第五章液位测量为了测知物料的存贮量，便于对物料进行监控，在工业生产中对物位进行的检测和控制是监控的重要环节。

液位、界位和料位统称物位。

物位测量的目的在于测知容器中物料的容量。

在大部分工业生产过程中，除常压、常温等一般情况外，还有可能遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性等特殊情况，那么对于物位的自动检测和控制要求就更高了。

液位是指液体介质在容器中的液面的高度，液位计是测量液位的仪表。

在工业生产中，液位是一个很重要的参数，液位测量在工业生产中具有重要地位，有的甚至直接影响到生产的安全。

在实际的操作过程中，对液位测量的要求越来越多，应根据不同方面的要求来选用不同种类的液位计。

根据液位计的工作原理，可分为直读式、浮力式、电容式、静压式、声学式、射线式、光纤式和核辐射式。

本章主要介绍工业上广泛应用的浮力式、电容式、和静压式液位计。

5.1 浮力式液位计浮力式液位计是根据液体产生的浮力来测量液位的。

它是通过浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步移动的原理工作的，可分为恒浮力式和变浮力式两种。

5.1.1 恒浮力式液位计浮子式液位计是恒浮力式液位计中的一种。

它是利用能够漂浮在液面上的浮子进行测量的。

当浮子漂浮在液面上达到稳定时，根据力学原理，其本身的重量和所受的浮力相平衡。

当液面发生变化时，浮子的位置也相应的变化，根据这一原理来测量液位。

浮子式液位计示意图如图5-1所示，浮子通过两个滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力平衡，这样就保证了浮子可以漂浮在液面上。

设浮子浸入液体的高度为h，液体密度为 ，圆柱型浮子的外直径为D ，密度为1ρ，则浮子的受力情况为浮力 24F D h g πρ= （5-1）自重 214G D a g πρ=（5-2）作用在浮子上的还有绳子的拉力T ，当浮子达到平衡时有T F G += （5-3）当液位上升H ∆时，浮子浸在液体中的部分增大，浮力增加F ∆，即24F D H g πρ∆=∆ （5-4）由于拉力T 和自重G 都不变，此时()T F F G ++∆>。

因此，为了重新使受力达到平衡状态，浮子上浮。

当达到新的平衡状态时，由于平衡锤的拉力T 和自重G 都为固定值，所以此时的浮子所受浮力不变，即浮子浸入液体的高度仍为h ，所以浮子上升的高度和液位上升的高度相同，都是H ∆。

由图5-1结构可知，液位和浮子上升的高度和平衡锤下降的高度是相同的，通过平衡锤旁边的标尺可以读出其下降的高度，也就是浮子上升的高度。

反之，液位下降，浮子下降，平衡锤上升。

利用这个装置，我们可以通过标尺的读数来反映液位的变化，然后通过传递放大系统显示出液面高度。

由上面的分析可知，只有浮力变化量达到一定量H ∆足以克服了摩擦力后，浮子才会开始动作，这就是造成这种液位计不灵敏区产生的原因。

通常把浮子液位计的灵敏度K 定义为24F D K g H πρ∆==∆ （5-5） 可以看出浮子的直径越大，灵敏度越大。

所以可以采取适当增加浮子的直径的方法，提高液位计的灵敏度和测量精度。

比如将浮子制成扁平空心圆盘或圆柱形，可以使液位计的不灵敏区变小。

在使用恒浮力液位计测量液位时，应使浮子浸入液体中的深度不变化才能准确测量。

但实际操作中，液位计测量误差主要与仪器的灵敏度高低、被测介质性质和周围环境等因素有关。

对于恒浮力式液位计的测量误差，主要由以下几个因素引起： （1）仪器灵敏度的高低；（2）当工作介质具有腐蚀性或粘度较大时，浮子被浸蚀而造成质量减轻或是黏一些液体，而使浮子质量增加； （3）被测液体密度变化； （4）绳索长度变化。

5.1.2 变浮力式液位计变浮力式液位计是通过把液位变化先转化为力的变化，再把力的变化转化为物体位移，位移产生电信号来进行测量。

浮筒式液位计是一种典型的变浮力式液位计，其工作原理如图5-2所示。

将一截面积为A ，重量为G 的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，此时弹簧力与重力平衡，当浮筒有一部分浸入液体时，浮筒受到浮力而使弹簧上移，此时有Kx G Ah g ρ=- （5-6）上式中，K 为弹簧刚度，h 为浮筒浸入液体的高度，x 为弹簧的压缩量，ρ为液体密度。

若液面升高了Δh ，浮力增加，浮筒向上移动，浮筒上下移动的距离即弹簧的位移改变量为Δx 。

重新平衡时浮筒浸没在液体中的长度为h h x +∆-∆，则重新达到的平衡关系为()()K x x G A h h x g ρ-∆=-+∆-∆ （5-7）（5-6）减去（5-7）得()K x A g h x ρ∆=∆-∆ （5-8）即(1)Kh x A gρ∆=+∆ （5-9） 上式中，K 、A 、ρ均为常数，所以当液位发生变化时，浮筒浸入液体中的体积不同，因而浮力变化，合力的作用使得浮筒产生位移。

浮筒产生的位移量改变量(即弹簧变形程度)与液位高度变化量成正比。

变浮力液位检测就是把液位变化转换为元件浮筒位移变化。

检测弹簧变形有很多转换方法，常用的有差动变压器式、扭力矩力平衡式等。

若在浮筒连杆是装上指针，就可直接读出液位。

也可在浮筒的连杆上安装一铁心，通过差动变压器使输出电压，可以测出液位。

也可将浮筒所受到的浮力通过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移量变成扭力矩的角位移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整的液位计。

改变浮筒的尺寸，可以改变量程。

5.2 电容式液位计电容式液位计是根据电容的变化来测量液位高度的液位仪表,它主要是由电容液位传感器和检测电容的电路组成。

它的传感部件结构简单，动态响应快，能够连续及时地反映液位的变化。

电容式液位计的形式很多，有平级板式、同心圆柱式等，应用比较广泛。

它对被测介质本身性质的要求不是很严格，既能测量导电介质和非导电介质，也可以测量倾斜晃动及高速运动的容器的液位，因此在液位测量中的地位比较重要。

5.2.1 检测原理在液位的测量中，通常采用同心圆柱式电容器，如图5-3所示。

同心圆柱式电容器的电容量为()02ln LC D dπε=（5-10） 式中：D 、d ——外电极内径和内电极外径(m)； ε——极板间介质介电常数(F/m)； L ——极板相互重叠的长度(m)。

由上式可知，改变D 、d 、ε、L 其中任意一个参数时，电容量0C 都会变化。

但在实际液位测量中，D 和d 通常是不变的，电容量与电极长度和介电常数的乘积成正比。

由液位变化引起的等效介电常数变化，使电容量变化，根据电容量变化来计算液位高度，就是电容式液位计的测量原理。

5.2.2 导电液体的液位测量因为圆筒形电极会被导电液体短路，所以对于导电液体的液位测量，一般用绝缘物覆盖作为中间电极。

内电极材质一般用紫铜或不锈钢，外套绝缘层材质为聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷，电容器的外电极由导电液体和容器壁构成，结构如图5-4所示。

当容器内没有液体时，液位H=0，内电极和容器壁组成电容器，绝缘层和空气为介电层，此时电容量为1002ln LC D dπε=（5-11） 当液面的高度为H 时，有液体部分由内电极和导电液体构成电容器，绝缘套为介电层，此时整个电容相当于有液体部分和无液体部分并联的两个电容,因此电容量为1202()2ln lnL H HC D Dd dπεπε-=+（5-12） 其中1ε、2ε分别是分别为气体介质和绝缘套组成的介电层的介电常数和绝缘套的介电常数，L 为电极和容器的覆盖长度，d ，D 和0D 为内电极、绝缘套的外径和容器的内径。

将5-12式减去5-11式可得液面高度为H 时的电容变化量，即1212100002()2222ln ln ln ln lnL H H L C C C H D D D D D d d d d d πεπεπεπεπε⎡⎤⎢⎥-∆=-=+-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （5-13）若0D d 、12εε 时，上式可简化为22ln C H D dπε∆=（5-14）由上式可以看出，电容变化量与液位高度成正比，如果测得电容变化量，就可以知道液位H 的值，因此准确地检测出电容的变化量是测量的关键。

对于粘度比较大的液体介质，当液位变化时，液体会附着在内电极绝缘套管表面，较易形成虚假液位，因此应尽量内电极表面光滑，以免造成测量误差。

5.2.3 非导电液体的液位测量非导电液体电容式液位计与导电液体电容式液位计不同的是前者有专门的外电极。

它有内外两个圆筒电极，并且用绝缘材料绝缘固定两电极，外电极上均匀开设有许多孔或槽，以便被测液体流动自如，使电极内外液位相同，其结构如图5-5所示。

当被测液位H=0时，电容器的电容量为002ln LC D dπε=（5-15） 当被测液体的液位变为H 时，电容器的电容量为02()2ln ln L H HC D D d dπεπε-=+（5-16） 上两式中ε、0ε分别为被测液体和气体的介电常数。

将5-13式减去5-12式得02()ln C H D dπεε-∆=（5-17）由5-17式可以看出，非导电液体电容式液位计与导电液体电容式液位计的测量原理相同。

当0()εε-越大，D 和d 比值越接近, 灵敏度越高。

5.3 静压式液位计由物理学可知，当液体在容器内有一定高度时，就会对容器产生压力。

静压式液位计就是这一应用，它通过测量某点的压力或与另一点的压差来测量液位的。

如图5-6所示，A 为实际液面，B 为零液位，H 为液面的高度，ρ为液体的密度。

根据流体静力学的原理，A 和B 两点的静压力为B A p p p gH ρ∆=-=即 pH gρ∆=（5-15） 上式中，A p 、B p 分别为A 、B 两点的静压。

由5-15式可知，若被测液体的密度不变，则液面的高度H 跟压差p ∆成正比，如果测得被测液位与零液位点之间的压差p ∆，就可以得到当前液位值。

5.3.1 压力式液位计压力式液位计是利用测压仪表来得到液位的仪器，只用来测量敞口容器中的液位。

所以5-15式中A p 为大气压力。

常用的压力式液位计有压力表式液位计、法兰式液位变送器和吹气式液位计。

三种液位计的结构如图5-7所示。

（1）压力表式液位计 这种液位计是通过引压导管与容器底部相连，利用引压导管将压力变化值送入压力表中进行测量的，如图5-7（1）所示。

只有当压力表与容器底部等高时，此时压力表中的读数才可以直接反映出液位的高度。

如果压力表与容器底部不等高，当容器中液位为零时，表中读数不为零，即存在容器底部与压力表之间的液体的压力差值，该差值就是所谓的零点迁移，在实际的测量中，计算时应减去此差值。

考虑到引压导管必须畅通，为了不阻塞引压导管，被测液体黏度不能过高。

（2）法兰式液位变送器 压力表式液位计对于易结晶、粘度大、易凝固或腐蚀性较大的被测介质进行液位测量时，通常会造成引压导管的堵塞，此时一般采用法兰式液位变送器测量液位。