液位检测技术的现状与发展趋势

葛君山

(江苏海事职业技术学院 电气工程系，南京 211170)

0 引言

液位检测包括液位信号器和连续液位测量两种。液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量，如上、下限指示，连续液位测量是对液位进行连续地测量。液位测量方法很多，有电容法、电阻法、磁致伸缩法、磁翻板法、振动法、浮子液位计法、液位开关法、安全阀法、伺服液位计法等。本文介绍了工业生产过程中常用的几种液位测量方法，并分析、比较这几种检测方法的特点，指出了液位检测的发展趋势。

1 差压式液位测量

差压法是目前最常用的测量储罐内液位的方法之一，差压式液位计测量原理图如图 1。差压计一端接液相，另一端接气相，根据流体静力学原理，P1= P2+Hρg。式中： H为液体高度；ρ为被测介质密度；g为被测当地的重力加速度。则ΔP=P1- P2=Hρg。

图1 差压式液位测量原理图

该方法只有在液体密度恒定不变的条件下,差压ΔP与液体的高度 H成正比关系，而液体密度是液体组份和温度的多元函数，当液体组份和温度变化导致密度改变时，将引起差压式液位测量的误差。为此采用双差压法[1]，如图 2所示。其中差压传感器 1用于测量未知液位高度 H 产生的差压, 即密闭容器底部和液面上方的压力差P1-P2=Hρg，差压传感器2用于测量已知液位高度h 产生的差压, 即容器底部和液面下方取压点的压力差P1-P3=Hρg。

图2 双差压法测量液位的原理图

由上两式可得

式中：H为容器内被测液面高度；h为液面下方两固定取压点间的垂直距离。

由上式可见, 双差压法可消除液位密度变化对液位测量的影响。

在测量容器或贮罐液位时，往往取压口与变送器引压室不在同一水平线上。当变送器安装的位置低于取压口时，就会把引压管中存在的一段附加液柱压力引到变送器内并产生测量误差，称为正迁移；反之，变送器安装的位置高于取压口的位置时，为负迁移。在实际应用中差压变送器一般放在下取压口的下面，由于下取压口到变送器的正压室的引压管已被被测介质充满，而上取压口到变送器负压室的引压管理论上是气相，由于液位波动或气相冷凝会有液体聚集在负压的引压管内，使变送器的负压始终受到积液压力的影响，从而形成不稳定的零点漂移。克服零漂的有效方法是在负压管中灌满液体，但同时增加了附加的液柱压力。从上、下取压口到变送器的正负迁移相抵消一部分，余下部分为迁移，采用迁移机构或电路消除此附加压力的影响。在实际应用中，为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液位高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。

差压式液位测量，具有精度高（0.7%），漂移小，抗过载能力强等特点[8]。目前，生产差压液位计的厂家较多。

2 超声波法液位测量

超声波频率在2×104~2×1013Hz，在气体中传播衰减少。超声波测量液位的方法比较多，其中应用比较广泛的是脉冲回波法。该方法是从声波源发出超声波，超声波经介质传播到被测界面时，会在液体表面反射形成反射波，反射波被超声波检测器接受，测量超声波从发射到接受所需时间，再根据介质中超声波传播速度和换能器的安装高度计算出液位高度，如图3。

图3 脉冲回波法原理图

从图3中可见液位的高度计算公式为：L= L0-V·t/2，式中：V为超声波在介质中的传播速度；t为超声波往返传播时间。

超声波的传播速度受介质的密度、压力、温度、浓度等因素影响。实际应用中，可采用多个换能器，将上式中的传播速度V抵消掉，避免超声波传播速度的影响。

超声波法液位测量结构简单，方便安装及维护，属于非接触式测量，可用于有毒、腐蚀性气体、高粘性液体的液位测量，响应时间短，具有实时性。但不宜用于含气泡或固体颗粒的液体[2]。

3 光纤液位测量

光纤传感器是近几年迅速发展起来的一种新型传感器，从根本上克服了电气测量方法带来的火灾隐患，可用于易燃易爆的恶劣环境。其基本检测原理是利用光学技术，发光器件发出的光通过光纤传送到被测表面，一部分透射，另一部分被反射，反射光经光纤接收传回，被光电器件接受，根据反射光量判定液面高度。目前国内已有许多厂家生产光纤液位计，已用于生产过程的有：双波纹管结构光纤液位计、浮筒式光纤液位计、反射式动栅光纤液位计等。

光纤液位测量具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀，尤其适用于易燃易爆的恶劣环境，适用于多种液体的液位测量。其缺点是不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质的液位。

4 激光液位测量

激光本质上属于电磁波，具有高亮度、高方向性、单色性好、高相干性的特点。激光频率范围6×1011~3×1016Hz，其传播速度为光速。激光测距主要有脉冲法和相位法，用得较多是脉冲法。

激光脉冲法测量液位的原理类似于超声波法，激光发射头向被测液面发出激光脉冲，液面反射或散射回来的激光脉冲被激光器接收端接受，根据测得的激光脉冲往返一次所需时间Δt，由h= c ·Δ t /2(c为光速)换算得到液面高度h，在实际应用中常常在液体的表面放一个浮子。

激光液位测量是将检测信号施加于安全功率的激光上，适用在油罐液位测量等易燃易爆的环境，具有很好的安全性，同时无活动部件，维护方便，系统抗干扰性强，价格相对较低。不足之处，光学镜头易受污染，影响测量结果。

5 雷达波法测量液位

雷达波法测量液位，利用喇叭状波导管发射低功率微波（几十微瓦），遇到被测液面后，部分微波反射回来，被同一天线接受，通过测量发射、接受的时间差来间接测量液位。

由于微波的传播速度很快，要精确地测量雷达波的往返时间比较困难，目前采用微波脉冲法和连续波调频法来解决。微波脉冲法的工作原理是雷达波发送器发出一系列脉冲信号，接收到的反射波与发射波进行合成，得到合成脉冲雷达波，然后通过测量发射波和反射波的频率差间接计算脉冲波的往返时间。

雷达波法测量液位时，常采用导波管，一方面，若被测介质的相对介电常数比较小，会在物料表面产生反射和折射，使得物料表面有效的反射信号强度被衰减，严重时会导致无法正常工作，采用导波管，用来提高反射回波的能量，以提高测量的准确度；另一方面，导波管还可以消除由于容器的形状而导致多种回波所产生的干扰。

由于微波在传输过程中受灰尘、烟雾及强光的影响很小，雷达波法测量液位可用于腐蚀性、高黏度和有毒液体的液位以及固体料位的测量，测量装置没有可动部件，无测量盲区，雷达波传播速度取决于介质的相对介电常数和磁导率，因此不受温度、压力等影响，属于非接触测量，实时性好。不足之处，价格较高。

6 液位检测技术的发展趋势

随着自动控制技术和传感器技术的发展，对液位检测技术的要求也越来越高，液位检测的方法及相应的仪表也在不断改进和更新，出现了很多液位测量方法，如新型电容阵列式液位传感器[5]，利用集成开关式霍尔元件研制的一种基于串行扩展技术的液位测量传感器[6]，采用线阵CCD通过对液面反射光斑的位置测量实现了对黏稠液体液位的精确测量[7]，利用储罐内液体加注时所激发声音的频率变化进行罐体内液位的测量[3]等等。现场情况错综复杂，没有哪一种检测方法能适应所有的介质和环境，需结合实际情况和精度要求选用技术上可行、经济上合理的测量方法。

随着计算机应用的普及，直接输出数字信号的数字化液位传感器越来越受到重视，纳米技术、生物工程技术的发展拓展了液位测量的方法。总之，为满足现场液位测量要求，液位检测技术的发展趋势[8]，一方面新的测量原理运用，扩大检测的手段；另一方面，检测仪表方面向数字化、智能化，实现适时、在线、高精度的测量，提高对恶劣环境的适应能力。

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[1]江通, 胡海峰. 差压原理液位精确测量的应用. 工业计量, 2008, 18(5).

[2]贾丽, 袁小平, 陈烨, 邓昆, 张继森. 常用液位检测方法的研究. 能源技术及管理, 2009, (1).

[3]贾鹏,张杰,陈侃,童峰. 一种储罐液位声学测量新方法. 厦门大学学报(自然科学版), 2007, (8)

[4]聂华, 李卫, 首晓洁, 刘晓丽, 任晓峰. 差压式液位计取压方法的研究. 石油工程建设, 2010, (2).

[5]唐正茂,王惠玲,刘志远,蔡春丽,崔体波. 一种电容阵列式液位传感器的设计与实现. 传感器与微系统,2010, (3).

[6]淮文博. 基于串行扩展技术的霍尔液位传感器. 宝鸡文理学院学报(自然科学版), 2010, (3).

[7]郭少朋, 徐鲁宁, 韩立, 方光荣. 基于 CCD 的液位测量方法. 技术与应用, 2008, (2).

[8]杨朝虹, 李焕. 新型液位检测技术的现状与发展趋势. 工矿自动化, 2009, (6).