1.4 液位检测仪表

液位的高低在生产中也是一个重要的参数，例如，蒸汽锅炉运行时，必须保证汽包水位有一定的高度。化工反应塔内，常需保持一定的液位以取得较高的生产率。此外，生产中常需测量油罐等容器内的液面高度以计算产品产量和原料消耗，作为经济核算的依据。

1.4.1 浮力式液位计和静压式液位计

浮力式液位计是应用最早的一类液位测量仪表，由于结构简单，价格便宜，至今仍有广泛的应用。这类仪表在工作中可分为两种情况：一种是测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液面计，工作时，浮标漂浮在液面上随液位高低变化，通过杠杆或钢丝绳等将浮标位移传递出来，再经电位器，数码盘等转换为模拟或数字信号；另一种是浮力变化的，根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的浮力不同来测定液位的高低。图1-38表示的是一种常用的变浮力液面计，可用来测量密封压力容器内的液位。

图1-38中，浮筒是一个上下截面相同的金属圆筒，其重量比浮力大（因而这种浮筒常称为沉筒）。当容器中没有液体时，浮筒的重量完全由弹簧力平衡；在容器中有液体时，浮筒的一部分被液体浸没，液体的浮力使弹簧的负担减轻，浮筒向上移动。此移动的距离与液面高度成正比，浮筒通过连杆移动铁心，使差动变压器输出相应的电信号，供指示或远传。

利用液体静压测量液位也是一种常见的方法。在敞口容器中，储液底部压力与容器内的液面高度成正比，故可用压力测量仪表在底部测量压力，来间接测定液位高低，使用前面讨论的压力变送器将液位转换为电信号。当压力变送器与容器底面不在同一水平面上时，可使用变送器内的零点迁移装置，减去一段相应的液位。

在带有压力的密封容器内，由于底部压力不仅与液面高度有关，还与液体表面上的气压有关，这时可用测量差压的方法，消除液面上压力的影响。如图1-39所示，将差压变送器的正压室与容器底部相连，负压室与液面上的空间连通。从原理上说，这时差压变送器的输出只反映下部取压点以上液体的静压，可准确地反映出液位的高低。但实际使用中，要考虑上部取压管中必然有气体冷凝，出现附加液柱高度的问题，为了稳定此附加液柱高度，常在上部取压管路中加冷凝罐。这时需在差压变送器中，用迁移装置平衡这一固定的压力。

在测量有腐蚀性或黏度大、含有颗粒、易凝固等液体的液位时，为了避免引压管被腐蚀和堵塞，专门生产了“法兰”式差压变送器。它直接靠在容器壁上，通过隔离膜片来感受容器内的压力，然后以硅油作传递介质，经细管与变送器的测量室相通。采用硅油传递的好处是它的体膨胀系数小，凝固点低（-40℃以下），适用于寒冷天气及户外安装条件，不会因天冷冻结；常温下流动性好，无腐蚀性，性能稳定。

由于差压法测液位使用的仪表与压力、流量测量仪表通用，结构简单，安装方便，使用相当普遍。

需要注意，浮力和静压式液位计的读数和被测液体的密度有关，当密度发生变化时，必须对标尺进行修正。

1.4.2 电容式液位计

在电容器的极板间填充不同的介质时，由于介电系数的差别，电容量也会不同。例如，以液体代替空气作为介质时，由于液体的介电系数比空气大得多，电容量将变大。因此，测量电容量的变化可知道液面的高低。

图1-40是测量石油等非导电液体液位的电容式传感器结构图。它由金属棒做成的内电极和由金属圆筒做成的外电极两部分组成。外电极上有孔，使被测液体能自由流进内外电极之间的空间。当液位为零时，内外电极间的电容量可根据同心圆筒形电容的计算公式写出：

式中，ε0为空气的介电系数；L为圆筒电极的高度；D和d分别为外电极内径及内电极外径。

当液面高度上升到H时，电容成为上下两段，计算应分开进行。下半截电容中以液体的介电系数ε计算，上半截（L-H）中因介质是空气，其介电系数仍为ε0，故电容量

由上式可知，电容量与液面高度H成线性关系，测定此电容值便可测知液面高度。这里，测量灵敏度与（ε-ε0）成正比，与ln（D/d）成反比。也就是说，被测液体与空气的介电系数相差愈大，测量灵敏度愈高；同时内外电极间的距离愈靠近，即D/d愈接近于1，测量灵敏度也愈高。当然，决定内外电极间的距离时还要考虑其他因素，如黏滞液体对表面的黏附等，不能过分靠近。

如果被测液体是导电的，那么电极的构造就更简单。如图1-41所示，可用铜或不锈钢棒料，外面套上塑料管或搪瓷绝缘层，插在容器内，就成为内电极。若容器是金属制成的，那么外壳就可作为外电极。

当容器中没有液体时，内外电极之间的介质是空气和棒上的绝缘层，电容量很小。当导电的液体上升到高度H时，其充液部分由于液体的导电作用，相当于将外电极由容器壁移近到内电极的绝缘层上，电容量大大增加。很容易理解，此时电容量的大小与液面高度成线性关系。

上述液位电容可用交流电桥测量，也可用其他方法（如测量充、放电电流等）测定。使用充、放电法时，用振荡器给液位电容Cx加上幅度和频率恒定的矩形波，如图1-42所示。若矩形波的周期T远大于充放电回路的时间常数，则每个周期都有电荷Q=CxΔE对Cx充电及放电，用二极管将充电或放电电流检波，可得到平均电流

式中，ΔE为矩形波电压幅度；f为矩形波频率；使用中都是保持不变的常数。

这样，充电（或放电）的平均电流与液位电容成正比，故图1-42中微安表的读数可反映液面的高低。

使用电容式液位计时，对黏稠的液体应注意其在电极上的黏附，以免影响仪表精度，甚至使仪表不能正常工作；在测量非导电液体的液位时，应考虑液体的介电系数随温度、杂质及成分的变化而产生的测量误差。

1.4.3 超声波液位计

利用超声波在液体中传播有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用回声测距的原理，测定超声波从发射到液面反射回来的时间，以确定液面的高度。

图1-43是超声波液面计的工作原理图。由锆钛酸铅或钛酸钡等压电陶瓷材料做成的换能器安装于容器底壁外侧，若通过一定的电路，给换能器加一个时间极短的电压脉冲，换能器便将电脉冲转变为超音频的机械振动，以超声波的形式穿过容器底壁进入液体，向上传播到液体表面被反射后，向下返回换能器。由于换能器的作用是可逆的，在反射波回来时可以起到接收器的作用，将机械振动重新转换为电振荡。用计时电路测定超声波在液体中来回走过的时间t，则液面高度

式中，v为超声波在液体中的传播速度。显然只要知道速度v，便可由时间t直接算出液面高度H。

这种测量方法的优点是检测元件可以不与被测液体接触，因而特别适合于强腐蚀性、高压、有毒、高黏度液体的测量。由于没有机械可动部件，使用寿命很长。但被测液体中不能有气泡和悬浮物，液面不能有很大的波浪，否则反射的超声波将很混乱，产生误差。此外，换能器怕热，亦不宜用于高温液位的测量。

这种仪表的测量精度主要受声速v变化的影响。我们知道，常温下空气中的声速在温度每升高1℃时增加0.18%；在水中，温度每变化1℃，声速变化0.3%。所以要用超声波精确测量液位时，必须采取措施消除声速变化的影响。

除了上述几种液位计外，工业上还使用放射性液位计、激光液位计等。