液体时的温度要比暴露于蒸汽中的温度低。如果该热丝(如钨丝)的电阻值还是温度的敏感函数，那么传热条件变化所致的热丝温度变化，将引起热丝电阻值的改变。所以，通过测定热丝电阻值的变化可以判断液位的高低。该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固