摘要：液位检测是在火电厂设计中的一个重要问题，在火电厂运行中更是需要精确、实时的液位检测。火电厂的运行工况比较复杂，对于液位计的选型也有所不同，本文根据液位计不同的测量方式，将液位计的测量方法分为反射方式、浮力方式、压力方式和导电方式等四个方式，介绍了典型液位计的工作原理、优缺点和适用范围。
关键词：液位测量；原理；优缺点；实际应用
1.引言
液位（物位）的测量与控制，是火电厂自动化控制系统的重要组成部分。随着自动化仪表技术的发展，测量液位的方法及相应的仪表也在不断改进和更新，但没有哪一种仪表能够适应所有的介质或环境，如何根据测量要求和使用环境，在众多的仪表中选择可靠、准确、实用的液位测量仪表就显得尤为重要。本文根据液位计不同的测量方式，将液位计的测量方法分为反射方式、浮力方式、压力方式和导电方式等四个方式，介绍了典型液位计的工作原理、优缺点和适用范围。
2.基于反射方式的液位计
目前反射方式的液位计主要有雷达液位计和超声波液位计两种。它们的原理基本相同，都是通过发射——反射——接收超声波或电磁波（雷达波）的方式测量液面高度的。
2.1雷达液位计
2.1.1测量原理
雷达液位计原理是利用喇叭状波导管发射的低功率（几十微瓦）微波，遇到被测介面后部分反射回来，被发射/接收组合传感器系统接收，因电磁波的传输速度为常数，通过测量发射、接收的时间差（反射时间），则可算出液面到雷达天线的距离，从而知道液面的液位。
电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比，关系式如下：
H=CT/2 （1）
L=E-H （2）
式中，H-传感器到被测介面的距离
C-光的传播速度；
T-反射时间；
L-液位的高度；
E-传感器到容器底部的距离。
雷达液位计几乎能用于所有液体的液位测量，不受液体的密度、浓度等物理特性的影响。但雷达液位计发射的微波在液面处产生反射和折射时，反射信号强度会产生衰减，当相对介电常数小到一定值时，会使微波有效信号衰减过大，导致雷达液位计无法正常工作。因此对被测介质的相对介电常数有一定的要求，即被测介质的相对介电常数必须大于产品所要求的最小值。不同的型号有不同的要求，一般要求相对介电常数大于2（空气的介电常数为1）。
雷达液位计的安装也有许多注意事项：发射天线与被测物料的表面应垂直，天线应伸入容器内部，避免安装在容器中心和投料口，且测量通道在一定范围内应无障碍；天线与被测介质的最高界面要有一定空间（盲区）等。
图1.土耳其土耳其KARABIGA2X660MW超超临界
进口蒸汽燃煤电站项目现场使用的雷达液位计
2.1.2雷达液位计的优缺点
优点：
l）测量精度不受介质温度、压力及气体等变化的影响，可用于如高温、高压、负压、真空、蒸汽、雾状空间粉尘环境等多种环境；其最大量程可达35m（与介质介电常数、发射功率有关），介质温度可达250度（带散热装置的仪表），额定压力达6.4MPa，测量精度可达毫米级。
2）适用于高粘度、易结晶及高温、高压的介质；
3）响应时间短可以方便地实现无滞后的实时测量；
4）非接触测量，性能稳定可靠。雷达波液位检测方法可以适应的情况较多，如真空测量液位测量或料位测量。
缺点：测量油水界面困难，高精度测量系统且价格较为昂贵。
2.2超声波液位计
2.2.1测量原理
超声波液位计的原理是利用超声波探头发出的超声波脉冲，遇到介质表面后反射并被探头接收，根据发射和接收的时间差计算出液位。这是一种非接触式测量仪表，可测液体、颗粒状固体等。
超声波液位计的安装要求高，特别是超声波液位计与容器的连接部件（喉管）内部应有足够的空间，要求光滑无障碍，且喉管不能过长，探头与被测介质的最高界面要有0.8-1m的空间（盲区）。一体化超声波液位计的发射功率有限，测量范围一般应在10m以内，特别是介电常数小的介质，需要较大的发射功率。
2.2.2 超声波液位计的优缺点
优点：
1）测量精度高；
2）响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量
3）非接触测量，性能稳定可靠；
4）超声波测量方法不仅能够定点和连续测位，而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号
5）安装和维护较方便，而且结构、方法都较简单。特别是超声波能通过气体、液体或固体传播，因而有较广的适用范围。
6）价格适中
缺点：
1）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，要实现较高的精度，需要对测量方法进行相对较复杂的改进，以排除超声波速度变化所带来的于扰。例如超声波的传播速度对温度比较敏感，其变化率约为0.17%/℃、因此仪表必须采用温度补偿，但传感器与被测介面之间的温度常常是梯度变化的，而补偿只是针对传感器处的固定点进行的。
2）因反射超声波是变化的波束，仪表要对其进行存储、曲线分析、定格等，需要一定时间。所以在液位变化剧烈的环境（1cm/s及以上）应慎重采用。
3）超声波对负压、真空、蒸汽、雾状空间、狭小空间、粉尘环境很敏感，应尽量避免采用。虽然超声波对压力（大气压以上）不敏感，但压电陶瓷片的谐振对压力敏感，所以，超声波液位计较适合低压或敞口容器。因此我们可以在清水池、污水池、水箱等敞口容器使用超声波液位计。
3 基于浮力方式的液位计
浮力方式的液位计均有一个浮子（浮球或浮筒），浮子在静止液面上处于平衡状态，当液面变化时浮子随液面发生位移，电子元件以一定的方式获取浮子的位移，进而转换为液位的变化。由于电子元件接收浮子位移方式的不同，浮力方式液位计分为磁翻板液位计、磁致伸缩液位计等。
3.1 磁翻板液位计
磁翻板液位计由磁性浮子、圆柱型容器、标尺和变送器组成。浮子在容器内随液面移动，浮子的磁场作用在传感器上，传感器是一条封在不锈钢管内与被测液位等长的胶木条，上面按1cm或更小的间隔焊有众多的干簧管，当干簧管与浮子在同一高度时闭合，否则开路。这样，依据干簧管所连接的电阻的多少使变送器产生4-20mA 的电流信号，转换为液面高度。浮子移动在标尺上显示为红、白珠的翻转，指示液位。在电力设计中，我们多用于水箱等的液位测量。
图2土耳其土耳其KARABIGA2X660MW超超临界进口蒸汽燃煤电站项目现场使用的磁翻板液位计
3.2磁致伸缩式液位计
磁致伸缩液位计主要由浮子、波导管和变送器组成。变送器的电子部件产生低压电流脉冲，开始计时，产生磁场沿磁致伸缩线向下传播，浮子随着液位变化沿测量竿移动，浮子内磁铁也产生磁场，两个磁场相遇，磁致伸缩线扭曲形成扭应力波脉冲，脉冲速度已知，计算脉冲传播时间即对应液位精确变化。
磁致伸缩液位计的特点：精度高，稳定性好，使用寿命长，可多信号输出，具有反极性保护功能、防雷击、防射频干扰、结构精巧、环境适应强、应用范围广、有多参数液位测量及自校正、免维护等独特功能，尤其适用于大量程、多参数、高精度的液位测量。其测量范围最大可达 18 m，测量精度可达 0.1 ~0.5 mm，对温度变化不敏感，可同时进行多点检测。其缺点是价格较高，工作压力不能太高，并随液体的密度不同，其浮子在液体中的高度也不同，需要以实际介质进行标定。
在电力设计中，可用于高加、低加加热器等真空环境下的液位测量。
4.基于压力方式的液位计
4.1压力液位计
压力方式的液位计通过测压元件测量液体压力的方式反映液面高度，一般由变送器、传感器和压力探头组成。传感器是内置毛细软管的特殊金属杆或电缆，探头构造是一个不锈钢筒芯，底部带有膜片。探头侵入液体中，测试受到的液体静压与实际大气压之差，压差随液位变化，电子元件接收压差信号反映液位的变化，把液位转换为两线制4-20mADC信号输出，可直接显示出被测容器的液位值。根据传感器材质的不同分为杆式和缆式两种。
1）杆式压力液位计。杆式压力液位计的传感器是金属杆。其一般技术参数为，测量范围一般0~5m，输出信号：（4~20）mA，测量精度一般±0.5%。
2）缆式压力液位计。由于传感器是电缆，可以弯曲，方便搬运和装卸，所以缆式压力液位计的量程可以很大，有100m，甚至300m，其测量精度一般为±1.0%。特点：重量轻、体积小、精度高，量程范围宽，量程可调、温度漂移小、稳定性高、可靠性强、安装方便、便于维护。
4.2差压液位计
差压液位计通过检测压力差来测量液位。原理是将差压（压力）变送器测得的差压（压力）换算成液位高度。液位计有气相和液相两个取压口。气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力，转换成液面高度。
P=Hrg*10-3 （3）
式中 P-液位形成的压力；
H-液位高度；
r-介质密度；
g-标准重力加速度；
精确测量时：
P=（r液-r气）Hg*10-3 （4）
式中：r液--容器内液体的密度；
r气--容器内液体上方气体的密度。
根据气体\液体固有的物理特性，其密度r总是随温度、压力、组分的变化而变化；只是变化的量值不同罢了
差压式液位计是传统的液位测量方法，它具有简单、可靠、价格低、检定维修方便等优点。于此同时，差压式液位计还可以进行数字输出，具有精度高（0.7%）、漂移小、抗过载能力强等特点。但当介质的密度随介质的温度、压力、组分而变化时，差压式液位计会产生虚假液位，所以在介质密度变化明显的环境中不应采用。如果被测液体粘度低，密度相对恒定，（如水介质等）或被测液位的容器是敞口、或通大气容器，则首先考虑选用该方案。
5.基于导电方式的液位计
导电方式的液位计基于电学原理，通过测量电容或电阻的方式测量液位。这类液位计主要包括电容液位计、射频导纳液位计。
1）电容液位计。电容液位计采用测量电容的变化来测量液面的高低。由一根金属棒插入液体容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数和液面上气体的介电常数不同，通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。
其优点是在选型合理，安装正确的情况下可靠性较高；缺点是选型复杂，需要考虑的因素较多，因为电极、介质与容器所形成的电容主要受三种因素影响：电极与容器壁之间的距离、极面积的大小、介质的介电常数，所以在现场投产时，要以实际介质进行标定校准。
2）射频导纳液位计。射频导纳液位计是电容液位计的升级版，可以理解为用高频无线电波测量导纳。仪表工作时，仪表的传感器与灌壁及被测介质形成导纳值，物位变化时，导纳值相应变化，电路单元将测量导纳值转换成物位信号输出，实现液位的测量。该类仪表有一个突出优点：额定压力可达 6.4MPa，甚至更高，在容器内部没有可动的部件，日后维护的工作量很小。缺点是价格比较昂贵。
在电力设计中，多用于料位的测量（开关量），例如应用在除尘器的灰斗上。
6中基罗安达发电厂循环水泵房中液位计的选取
在设计中基罗安达发电厂循环水控制系统的分册中，有一个事故油池，池的横截面积只有1.5m2，按照常规设计，一般会选择雷达液位计，但这个池子的横截面积太小没有足够的空间来安装雷达液位计，即使能够安装上去，测出的数据也并不准确，而且大多数情况下，事故油池是空的，只有当机组故障时，事故油池里才会有液位显示，基于这种情况，从经济性上来说，选择较为昂贵的雷达液位计也并不合适。
此时事故油池的液位计选型原则
（1）传感器必须能适应测量污水，污水中的酸、碱及小颗粒对其测量精度和寿命没有影响。
（2）传感器测量精度高，易于安装，便于调整。
（3）液位计显示直观并有模拟输出及报警输出功能。
综上，可选择这种液位变送器体积小，安装简便，长期稳定性高，温度漂移小，具有较高的线性度的缆式压力液位计。
7结束语
本文主要介绍了当前几种常见的液位计，并按照其测量方式的不同进行了分类，同时对几种液位计的测量原理、优缺点和使用范围进行了说明。然后介绍了在做中基罗安达发电厂循环水泵房仪表控制系统分册时，是如何对事故油池的液位计进行选型的。
参考文献：
[1] 陈仕钦.关于导波雷达液位测量的应用[J].湖北电力，31（5）
[2] 杜会兵，姚艺坤.导波雷达液位计在火电厂的应用[J].科技资讯，2011（18）
[3] 贾丽，袁小平，陈烨，邓昆，张继森.常用液位检测方法的研究[J].能源技术与管理，2009（1）
[4] 杨万国，贾延刚.多种液位仪表的应用对比[J].石油工程建设，2004（2）
[5] 杨朝虹，李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势[J].工况自动化，2009（6）
论文作者:田婧,邓超,陈辰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/19
标签：液位计论文; 测量论文; 液位论文; 介质论文; 压力论文; 浮子论文; 方式论文; 《电力设备》2017年第24期论文;