静压式液位计的原理及应用

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。

表3-10 物位检测仪表的分类及主要特性

如图3-91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

ΔP=P_B-P_A=ρgH （3-120）

式中，P_A、P_B分别为A、B两点的静压。由式（3-120）可知，若被测液体的密度不变，则液面的高度H跟压差ΔP成正比，如果测得被测液位与零液位点之间的压差ΔP，就可以得到当前液位值。

图3-91 静压式液位计原理

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。所以式（3-120）中P_A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3-92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3-92a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。

图3-92 压力式液位计

（2）法兰式液位变送器

压力表式液位计对于易结晶、黏度大、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。如图3-92b所示，压力表通过法兰安装在容器底部，作为敏感元件的金属膜盒通过导压管与变送器的测量室相连，把硅油封入导压管内，隔离被测介质与测量仪表，防止管路阻塞。变送器可以把液位转换为电信号或气动信号，便于液位的测控与调节。

（3）吹气式液位计

吹气式液位计一般用于测量有腐蚀性、高黏度、密度不均或含有悬浮颗粒液体的液位。如图3-92c所示，将一根吹气管插入至被测容器底部（零液位），向吹气管通入一定量的气体，通过减压阀和节流元件，最后从气管末端开口处也即容器底部逸出。因为有节流元件的稳压作用，供气量几乎不变，管内压变同步。吹气管中的压力与容器底部液柱静压力相等。通过压力计测量吹气管上端压力，可测出容器底部液柱静压力，利用静压式液位计的测量原理就可以测出液位。由于吹气式液位计的测压装置可以移至顶部，对于实际测量和维修都很方便，特别适合于测量地下储罐、深井等深度较大的场合。

2.差压式液位计

差压式液位计常用于密闭容器中的液位测量，它的优点是测量过程中可以消除液面上部气压及气压波动对测量的影响。若忽略液面上部气压及气压波动对测量的影响，可使用压力计式液位计进行测量。如图3-93所示为差压式液位计测量原理。

图3-93 差压式液位计测量原理

差压式液位计采用差压式变送器，变压器的正压室与容器底部（零液位）相连，变送器的负压室与容器上部的气体相连。可以根据液体性质选择引压方式。在实际应用中为了防止由于内外温差使气压引压管中的气体凝结成液体和防止容器内液体和气体进入变送器的取压室造成管路堵塞或腐蚀，一般在低压管中充满隔离液体。设隔离液体密度为ρ₁，被测液体的密度为ρ₂，一般有ρ₁＞ρ₂，则正、负压室的压力为(www.xing528.com)

p₁=ρ₁g（H+h₁）+p

p₂=ρ₂gh₂+p

压力平衡公式为

式中，p₁，p₂分别为引入变送器正、负压室的压力；H为液面高度；h₁，h₂分别为容器底面和工作液面距变送器的高度。

3.差压式液位变送器的零点迁移

差压式液位变送器是测量变送器两端压力之差的变送器，输出标准电信号。由于容器底面和工作液面位置不同，液位的测量存在零点迁移问题。

用差压式液位变送器测量液位时，由于差压式液位变送器安装的位置不同，正压和负压导压管内充满了液体，这些液体会使差压式液位变送器有一个固定的差压。在液位为零时，造成差压计指示不在零点，而是指示正或负的一个指示偏差。为了指示正确，消除这个固定偏差，就把零点进行向下或向上移动，也就是进行“零点迁移”。

在式（3-120）中，设B=ρ₁gh₁-ρ₂gh₂，即所谓的零点迁移量。零点迁移的目的是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应。即H=0时，变送器的输出电流为I_min（如4mA）。这种迁移包括无迁移、负迁移和正迁移三种情况，如图3-94所示。

（1）无迁移

如图3-94a所示，差压式液位变送器的正压室取压口正好与容器的最低液面处于同一水平位置，而且无隔离罐时零点迁移量为B=ρ₁gh₁-ρ₂gh₂=0，作用于变送器正负压室的压差与液面的高度的关系为

p=ρ₁gH

当H=0时，p=0，变送器的输出最小量为I₀=4mA。当H=H_max时，p=ρ₁gH_max，变送器的输出最大值I₀=20mA。

图3-94 差压式液位变送器的零点迁移

（2）负迁移

如图3-94b所示，当差压式液位变送器的正压室取压口低于容器的最低液面而且低压管中充满隔离液体，则零点迁移量为

B=ρ₁gh₁-ρ₂gh₂

当H=0时，p=B=ρ₁gh₁-ρ₂gh₂＜0，变送器的输出电流I₀＜4mA。当H=H_max时，变送器的输出最大值I₀＜20mA。通过调整迁移弹簧，是变送器的输出仍为4～20mA。与无迁移相比，负迁移特性曲线只是向负轴平移了一个固定压差ρ₂gh₂-ρ₁gh₁，也称为负迁移，迁移量为ρ₂gh₂-ρ₁gh₁。

（3）正迁移

如图3-94c所示，当变送器的安装位置低于容器的最低液位且无隔离液体时，正、负压室的压力的压差为

p=ρ₁g（H+h）

当H=0时，p=ρ₁gh₁＞0，变送器的输出电流I₀＞4mA。当H=H_max时，变送器的输出最大值I₀＞20mA。通过调整迁移弹簧，是变送器的输出仍为4～20mA。与无迁移相比，正迁移特性曲线只是向正轴平移了一个固定压差ρ₁gh，称为正迁移，迁移量为ρ₁gh。