在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測儀表扮演著越來越重要的角色，只有對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測和記錄，才能夠準(zhǔn)確的了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，確保生產(chǎn)過程的安全、高效和產(chǎn)品的可靠。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，及時(shí)獲知部分容器內(nèi)的物料高度是十分重要的，而進(jìn)行該類物位高度測量的監(jiān)測儀表就被稱為物位計(jì)。物位與溫度、壓力和流量一起統(tǒng)稱為工業(yè)生產(chǎn)過程中的四大測量參數(shù)。物位計(jì)是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的一類重要監(jiān)測儀表，關(guān)系著生產(chǎn)過程的安全和質(zhì)量。
在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中，物位可以按照被測量介質(zhì)的物理狀態(tài)的不同來進(jìn)行分類：粉狀、顆粒狀等固態(tài)介質(zhì)的高度被稱為料位，液態(tài)介質(zhì)的高度被稱為液位，兩種互不相溶、有分界面的固態(tài)或液態(tài)介質(zhì)的高度被稱為相界面，對(duì)應(yīng)的物位計(jì)分別被稱為料位計(jì)、液位計(jì)、相界面計(jì)。
近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)向自動(dòng)化、大規(guī)模方向的持續(xù)發(fā)展，工藝流程的曰趨復(fù)雜，需要使用儀器儀表進(jìn)行檢測和控制的場景也越來越多，對(duì)液位計(jì)的適用工況、測量精度、響應(yīng)速度等也提出了更高的要求。此外，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，液位計(jì)的機(jī)電一體化趨勢更加明顯，并在不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。
１，２．２液位計(jì)分類及應(yīng)用
隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的測量需要，舊式的液位測量儀表的缺陷逐漸顯露，市場上隨之出現(xiàn)了多種液位測量儀表。可以按照液位測量儀表的測量方式不同，對(duì)其進(jìn)行劃分。不同液位計(jì)的性能比較如下表所示。
（１）連通器式液位計(jì)；
連通器式液位計(jì)是指采用連通器原理來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通常采用玻璃管材質(zhì)以便于讀取液位。連通器式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，測量直觀，適合于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用。不足之處是：需要人工讀數(shù)，測量精度低；在人工讀取液位時(shí)往往需要等待連通器內(nèi)液位平穩(wěn)，致使測量耗時(shí)長、實(shí)時(shí)性差；連通器內(nèi)表面容易因沾染污物而導(dǎo)致讀取液位困難，不適用于復(fù)雜液位測量場合或自動(dòng)化程度較高的工程項(xiàng)目；玻璃材質(zhì)較為脆弱，容易發(fā)生破損。
（２）浮力式液位計(jì)；
浮力式液位計(jì)是指根據(jù)浮標(biāo)所受浮力來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通常由浮標(biāo)（或浮球、浮筒等）、傳感器和變送器組成。當(dāng)液位變化時(shí)，浮標(biāo)的位置或受到的浮力會(huì)發(fā)生變化，繼而被傳感器檢測，實(shí)現(xiàn)液位測量。浮力式液位計(jì)的
優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低。不足之處是：在部分生產(chǎn)活動(dòng)中，液位的波動(dòng)范圍可能較大，測量精度會(huì)受到影響。并且由于浮力式液位計(jì)為接觸式測量，有活動(dòng)部件，因此維護(hù)量較大，對(duì)被測介質(zhì)類型有一定限制，如粘度較低、液體內(nèi)雜質(zhì)較少、腐蝕性較小等。
根據(jù)浮標(biāo)所受的浮力是否變化，即浮標(biāo)的位置是否固定，可以分為恒浮力式液位計(jì)和變浮力式液位計(jì)［１｜］。
恒浮力式液位計(jì)：該類型液位計(jì)的浮標(biāo)漂浮在液面上，浮標(biāo)可以在較大的范圍內(nèi)跟隨待測液位的起伏而產(chǎn)生位移變化，繼而通過傳感器實(shí)現(xiàn)液位測量，該類液位計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低，適用范圍廣［１２１。變浮力式液位計(jì)（又稱浮筒式液位計(jì)）：該類型液位計(jì)的浮標(biāo)較大且與彈簧相連，浮標(biāo)浸沒的深度隨著待測液位的起伏而產(chǎn)生變化，產(chǎn)生浮力變化，使儀表內(nèi)的彈簧發(fā)生形變，繼而通過傳感器實(shí)現(xiàn)液位測量，該類液位計(jì)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)調(diào)節(jié)［１２，１３］。
（３）差壓式液位計(jì)；
差壓式液位計(jì)是指利用液體的壓力差來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通常設(shè)置有兩個(gè)取壓口：氣相取壓口和液相取壓口。由于氣相介質(zhì)密度較低，在氣相取壓口至液位處的壓力差可以忽略不計(jì)，所以兩個(gè)取壓口的壓力差即可以使為液面到液相取壓口之間液體所產(chǎn)生的靜壓力。繼而根據(jù)液體的壓力和高度關(guān)系，即可計(jì)算出待測液位。差壓式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟可靠，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于大部分常溫常壓的工況，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。不足之處是：差壓式液位計(jì)是先測量壓力再將其轉(zhuǎn)化為液位，所以測量精度必然會(huì)受到容器內(nèi)大氣溫度和壓力、容器內(nèi)介質(zhì)密度等的影響，精度較低，需要配套多種測試儀表進(jìn)行相關(guān)的密度補(bǔ)償，導(dǎo)致測量成本升高［１２１；對(duì)于一些需要大量程和遠(yuǎn)傳的測量場合，差壓式液位計(jì)的引壓管安裝較為復(fù)雜，壓力管過長會(huì)在傳輸過程中增大誤差；當(dāng)容器內(nèi)有大量的蒸汽時(shí)，蒸汽容易在氣相取壓口處冷凝成液體，造成取壓異常，從而產(chǎn)生極大的測量誤差，因此需要在氣相取壓口處安裝儲(chǔ)液罐并定期人工清理儲(chǔ)液罐，維護(hù)量較大，等等［１４］。差壓式液位計(jì)為接觸式測量，對(duì)被測介質(zhì)類型有一定限制，如粘度較低、腐蝕性較小等。
（４）伺服式液位計(jì)；
伺服式液位計(jì)是指采用浮力平衡原理來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通常采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)浮子上下移動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)使系統(tǒng)力矩平衡，使浮子在液面處受力平衡，隨液位變化而升降，繼而通過傳感器實(shí)現(xiàn)液位測量。伺服式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高（可達(dá)ｌｍｍ），可靠性高，性價(jià)比高，安裝改造維護(hù)方便，可以實(shí)現(xiàn)掛料補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳控制，并可測量兩種介質(zhì)（如油和水）的分界面，在測量儲(chǔ)罐液位，尤其是測量油田的采油廠的油水界面中得到了廣泛的應(yīng)用［１５，１６］。不足之處是：長期使用后機(jī)械活動(dòng)部件會(huì)發(fā)生磨損，產(chǎn)生較大的測量誤差。
（５）電容式液位計(jì)；
電容式液位計(jì)是指采用電容感應(yīng)原理來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)內(nèi)電容的兩極通常設(shè)為液位計(jì)金屬桿和容器壁，當(dāng)液位變化時(shí)，金屬桿電極浸潤的高度發(fā)生變化，引起兩電極間電容量的變化，繼而通過傳感器實(shí)現(xiàn)液位測量。電容式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：在原理上與溫度、濕度、壓力等因素?zé)o關(guān)，可用于高溫高壓工況的液位測量，具有較好的抗干擾性和可靠性，安裝簡單，成本低，可以用于粉狀、顆粒狀固體物料的測量，可以用于腐蝕性液體的測量，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。不足之處是：無法測量介電常數(shù)較低的液體，且如果被測介質(zhì)和液面上方氣相介質(zhì)的介電常數(shù)不穩(wěn)定會(huì)影響測量精度［１７，１８］。
（６）磁致伸縮式液位計(jì)；
磁致伸縮式液位計(jì)是指采用磁致伸縮效應(yīng)來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通常由表頭、探測桿和內(nèi)部裝有磁環(huán)的浮子組成，浮子跟隨待測液位的起伏而升降。液位計(jì)表頭部分發(fā)射的脈沖電流會(huì)沿探測桿形成一個(gè)磁場，和浮子產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生的磁場相互作用生成一個(gè)返回脈沖，通過測量發(fā)射脈沖電流和返回脈沖的時(shí)間間隔，即可計(jì)算待測液位。該類型液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：耐高溫高壓，可靠性高，安裝方便，便于安裝和維護(hù)，可用于兩種不同液體之間的界面測量，且有較高的測量精度（可達(dá)土〇．５＿）。不足之處是：不適用于強(qiáng)電磁輻射工況；不適用于對(duì)高粘度或高腐蝕性的介質(zhì)進(jìn)行測量［１９］。
（７）超聲波式液位計(jì)；
超聲波液位計(jì)是指采用超聲波回波測距原理來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)通過測量發(fā)射波和反射回波之間的時(shí)間差來計(jì)算待測液位。超聲波式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：精度較高，響應(yīng)速度快，為非接觸式測量，安裝維護(hù)方便。不足之處是：超聲波屬于機(jī)械波，傳播介質(zhì)的溫度、壓力、氣流、蒸汽和泡沫等均會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的影響；不適用于測量易揮發(fā)性介質(zhì)在密閉的環(huán)境中會(huì)發(fā)生多次反射，影響測量結(jié)果，因此不適用于復(fù)雜惡劣工況［２Ｇ］。
（８）雷達(dá)式液位計(jì)；
雷達(dá)液位計(jì)是指采用電磁波回波測距原理來進(jìn)行測量的液位計(jì)。該類液位計(jì)的表頭部分發(fā)出高頻電磁波，經(jīng)過液面的反射后產(chǎn)生回波被表頭接收，通過測量發(fā)射波和反射回波之間的時(shí)間差即可計(jì)算液位。傳播介質(zhì)的溫度、壓力、氣流和蒸汽等對(duì)電磁波信號(hào)的影響較小。雷達(dá)式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，響應(yīng)速度快，可靠性高，安裝維護(hù)方便，受空氣介質(zhì)影響極小，適用于高溫高壓等多種復(fù)雜工況［２Ｇ，２１：Ｉ。不足之處是：價(jià)格較高。
根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射電磁波的模式，可以將其分為兩類。脈沖波式雷達(dá)液位計(jì)：該類型的液位計(jì)周期性發(fā)射固定頻率的電磁波脈沖，可以直接分析發(fā)射波和反射回波的時(shí)間差，計(jì)算液位。發(fā)射的電磁波的頻率越高，測量精度也越高（量程在５ｍ內(nèi)精度可達(dá)土５＿，量程在５ｍ外精度可達(dá)±０．１％）。常見的雷達(dá)式液位計(jì)均采用脈沖波式。
調(diào)頻連續(xù)波式雷達(dá)液位計(jì)：該類型的液位計(jì)持續(xù)發(fā)射調(diào)制頻率的電磁波
（FｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ，ＦＭＣＷ），電磁波的頻率是持續(xù)變化的，按照調(diào)頻方式有三角波、鋸齒波等，通過分析反射波和反射回波的頻率差來計(jì)算時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算液位［２２］。該類型液位計(jì)的特點(diǎn)是：測量精度高（可達(dá)±０．１％），抗干擾能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，功耗和成本也更高，應(yīng)用較少。根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以將其分為兩類。天線式雷達(dá)液位計(jì)：該類型的液位計(jì)發(fā)射的電磁波在氣相介質(zhì)中進(jìn)行傳播，為非接觸式測量。天線式雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：安裝維護(hù)方便。不足之處是：電磁波在密閉罐體環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生多次反射，產(chǎn)生干擾回波影響測量精度；當(dāng)被測介質(zhì)介電常數(shù)較小（相對(duì)介電常數(shù)小于４．０）時(shí)會(huì)影響回波的強(qiáng)度，因此也不適用于介電常數(shù)較小的介質(zhì)的液位測量。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)：該類型的液位計(jì)發(fā)射的電磁波由導(dǎo)波桿進(jìn)行傳播，為接觸式測量。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：電磁波在導(dǎo)波桿中傳播，改善了天線式雷達(dá)液位計(jì)能量損耗較大的情況，回波信號(hào)質(zhì)量高，測量結(jié)果可靠性更高，適用于高溫高溫等惡劣工況下的測量，適用于介電常數(shù)較小的介質(zhì)的液位測量（相對(duì)介電常數(shù)可低至１．２）。不足之處是：對(duì)于需要較大量程的工況，導(dǎo)波桿過長會(huì)導(dǎo)致安裝和維護(hù)不便；導(dǎo)波桿在粘稠液體中容易發(fā)生掛料，影響測量精度。
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