· 十幾種液位測量方法

DP 液位測量解説

複雜的自動化處理系統的需求、對更嚴格的過程控制的需求，以及日益嚴格的監管環境，促使過程工程師尋求更精確和可靠的液位測量系統。提高液位測量精度，可以減少化學過程的可變性，從而提高產品品質、降低成本和減少浪費。法規，尤其是管理電子記錄的法規，對準確性、可靠性和電子報告提出了嚴格的要求。較新的液位測量技術有助於滿足這些要求。

轉變中的液位測量技術

最簡單和最古老的工業液位測量設備當然是視鏡。作為一種手動測量方法，視鏡一直存在許多限制。用於其透明性的材料可能會遭受災難性故障，隨之而來的環境污染、人員危險狀況和/或火災和爆炸。密封件容易洩漏，並且如果存在堆積物，則會掩蓋可見水準。可以毫無保留地說，傳統的視鏡是任何安裝中最薄弱的環節。因此，它們正迅速被更先進的技術所取代。

其他液位檢測設備包括基於比重的設備，比重是最常用於檢測液位表面的物理特性。比重介於工藝流體和頂部空間蒸汽之間的簡單浮子，將漂浮在表面，準確地跟隨其上升和下降。靜水壓頭測量也已廣泛用於推斷液位。

當涉及更複雜的物理原理時，新興技術通常使用電腦來執行運算。這需要以機器可讀格式，從感測器向控製或監控系統發送數據。用於電腦自動化的有用的感測器，輸出信號格式是電流迴路、類比電壓和數位信號。類比電壓易於設置和處理，但可能存在嚴重的噪聲和干擾問題。

圖 1：液位測量確定液位相對於過程流體儲存容器底部頂部的位置。可以使用多種技術，具體取決於流體的特性及其工藝條件。

最簡單和最古老的工業信號傳輸，是 4-20 mA 電流迴路（其中迴路電流隨電平測量而變化）是當今最常見的輸出機制。電流迴路可以將信號傳輸到更長的距離，而衰減更少。以多種協議（例如 Foundation Fieldbus、Hart、Honeywell DE、Profibus 和 RS-232）中的任何一種編碼的數位信號是最強大的，但 RS-232 等較舊的技術，只能處理有限的距離。在最新的發射器信號中，可以找到新的無線功能，使它們能夠遠距離發送，而幾乎沒有衰減。至於更先進的測量技術（例如，超音波、雷達和雷射），更複雜的數位編碼格式，需要數位電腦智慧來格式化代碼。將此要求與對高級通信能力和數位校準方案的需求相結合，解釋了將基於微處理器的電腦，嵌入幾乎所有液位測量產品的趨勢（見圖 1）。

成熟的液位感測技術

在整篇文章中，我們假設頂部空間中的蒸汽密度（通常是空氣）與工藝流體的密度相比，可以忽略不計。我們還將假設罐中只有一種均勻的工藝流體。其中一些技術可用於多級應用，其中兩種或多種不混溶的流體，共享一個容器。

1. 玻璃液位計。 200 多年來，玻璃儀表有多種設計可供選擇，包括鎧裝和無保護的，作為一種簡單的液位測量方法。這種設計的好處，是能夠透過透明玻璃看到真實水準。不利的一面是玻璃破裂的可能性，導致溢出或對人員的安全。

2. 浮動。浮子的工作原理很簡單，就是將比重介於工藝流體和頂部空間蒸汽之間的浮力物體放入罐中，然後連接機械裝置以讀取其位置。浮子沉到頂部空間蒸汽的底部，並漂浮在過程流體的頂部。雖然浮子本身是定位液體表面問題的基本解決方案，但讀取浮子位置（即進行實際液位測量）仍然存在問題。早期的浮子系統使用諸如電纜、膠帶、滑輪和齒輪等機械部件來傳遞液位。配備磁鐵的花車今天很受歡迎。早期的浮動液位變送器，使用電阻器和多個簧片開關網路，提供模擬或離散液位測量，這意味著變送器的輸出，以離散步長變化。與連續電平測量設備不同，它們不能區分步驟之間的電平值。

圖 2：位移液位計根據阿基米德原理運行。支撐材料柱（置換器）所需的力會隨著被置換的過程流體的重量而減小。力感測器測量支撐力並將其報告為類比信號。

靜壓裝置

3. 置換器、4. 起泡器和 5. 差壓變送器 都是靜壓測量裝置。因此，任何溫度變化都會導致液體比重發生變化，壓力變化也會影響液體上蒸汽的比重。兩者都會導致測量精度降低。置換器按照阿基米德原理工作。如圖 2 所示，一列固體材料（置換器）懸浮在容器中。置換器的密度，總是大於過程流體的密度（它將沉入過程流體中），並且它必須從所需的最低液位，延伸到至少要測量的最高液位。隨著過程流體液位的上升，該柱排出的流體體積等於該柱的橫截面積，乘以置換器中的過程流體液位。浮力等於該置換體積，乘以過程流體密度，向上推動置換器，從而減少支撐它抵抗重力拉力所需的力。與變送器相連的感測器監測力的變化，並將其與液位相關聯。

圖 3：起泡器透過測量儲存容器底部附近的靜水壓力，來感知過程流體深度。

起泡器式液位感測器如圖 3 所示。該技術用於在大氣壓下運行的容器中。其開口端靠近容器開口的汲取管，將吹掃氣體（通常是空氣，儘管當存在工藝流體污染或與工藝流體，發生氧化反應的危險時，可以使用惰性氣體如乾燥氮氣）進入罐。

當氣體向下流到浸漬管的出口時，管中的壓力會上升，直到它克服出口處液位產生的靜水壓力。壓力等於過程流體的密度，乘以其從汲取管末端到表面的深度，並由連接到管的壓力感測器監測。

圖 4：差壓感測器透過測量罐底流體與容器壓力之間的總壓差，來監測過程流體液位。

差壓 (DP) 液位感測器如圖 4 所示。基本測量值是罐底的總壓力（流體的靜水壓頭加上容器中的靜壓）與罐底的靜壓或壓頭之間的差值。血管。與起泡器一樣，流體靜壓差等於過程流體密度，乘以容器中流體的高度。圖 4 中的裝置使用大氣壓作為參考。頂部的通風口使頂空壓力與大氣壓力相等。與起泡器相比，DP 感測器可用於無排氣（加壓）容器。所需要的只是將參考端口（低壓側），連接到容器中高於最大填充水平的端口。

根據過程的物理條件，和/或變送器相對於過程連接的位置，可能仍需要液體吹掃或起泡器。

6. 稱重感測器， 稱重感測器或應變儀設備，本質上是一種機械支撐構件或支架，配備有一個或多個感測器，用於檢測支撐構件中的小變形。隨著稱重感測器上的力發生變化，支架會輕微彎曲，從而導致輸出信號發生變化。已校準的稱重感測器，具有從分數盎司到噸的力容量。要測量液位，必須將稱重感測器整合到容器的支撐結構中。隨著過程流體填充容器，稱重感測器上的力增加。知道容器的幾何形狀（特別是橫截面積）和流體的比重，將稱重感測器的已知輸出，轉換為液位是一件簡單的事情。

儘管稱重感測器因其非接觸特性，而在許多應用中具有優勢，但它們價格昂貴，並且容器支撐結構和連接管道，必須圍繞稱重感測器對浮動子結構的要求進行設計。除了所需的淨重或產品重量外，由容器支撐的容器、管道和連接結構的總重量，將由負載系統稱重。

這個總重量通常會對淨重產生非常差的調節，這意味著淨重佔總重量的百分比非常小。最後，由不均勻的加熱（例如，從早晨到傍晚的陽光）引起的支撐結構的生長可以反映為水平，側向載荷、風載荷、剛性管道和防傾覆硬體的綁定（用於底部安裝的稱重感測器），簡而言之。

圖 5：磁性液位計使用磁耦合梭來定位浮子在腔室中的位置。

7. 磁性液位計。這些儀表（參見圖 5）是視鏡的首選替代品。它們類似於浮動設備，但它們以磁性方式傳達液面位置。浮子攜帶一組強永磁體，透過兩個過程，連接件安裝在與容器相連的輔助柱（浮子室）中。該柱橫向限制浮子，使其始終靠近腔室的側壁。當浮子在液位上下移動時，磁化梭或長條圖指示隨之移動，顯示浮子的位置，從而提供液位指示。該系統只有在輔助柱和室壁由非磁性材料製成時才能工作。

許多製造商提供針對被測流體的比重優化的浮子設計，無論是丁烷、丙烷、油、酸、水還是兩種流體之間的介面，以及大量的浮子材料選擇。這意味著儀表可以處理高溫、高壓和腐蝕性流體。超大浮子室和高浮力浮子，可用於預期會堆積的應用。

腔室、法蘭和過程連接可以由工程塑料（例如 Kynar）或特殊合金（例如 Hastelloy C-276）製成。特殊的腔室配置可以處理極端條件，例如液態瀝青的蒸汽夾套、用於閃蒸應用的超大腔室、液氮和製冷劑的溫度設計。許多金屬和合金，如鈦、Incoloy 和 Monel，可用於高溫、高壓、低比重和腐蝕性流體應用的各種組合。今天的磁性液位計，還可以配備磁致伸縮和導波雷達發射器，以允許將儀表的本地指示，轉換為 4-20 mA 輸出，和可以發送到控制器，或控制系統的數位通信。

圖 6：電容式液位感測器測量，由液位變化產生的兩個板之間的電容變化。有兩種版本可供選擇，一種用於具有高介電常數 (A) 的流體，另一種用於具有低介電常數 (B) 的流體。

8. 電容變送器。這些設備（參見圖 6）的工作原理，是過程流體通常具有介電常數 ᶓ，與非常接近 1.0 的空氣或空氣顯著不同。油的介電常數為 1.8 至 5。純乙二醇為 37；水溶液在 50 到 80 之間。該技術需要隨液位變化的電容變化，由連接到變送器和過程流體的絕緣桿，或連接到變送器的非絕緣桿，和任一血管壁或參考探頭。隨著液位上升並填充更多板之間的空間，總電容會成比例地上升。稱為電容電橋的電子電路測量總電容，並提供連續的液位測量。

圖 7：磁致伸縮液位變送器使用導線中的扭轉波的速度來產生液位測量

現代技術

早期的連續液位測量技術，與現在獲得青睞的技術之間，最顯著的區別可能是使用飛行時間 (TOF) 測量，將液位轉換為常規輸出。這些設備通常通過測量液位與靠近容器頂部的感測器，或變送器處的參考點之間的距離來操作。該系統通常在參考點產生脈衝波，該脈衝波穿過蒸氣空間或導體，從液體表面反射，然後返回參考點處的拾取器。電子計時電路測量總行程時間。將傳播時間，除以波速的兩倍得出到流體表面的距離。

這些技術的主要區別，在於用於進行測量的脈衝類型。

9. 磁致伸縮液位變送器。使用包含浮子的磁鐵，來確定液位的優勢已經確立，並且磁致伸縮是一種經過驗證的技術，可以非常精確地讀取浮子的位置。磁致伸縮發射器不是機械鏈接，而是使用沿導線的扭轉波的速度，來找到浮子並報告其位置。在磁致伸縮系統中（見圖 7），浮子帶有一系列永磁體。

感測器線連接到變送器處的壓電陶瓷感測器，張力固定裝置連接到感測器管的另一端。該管要么穿過浮子中心的孔，要么在非磁性浮子室外與浮子相鄰。為了定位浮子，變送器沿感測器線，發送一個短電流脈衝，沿其整個長度建立一個磁場。同時，觸發定時電路。該場立即與浮子中的磁鐵產生的場相互作用。總體效果是，在電流流動的短暫時間內，導線中會產生扭轉力，就像超音波振動或波一樣，該力以特徵速度傳回壓電陶瓷感測器。

當感測器檢測到張力波時，它會產生一個電信號，通知定時電路該波已經到達並停止定時電路。計時電路測量電流脈沖開始，與波到達之間的時間間隔 (TOF)。根據這些資訊，浮子的位置可以非常精確地確定，並由變送器顯示為液位信號。該技術的主要優點，是信號速度是已知的，並且與溫度和壓力等過程變量保持恆定，並且信號不受泡沫、光束發散或虛假回波的影響。另一個好處，是唯一的移動部件是隨著流體表面上下浮動的浮子。

圖 8：超音波液位變送器使用聲速來計算液位

10. 超音波液位計。超音波液位感測器（參見圖 8）使用超音波脈衝從感測器傳播到流體表面，並返回 (TOF) 所需的時間，來測量感測器與表面之間的距離。這些感測器使用數十千赫茲範圍內的頻率；傳輸時間約為 6 ms/m。音速（在 15°C 的空氣中為 340 m/s，在 60°F 時為 1115 fps）取決於頂部空間中的氣體混合物及其溫度。雖然感測器溫度得到補償（假設感測器與頂部空間中的空氣溫度相同），但該技術僅限於空氣，或氮氣中的大氣壓測量。

圖 9：雷射變送器使用短脈衝雷射能量進行測量等級。

11. 雷射液位計。雷射專為散裝固體、泥漿和不透明液體（例如髒污槽、牛奶和液態苯乙烯）而設計，其工作原理與超音波液位感測器的原理非常相似。然而，他們不是使用音速來找到水準，而是使用光速（參見圖 9）。容器頂部的雷射發射器，將短脈衝光發射到工藝液體表面，將其反射回檢測器。計時電路測量經過時間 (TOF) 併計算距離。關鍵是雷射幾乎沒有光束擴散（0.2 度光束發散角）和虛假回波，並且可以引導穿過小至 2 英寸 2 的空間，即使在蒸汽和泡沫中也是如此。它們非常適合用於有許多障礙物的船隻，並且可以測量長達 1500 英尺的距離。對於高溫或高壓應用，例如在反應堆容器中，雷射器通常與專用視窗結合使用，以將變送器與過程隔離。這些玻璃窗將變送器與過程隔離。這些玻璃窗以最小的擴散和衰減，透過雷射束，並且必須包含工藝條件。

12. 雷達液位變送器。空中雷達系統從船頂的喇叭或棒狀天線，向下發射微波。信號從流體表面反射回天線，計時電路透過測量往返時間 (TOP) 來計算到液位的距離。雷達技術的關鍵變量，是液體的介電接觸。原因是微波（雷達）頻率的反射能量，取決於流體的介電常數，如果 Er 較低，則雷達的大部分能量會進入或通過。水 (Er=80) 在 Er 的變化或不連續處產生極好的反射。

圖 10：導波雷達使用波導從流體表面傳導微波能量。

導波雷達 (GWR) 發射器（參見圖 10）也非常可靠和準確。剛性探頭或柔性電纜天線系統，將微波從罐頂向下引導至液位，並返回發射器。與空中雷達一樣，從較低 Er 到較高 Er 的變化會引起反射。導波雷達的效率是空中雷達的 20 倍，因為導波器提供了更集中的能量路徑。不同的天線配置允許測量低至 ER=1.4 或更低。此外，這些系統既可以垂直安裝，也可以在某些情況下水平安裝，導軌彎曲達 90 度角，並提供清晰的測量信號。

GWR 展示了超音波、雷射和露天雷達系統的大部分優點，和很少的缺點。雷達的波速在很大程度上，不受蒸汽空間氣體成分、溫度或壓力的影響。它在真空中工作，無需重新校準，並且可以測量大多數泡沫層。將波限制在跟隨探頭或電纜，可消除光束擴散問題，以及罐壁和結構的虛假回波。

總結

不同測量技術的總體趨勢，反映了市場驅動因素。精緻的數位電子設備，使液位感測器和其他測量設備更易於使用、更可靠、更易於設置且成本更低。改進的通信介面，將液位測量數據輸入公司現有的控制和/或資訊系統。

當今的液位感測器採用越來越多的材料和合金，來應對惡劣的環境，例如油、酸以及極端溫度和壓力。新材料也有助於工藝儀器滿足特殊要求，例如用於腐蝕性應用的 PTFE 夾套材料製成的組件，和用於清潔度要求的電拋光 316 不銹鋼。由這些新材料製成的探頭，使接觸式變送器幾乎可以用於任何應用。