液位檢測技術的現狀與發展趨勢

葛君山

(江蘇海事職業技術學院 電氣工程系，南京 211170)

0 引言

液位檢測包括液位信號器和連續液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量，如上、下限指示，連續液位測量是對液位進行連續地測量。液位測量方法很多，有電容法、電阻法、磁致伸縮法、磁翻板法、振動法、浮子液位計法、液位開關法、安全閥法、伺服液位計法等。本文介紹了工業生產過程中常用的幾種液位測量方法，并分析、比較這幾種檢測方法的特點，指出了液位檢測的發展趨勢。

1 差壓式液位測量

差壓法是目前最常用的測量儲罐內液位的方法之一，差壓式液位計測量原理圖如圖 1。差壓計一端接液相，另一端接氣相，根據流體靜力學原理，P1= P2+Hρg。式中： H為液體高度；ρ為被測介質密度；g為被測當地的重力加速度。則ΔP=P1- P2=Hρg。

圖1 差壓式液位測量原理圖

該方法只有在液體密度恒定不變的條件下,差壓ΔP與液體的高度 H成正比關系，而液體密度是液體組份和溫度的多元函數，當液體組份和溫度變化導致密度改變時，將引起差壓式液位測量的誤差。為此采用雙差壓法[1]，如圖 2所示。其中差壓傳感器 1用于測量未知液位高度 H 產生的差壓, 即密閉容器底部和液面上方的壓力差P1-P2=Hρg，差壓傳感器2用于測量已知液位高度h 產生的差壓, 即容器底部和液面下方取壓點的壓力差P1-P3=Hρg。

圖2 雙差壓法測量液位的原理圖

由上兩式可得

式中：H為容器內被測液面高度；h為液面下方兩固定取壓點間的垂直距離。

由上式可見, 雙差壓法可消除液位密度變化對液位測量的影響。

在測量容器或貯罐液位時，往往取壓口與變送器引壓室不在同一水平線上。當變送器安裝的位置低于取壓口時，就會把引壓管中存在的一段附加液柱壓力引到變送器內并產生測量誤差，稱為正遷移；反之，變送器安裝的位置高于取壓口的位置時，為負遷移。在實際應用中差壓變送器一般放在下取壓口的下面，由于下取壓口到變送器的正壓室的引壓管已被被測介質充滿，而上取壓口到變送器負壓室的引壓管理論上是氣相，由于液位波動或氣相冷凝會有液體聚集在負壓的引壓管內，使變送器的負壓始終受到積液壓力的影響，從而形成不穩定的零點漂移。克服零漂的有效方法是在負壓管中灌滿液體，但同時增加了附加的液柱壓力。從上、下取壓口到變送器的正負遷移相抵消一部分，余下部分為遷移，采用遷移機構或電路消除此附加壓力的影響。在實際應用中，為防止容器內液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保持負壓室的液位高度恒定，在變送器正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離罐，并充以隔離液。

差壓式液位測量，具有精度高（0.7%），漂移小，抗過載能力強等特點[8]。目前，生產差壓液位計的廠家較多。

2 超聲波法液位測量

超聲波頻率在2×104~2×1013Hz，在氣體中傳播衰減少。超聲波測量液位的方法比較多，其中應用比較廣泛的是脈沖回波法。該方法是從聲波源發出超聲波，超聲波經介質傳播到被測界面時，會在液體表面反射形成反射波，反射波被超聲波檢測器接受，測量超聲波從發射到接受所需時間，再根據介質中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度計算出液位高度，如圖3。

圖3 脈沖回波法原理圖

從圖3中可見液位的高度計算公式為：L= L0-V·t/2，式中：V為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波往返傳播時間。

超聲波的傳播速度受介質的密度、壓力、溫度、濃度等因素影響。實際應用中，可采用多個換能器，將上式中的傳播速度V抵消掉，避免超聲波傳播速度的影響。

超聲波法液位測量結構簡單，方便安裝及維護，屬于非接觸式測量，可用于有毒、腐蝕性氣體、高粘性液體的液位測量，響應時間短，具有實時性。但不宜用于含氣泡或固體顆粒的液體[2]。

3 光纖液位測量

光纖傳感器是近幾年迅速發展起來的一種新型傳感器，從根本上克服了電氣測量方法帶來的火災隱患，可用于易燃易爆的惡劣環境。其基本檢測原理是利用光學技術，發光器件發出的光通過光纖傳送到被測表面，一部分透射，另一部分被反射，反射光經光纖接收傳回，被光電器件接受，根據反射光量判定液面高度。目前國內已有許多廠家生產光纖液位計，已用于生產過程的有：雙波紋管結構光纖液位計、浮筒式光纖液位計、反射式動柵光纖液位計等。

光纖液位測量具有靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾、耐腐蝕，尤其適用于易燃易爆的惡劣環境，適用于多種液體的液位測量。其缺點是不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質的液位。

4 激光液位測量

激光本質上屬于電磁波，具有高亮度、高方向性、單色性好、高相干性的特點。激光頻率范圍6×1011~3×1016Hz，其傳播速度為光速。激光測距主要有脈沖法和相位法，用得較多是脈沖法。

激光脈沖法測量液位的原理類似于超聲波法，激光發射頭向被測液面發出激光脈沖，液面反射或散射回來的激光脈沖被激光器接收端接受，根據測得的激光脈沖往返一次所需時間Δt，由h= c ·Δ t /2(c為光速)換算得到液面高度h，在實際應用中常常在液體的表面放一個浮子。

激光液位測量是將檢測信號施加于安全功率的激光上，適用在油罐液位測量等易燃易爆的環境，具有很好的安全性，同時無活動部件，維護方便，系統抗干擾性強，價格相對較低。不足之處，光學鏡頭易受污染，影響測量結果。

5 雷達波法測量液位

雷達波法測量液位，利用喇叭狀波導管發射低功率微波（幾十微瓦），遇到被測液面后，部分微波反射回來，被同一天線接受，通過測量發射、接受的時間差來間接測量液位。

由于微波的傳播速度很快，要精確地測量雷達波的往返時間比較困難，目前采用微波脈沖法和連續波調頻法來解決。微波脈沖法的工作原理是雷達波發送器發出一系列脈沖信號，接收到的反射波與發射波進行合成，得到合成脈沖雷達波，然后通過測量發射波和反射波的頻率差間接計算脈沖波的往返時間。

雷達波法測量液位時，常采用導波管，一方面，若被測介質的相對介電常數比較小，會在物料表面產生反射和折射，使得物料表面有效的反射信號強度被衰減，嚴重時會導致無法正常工作，采用導波管，用來提高反射回波的能量，以提高測量的準確度；另一方面，導波管還可以消除由于容器的形狀而導致多種回波所產生的干擾。

由于微波在傳輸過程中受灰塵、煙霧及強光的影響很小，雷達波法測量液位可用于腐蝕性、高黏度和有毒液體的液位以及固體料位的測量，測量裝置沒有可動部件，無測量盲區，雷達波傳播速度取決于介質的相對介電常數和磁導率，因此不受溫度、壓力等影響，屬于非接觸測量，實時性好。不足之處，價格較高。

6 液位檢測技術的發展趨勢

隨著自動控制技術和傳感器技術的發展，對液位檢測技術的要求也越來越高，液位檢測的方法及相應的儀表也在不斷改進和更新，出現了很多液位測量方法，如新型電容陣列式液位傳感器[5]，利用集成開關式霍爾元件研制的一種基于串行擴展技術的液位測量傳感器[6]，采用線陣CCD通過對液面反射光斑的位置測量實現了對黏稠液體液位的精確測量[7]，利用儲罐內液體加注時所激發聲音的頻率變化進行罐體內液位的測量[3]等等。現場情況錯綜復雜，沒有哪一種檢測方法能適應所有的介質和環境，需結合實際情況和精度要求選用技術上可行、經濟上合理的測量方法。

隨著計算機應用的普及，直接輸出數字信號的數字化液位傳感器越來越受到重視，納米技術、生物工程技術的發展拓展了液位測量的方法。總之，為滿足現場液位測量要求，液位檢測技術的發展趨勢[8]，一方面新的測量原理運用，擴大檢測的手段；另一方面，檢測儀表方面向數字化、智能化，實現適時、在線、高精度的測量，提高對惡劣環境的適應能力。

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[1]江通, 胡海峰. 差壓原理液位精確測量的應用. 工業計量, 2008, 18(5).

[2]賈麗, 袁小平, 陳燁, 鄧昆, 張繼森. 常用液位檢測方法的研究. 能源技術及管理, 2009, (1).

[3]賈鵬,張杰,陳侃,童峰. 一種儲罐液位聲學測量新方法. 廈門大學學報(自然科學版), 2007, (8)

[4]聶華, 李衛, 首曉潔, 劉曉麗, 任曉峰. 差壓式液位計取壓方法的研究. 石油工程建設, 2010, (2).

[5]唐正茂,王惠玲,劉志遠,蔡春麗,崔體波. 一種電容陣列式液位傳感器的設計與實現. 傳感器與微系統,2010, (3).

[6]淮文博. 基于串行擴展技術的霍爾液位傳感器. 寶雞文理學院學報(自然科學版), 2010, (3).

[7]郭少朋, 徐魯寧, 韓立, 方光榮. 基于 CCD 的液位測量方法. 技術與應用, 2008, (2).

[8]楊朝虹, 李煥. 新型液位檢測技術的現狀與發展趨勢. 工礦自動化, 2009, (6).