第四節(jié)　物位檢測(cè)及儀表

一、概述

在容器中液體介質(zhì)的高低稱為液位，容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度稱為料位。測(cè)量液位的儀表稱為液位計(jì)，測(cè)量料位的儀表稱為料位計(jì)，而測(cè)量?jī)煞N密度不同液體介質(zhì)的分界面的儀表稱為界面計(jì)。上述三種儀表統(tǒng)稱為物位儀表。

物位測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中具有重要的地位。隨著現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備規(guī)模的擴(kuò)大和集中管理，特別是計(jì)算機(jī)投入運(yùn)行以后，物位的測(cè)量和遠(yuǎn)傳更顯得重要了。

通過物位的測(cè)量，可以正確獲知容器設(shè)備中所儲(chǔ)物質(zhì)的體積或質(zhì)量；監(jiān)視或控制容器內(nèi)的介質(zhì)物位，使它保持在一定的工藝要求的高度，或?qū)λ纳稀⑾孪尬恢眠M(jìn)行報(bào)警，以及根據(jù)物位來連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器中流入與流出物料的平衡。所以，一般測(cè)量物位有兩種目的，一種是對(duì)物位測(cè)量的絕對(duì)值要求非常準(zhǔn)確，借以確定容器或貯存庫(kù)中的原料、輔料、半成品或成品的數(shù)量；另一種是對(duì)物位測(cè)量的相對(duì)值要求非常準(zhǔn)確，要能迅速正確反映某一特定水準(zhǔn)面上的物料相對(duì)變化，用以連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程，即利用物位儀表進(jìn)行監(jiān)視和控制。

物位測(cè)量對(duì)安全生產(chǎn)關(guān)系十分密切。例如合成氨生產(chǎn)中銅洗塔塔底的液位控制塔底液位過高，精煉氣就會(huì)帶液，導(dǎo)致合成塔觸媒中毒；反之，如果液位過低時(shí)，會(huì)失去液封作用，發(fā)生高壓氣沖入再生系統(tǒng)，造成嚴(yán)重事故。

工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)物位儀表的要求多種多樣，主要的有精度、量程、經(jīng)濟(jì)和安全可靠等方面。其中首要的是安全可靠。測(cè)量物位儀表的種類很多。按其工作原理主要有下列幾種類型。

（1）直讀式物位儀表　這類儀表中主要有玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)等。

（2）差壓式物位儀表　它又可分為壓力式物位儀表和差壓式物位儀表，利用液柱或物料堆積對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生壓力的原理而工作。

（3）浮力式物位儀表　利用浮子（或稱沉筒）高度隨液位變化而改變或液體對(duì)浸沉于液體中的浮子的浮力隨液位高度而變化的原理工作。它又可分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式的幾種。

（4）電磁式物位儀表　使物位的變化轉(zhuǎn)換為一些電量的變化，通過測(cè)出這些電量的變化來測(cè)知物位。它可以分為電阻式（即電極式）、電容式和電感式物位儀表等。還有利用壓磁效應(yīng)工作的物位儀表。

（5）輻射式物位儀表　利用輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理而工作的，目前應(yīng)用較多的是γ射線。

（6）聲波式物位儀表　由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測(cè)出這些變化就可測(cè)知物位。所以聲波式物位儀表可以根據(jù)它的工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。

（7）光學(xué)式物位儀表　利用物位對(duì)光波的遮斷和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白熾燈光或激光等。

此外還有微波式、機(jī)械接觸式等以適應(yīng)各種不同的檢測(cè)要求，表3-5給出了常見液位計(jì)及特性。

下面重點(diǎn)介紹差壓式液位計(jì)，并簡(jiǎn)單介紹幾種其他類型的物位測(cè)量?jī)x表。

二、差壓式液位變送器

利用差壓或壓力變送器可以很方便地測(cè)量液位，且能輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流或氣壓信號(hào)，有關(guān)變送器的原理及結(jié)構(gòu)已在第二節(jié)里介紹，此處只著重討論其應(yīng)用。

1.工作原理

差壓式液位變送器，是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的，如圖3-37所示。

將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相。設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p，則

p₁=p+Hρg　　（3-44）

　　　　　　　　　　　　　　　　 p₂=p　?。?-45）

因此可得

Δp=p₁-p₂=Hρg

式中，H為液位高度；ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度；p₁，p₂分別為差壓變送器正、負(fù)壓室的壓力。

通常，被測(cè)介質(zhì)的密度是已知的。差壓變送器測(cè)得的差壓與液位高度成正比。這樣就把測(cè)量液位高度轉(zhuǎn)換為測(cè)量差壓的問題了。

當(dāng)被測(cè)容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時(shí)，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號(hào)，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖3-38所示，根據(jù)壓力p與液位H成正比的關(guān)系，可直接在壓力表上按液位進(jìn)行刻度。

2.零點(diǎn)遷移問題

在使用差壓變送器測(cè)量液位時(shí)，一般來說，其壓差Δp與液位高度H之間有如下關(guān)系

Δp=Hρg　　        （3-46）

這就屬于一般的“無遷移”情況。當(dāng)H=0時(shí)，作用在正、負(fù)壓室的壓力是相等的。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，往往H與Δp之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不那么簡(jiǎn)單。例如圖3-39所示，為防止容器內(nèi)液體和氣體進(jìn)入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保持負(fù)壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝有隔離罐，并充以隔離液。若被測(cè)介質(zhì)密度為ρ₁，隔離液密度為ρ₂（通常ρ₂>ρ₁），這時(shí)正、負(fù)壓室的壓力分別為

p₁=h₁ρ₂g+Hρ₁g+p₀　　        （3-47）

p₂=h₂ρ₂g+p₀　　        （3-48）

正、負(fù)壓室間的壓差為

p₁-p₂=Hρ₁g+h₁ρ₂g-h₂ρ₂g

即

        Δp=Hρ₁g-（h₂-h₁）ρ₂g　?。?-49）

式中，Δp為變送器正、負(fù)壓室的壓差；H為被測(cè)液位的高度；h₁為正壓室隔離罐液位到變送器的高度；h₂為負(fù)壓室隔離罐液位到變送器的高度。

將式（3-49）與式（3-46）相比較，就知道這時(shí)壓差減少了（h₂-h₁）ρ₂g一項(xiàng)，也就是說，當(dāng)H=0時(shí)，Δp=-（h₂-h₁）ρ₂g，對(duì)比無遷移情況，相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定數(shù)值為（h₂-h₁）ρ₂g。假定采用的是DDZ-Ⅲ型差壓變送器，其輸出范圍為4～20mA的電流信號(hào)。在無遷移時(shí)，H=0，Δp=0，這時(shí)變送器的輸出I_o=4mA；H=H_max，Δp=Δp_max，這時(shí)變送器的輸出I_o=20mA。但是有遷移時(shí)，根據(jù)式（3-49）可知，由于有固定差壓的存在，當(dāng)H=0時(shí)，變送器的輸入小于0，其輸出必定小于4mA；當(dāng)H=H_max時(shí)，變送器的輸入小于Δp_max，其輸出必定小于20mA。為了使儀表的輸出能正確反映出液位的數(shù)值，也就是使液位的零值與滿量程能與變送器輸出的上、下限值相對(duì)應(yīng)，必須設(shè)法抵消固定壓差（h₂-h₁）ρ₂g的作用，使得當(dāng)H=0時(shí)，變送器的輸出仍然回到4mA，而當(dāng)H=H_max時(shí)，變送器的輸出能為20mA。采用零點(diǎn)遷移的辦法就能夠達(dá)到此目的，即調(diào)節(jié)儀表上的遷移彈簧，以抵消固定壓差（h₂-h₁）ρ₂g的作用。

這里遷移彈簧的作用，其實(shí)質(zhì)是改變變送器的零點(diǎn)。遷移和調(diào)零都是使變送器輸出的起始值與被測(cè)量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。

遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上、下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，它不改變量程的大小。例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為0～5000Pa，當(dāng)壓差由0變化到5000Pa時(shí)，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖3-40中曲線a所示。當(dāng)有遷移時(shí)，假定固定壓差為（h₂-h₁）ρ₂g=2000Pa，那么H=0時(shí)，根據(jù)式（3-49）有Δp=-（h₂-h₁）ρ₂g=-2000Pa，這時(shí)變送器的輸出應(yīng)為4mA；H為最大時(shí)，Δp=Hρ₁g-（h₂-h₁）ρ₂g=5000-2000=3000Pa，這時(shí)變送器輸出應(yīng)為20mA，如圖3-40中曲線b所示。也就是說，Δp從-2000Pa到3000Pa變化時(shí)，變送器的輸出應(yīng)從4mA變化到20mA。它維持原來的量程（5000Pa）大小不變，只是向負(fù)方向遷移了一個(gè)固定壓差值［（h₂-h₁）ρ₂g=2000Pa］。這種情況稱之為負(fù)遷移。

由于工作條件的不同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)正遷移的情況，如圖3-41所示，如果p₀=0，經(jīng)過分析可以知道，當(dāng)H=0時(shí)，正壓室多了一項(xiàng)附加壓力hρg，或者說H=0時(shí)，Δp=hρg，這時(shí)變送器輸出應(yīng)為4mA，畫出此時(shí)變送器輸出和輸入壓差之間的關(guān)系，就如同圖3-40中曲線c所示。

3.用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位

為了解決測(cè)量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如圖3-42所示。作為敏感元件的測(cè)量頭1（金屬膜盒），經(jīng)毛細(xì)管2與變送器3的測(cè)量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測(cè)量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測(cè)介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器，以免堵塞。

法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式又分為單法蘭式及雙法蘭式兩種。容器與變送器間只需一個(gè)法蘭將管路接通的稱為單法蘭差壓變送器，而對(duì)于上端和大氣隔絕的閉口容器，因上部空間與大氣壓力多半不等，必須采用兩個(gè)法蘭分別將液相和氣相壓力導(dǎo)至差壓變送器，如圖3-42所示，這就是雙法蘭差壓變送器。

三、電容式物位傳感器

1.測(cè)量原理

在電容器的極板之間，充以不同介質(zhì)時(shí)，電容量的大小也有所不同。因此，可通過測(cè)量電容量的變化來檢測(cè)液位、料位和兩種不同液體的分界面。

圖3-43是由兩個(gè)同軸圓柱極板1、2組成的電容器，在兩圓筒間充以介電系數(shù)為ε的介質(zhì)時(shí)，則兩圓筒間的電容量表達(dá)式為

　?。?-50）

式中，L為兩極板相互遮蓋部分的長(zhǎng)度；d、D為圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑；ε為中間介質(zhì)的介電常數(shù)。

所以，當(dāng)D和d一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長(zhǎng)度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被測(cè)物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起其電容量的變化，從而可檢測(cè)出物位。

2.液位的檢測(cè)

對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量的電容式液位傳感器原理如圖3-44所示。它由內(nèi)電極1和一個(gè)與它相絕緣的同軸金屬套筒做的外電極2所組成，外電極2上開很多小孔4，使介質(zhì)能流進(jìn)電極之間，內(nèi)外電極用絕緣套3絕緣。當(dāng)液位為零時(shí)，儀表調(diào)整零點(diǎn)（或在某一起始液位調(diào)零也可以），其零點(diǎn)的電容為

　　（3-51）

式中，ε₀為空氣介電系數(shù)；D、d分別為外電極內(nèi)徑及內(nèi)電極外徑。

當(dāng)液位上升為H時(shí)，電容量變?yōu)?/p>

　　（3-52）

電容量的變化為

　　（3-53）

因此，電容量的變化與液位高度H成正比。式（3-53）中的K_i為比例系數(shù)。K_i中包含（ε-ε₀），也就是說，這個(gè)方法是利用被測(cè)介質(zhì)的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε₀不等的原理工作的。（ε-ε₀）值越大，儀表越靈敏。實(shí)際上與電容器兩極間的距離有關(guān)，D與d越接近，即兩極間距離越小，儀表靈敏度越高。

上述電容式液位計(jì)在結(jié)構(gòu)上稍加改變以后，也可以用來測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的液位。

3.料位的檢測(cè)

用電容法可以測(cè)量固體塊狀　顆粒體及粉料的料位。

由于固體間磨損較大，容易“滯留”，所以一般不用雙電極式電極?？捎秒姌O棒及容器壁組成電容器的兩極來測(cè)量非導(dǎo)電固體料位。

圖3-45所示為用金屬電極棒插入容器來測(cè)量料位的示意圖。它的電容量變化與料位升降的關(guān)系為

　?。?-54）

式中，D、d分別為容器的內(nèi)徑和電極的外徑；ε、ε₀分別為物料和空氣的介電系數(shù)。

電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。但由于電容變化量不大，要精確測(cè)量，就需借助于較復(fù)雜的電子線路才能實(shí)現(xiàn)。此外，還應(yīng)注意介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)，其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這一情況，以便及時(shí)調(diào)整儀表，達(dá)到預(yù)想的測(cè)量目的。

四、核輻射物位計(jì)

放射性同位素的輻射線射入一定厚度的介質(zhì)時(shí)，部分粒子因克服阻力與碰撞動(dòng)能消耗被吸收，另一部分粒子則透過介質(zhì)。射線的透射強(qiáng)度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱。入射強(qiáng)度為I₀的放射源，隨介質(zhì)厚度增加其強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為

I=I₀e^-μH　　（3-55）

式中，μ為介質(zhì)對(duì)放射線的吸收系數(shù)；H為介質(zhì)層的厚度；I為穿過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度。

不同介質(zhì)吸收射線的能力是不一樣的。一般來說，固體吸收能力最強(qiáng)，液體次之，氣體則最弱。當(dāng)放射源已經(jīng)選定，被測(cè)的介質(zhì)不變時(shí)，則I₀與μ都是常數(shù)，根據(jù)式（3-55），只要測(cè)定通過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I，介質(zhì)的厚度H就知道了。介質(zhì)層的厚度，在這里指的是液位或料位的高度，這就是放射線檢測(cè)物位法。

圖3-46是核輻射物位計(jì)的原理示意圖。輻射源1射出強(qiáng)度為I₀的射線，接收器2用來檢測(cè)透過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I，再配以顯示儀表就可以指示物位的高低了。

這種物位儀表由于核輻射線的突出特點(diǎn)，能夠透過鋼板等各種物質(zhì)，因而可以完全不接觸被測(cè)物質(zhì)，適用于高溫、高壓容器、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)的物位測(cè)量，還可以測(cè)量高溫融熔金屬的液位。由于核輻射線特性不受溫度、濕度、壓力、電磁場(chǎng)等影響，所以可在高溫、煙霧、塵埃、強(qiáng)光及強(qiáng)電磁場(chǎng)等環(huán)境下工作。但由于放射線對(duì)人體有害，它的劑量要加以嚴(yán)格控制，所以使用范圍受到一些限制。

五、光纖式液位計(jì)

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益廣泛。在液位測(cè)量中，光纖傳感技術(shù)的有效應(yīng)用，一方面緣于其高靈敏度，另一方面是由于它具有優(yōu)異的電磁絕緣性能和防爆性能，從而為易燃易爆介質(zhì)的液位測(cè)量提供了安全的檢測(cè)手段。

1.全反射型光纖液位計(jì)

全反射型光纖液位計(jì)由液位敏感元件、傳輸光信號(hào)的光纖、光源和光檢測(cè)元件等組成。圖3-47所示為光纖液位傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。棱鏡作為液位的敏感元件，它被燒結(jié)或粘接在兩根大芯徑石英光纖的端部。這兩根光纖中的一根光纖與光源耦合，稱為發(fā)射光纖；另一根光纖與光電元件耦合，稱為接收光纖。棱鏡的角度設(shè)計(jì)必須滿足以下條件：當(dāng)棱鏡位于氣體（如空氣）中時(shí)，由光源經(jīng)發(fā)射光纖傳到棱鏡與氣體介面上的光線滿足全反射條件，即入射光線被全部反射到接收光纖上，并經(jīng)接收光纖傳送到光電檢測(cè)單元中；而當(dāng)棱鏡位于液體中時(shí)，由于液體折射率比空氣大，入射光線在棱鏡中全反射條件被破壞，其中一部分光線將透過界面而泄漏到液體中去，致使光電檢測(cè)單元收到的光強(qiáng)減弱。

設(shè)光纖折射率為n₁，空氣折射率為n₂，液體折射率為n₃，光入射角為Φ₁，入射光功率為P_i，則單根光纖對(duì)端面分別裸露在空氣中時(shí)和淹沒在液體中時(shí)的輸出光功率P_o1和P_o2分別為

二者差值為

ΔP_o=P_o1-P_o2=P_i（E_o1-E_o2）　?。?-56）

由式（3-56）可知，只要檢測(cè)出有差值ΔP_o，便可確定光纖是否接觸液面。

由上述工作原理可以看出，這是一種定點(diǎn)式的光纖液位傳感器，適用于液位的測(cè)量與報(bào)警，也可用于不同折射率介質(zhì)（如水和油）的分界面的測(cè)定。另外，根據(jù)溶液折射率隨濃度變化的性質(zhì)，還可以用來測(cè)量溶液的濃度和液體中小氣泡含量等。若采用多頭光纖液面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)，便可實(shí)現(xiàn)液位的多點(diǎn)測(cè)量，如圖3-48所示。

由圖3-48可見，在大貯水槽6中，貯水深度為H，5為垂直放置的管狀支撐部件，其直徑很細(xì)，側(cè)面穿很多孔，圖中所示是采用了多頭結(jié)構(gòu)1-1'，2-2'，3-3'和4-4'。如圖3-48所示的同樣光纖對(duì)，分別固定在支撐件5內(nèi)，距底部高度分別為H₁，H₂，H₃，H₄各位置。入射光纖1，2，3和4均接到發(fā)射光源上，虛線1'，2'，3'和4'表示出射光纖，分別接到各自光電探測(cè)器上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，顯示其液位高度。

光源發(fā)出的光分別向入射光纖1，2，3和4送光，因?yàn)榻Y(jié)合部3和4位于水中，而結(jié)合部1和2位于空氣中，所以光電探測(cè)器的檢測(cè)裝置從出射光纖1'和2'所檢測(cè)到的光強(qiáng)大，而對(duì)出射光纖3'和4'所檢測(cè)的光強(qiáng)就小。由此可以測(cè)得水位H位于H₂和H₃之間。

為了提高測(cè)量精度，可以多安裝一些光纖對(duì)，由于光纖很細(xì)，故其結(jié)構(gòu)體積可做得很小。安裝也容易，并可以遠(yuǎn)距離觀測(cè)。 

由于這種傳感器還具有絕緣性能好，抗電磁干擾和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，故可用于易燃易爆或具有腐蝕性介質(zhì)的測(cè)量。但應(yīng)注意，如果被測(cè)液體對(duì)敏感元件（玻璃）材料具有黏附性，則不宜采用這類光纖傳感器，否則當(dāng)敏感元件露出液面后，由于液體黏附層的存在，將出現(xiàn)虛假液位，造成明顯的測(cè)量誤差。 

2.浮沉式光纖液位計(jì)

浮沉式光纖液位計(jì)是一種復(fù)合型液位測(cè)量?jī)x表，它由普通的浮沉式液位傳感器和光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成，主要包括機(jī)械轉(zhuǎn)換部分、光纖光路部分和電子電路部分，其工作原理及檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-49所示。

（1）機(jī)械轉(zhuǎn)換部分　這一部分由浮子4、重錘3、鋼索2及計(jì)數(shù)齒盤1組成，其作用是將浮子隨液位上下變動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)。當(dāng)液位上升時(shí)，浮子上升而重錘下降，經(jīng)鋼索帶動(dòng)計(jì)數(shù)齒盤順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的齒數(shù)；反之，若液位下降，則計(jì)數(shù)齒盤逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的齒數(shù)。通常，總是將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)計(jì)成液位變化一個(gè)單位高度（如1cm和1mm）時(shí)，齒盤轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。

（2）光纖光路部分　這一部分由光源5（激光器或發(fā)光二極管）、等強(qiáng)度分束器7、兩組光纖光路和兩個(gè)相應(yīng)的光電元件10（光電二極管）等組成。兩組光纖分別安裝在齒盤上下兩邊，每當(dāng)齒盤轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，上下光纖光路就被切斷一次，各自產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的光脈沖信號(hào)。由于對(duì)兩組光纖的相對(duì)位置做了特別的安排，從而使得兩組光纖光路產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)在時(shí)間上有一很小的相位差。通常，導(dǎo)先的脈沖信號(hào)用做可逆計(jì)數(shù)器的加、減指令信號(hào)，而另一光纖光路的脈沖信號(hào)用做計(jì)數(shù)信號(hào)。

如圖3-49所示，當(dāng)液位上升時(shí)，齒盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)是上面一組光纖光路先導(dǎo)通，即該光路上的光電元件先接收到一個(gè)光脈沖信號(hào)，那么該信號(hào)經(jīng)放大和邏輯電路判斷后，就提供給可逆計(jì)數(shù)器作為加法指令（高電位）。緊接著導(dǎo)通的下一組光纖光路也輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)同樣經(jīng)放大和邏輯電路判斷后提供給可逆計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)運(yùn)算，使計(jì)數(shù)器加1。相反，當(dāng)液位下降時(shí)，齒盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)先導(dǎo)通的是下面一組光纖光路，該光路輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)放大和邏輯電路判斷后提供給可逆計(jì)數(shù)器作減法指令（低電位），而另一光路的脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)信號(hào)，使計(jì)數(shù)器減1。這樣。每當(dāng)計(jì)數(shù)齒盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，計(jì)數(shù)器就加1；計(jì)數(shù)齒盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，計(jì)數(shù)器就減1，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)與光電脈沖信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。 

（3）電子電路部分　該部分由光電轉(zhuǎn)換及放大電路、邏輯控制電路、可逆計(jì)數(shù)器及顯示電路等組成。光電轉(zhuǎn)換及放大電路主要是將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，再對(duì)信號(hào)加以放大。邏輯控制電路的功能是對(duì)兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行判別，將先輸入的一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“高電位”或“低電位”，并輸出送至可逆計(jì)數(shù)器的加減法控制端，同時(shí)將另一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。每當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器加1（或減1），顯示電路則顯示液位升高（或降低）1個(gè)單位（1cm或1m）高度。

浮沉式光纖液位計(jì)可用于液位的連續(xù)測(cè)量，而且能做到液體儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)無電源、無電信號(hào)傳送，因而特別適用于易燃易爆介質(zhì)的液位測(cè)量，屬本質(zhì)安全型測(cè)量?jī)x表。

六、稱重式液罐計(jì)量?jī)x

在石油、化工部門，有許多大型貯罐，由于高度與直徑都很大，即使液位變化1～2mm，就會(huì)有幾百公斤到幾噸的差別，所以液位的測(cè)量要求很精確。同時(shí)，液體（例如油品）的密度會(huì)隨溫度發(fā)生較大的變化，而大型容器由于體積很大，各處溫度很不均勻，因此即使液位（即體積）測(cè)得很準(zhǔn)，也反映不了罐中真實(shí)的質(zhì)量?jī)?chǔ)量有多少。利用稱重式液罐計(jì)量?jī)x，就能基本上解決上述問題。

稱重儀是根據(jù)天平原理設(shè)計(jì)的。它的原理圖示于圖3-50。罐頂壓力p₁與罐底壓力p₂分別引至下波紋管1和上波紋管2。兩波紋管的有效面積A₁相等，差壓引入兩波紋管，產(chǎn)生總的作用力，作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿失去平衡，于是通過發(fā)訊器、控制器、接通電機(jī)線路，使可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通過絲杠6帶動(dòng)砝碼5移動(dòng)，直至由砝碼作用于杠桿的力矩與測(cè)量力（由壓差引起）作用于杠桿的力矩平衡時(shí)，電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。下面推導(dǎo)在杠桿系統(tǒng)平衡時(shí)砝碼離支點(diǎn)的距離L₂與液罐中總的質(zhì)量?jī)?chǔ)量之間的關(guān)系。

杠桿平衡時(shí)，有

（p₂-p₁）A₁L₁=MgL₂　?。?-57）

式中，M為砝碼質(zhì)量；g為重力加速度；L₁、L₂為杠桿臂長(zhǎng)；A₁為紋波管有效面積。

由于

p₂-p₁=Hρg

代入式（3-57），就有

　?。?-58）

式中，ρ為被測(cè)介質(zhì)密度；K為儀表常數(shù)。

如果液罐是均勻截面，其截面積為A，于是液罐內(nèi)總的液體儲(chǔ)量M₀為

M₀=ρHA　　（3-59）

即        

　?。?-60）

將式（3-60）代入式（3-58），得

　?。?-61）

因此，砝碼離支點(diǎn)的距離L₂與液罐單位面積儲(chǔ)量成正比。如果液罐的橫截面積A為常數(shù)，則可得

L₂=K_iM₀　?。?-62）

式中        

　?。?-63）

由此可見，L₂與液罐內(nèi)介質(zhì)的總質(zhì)量?jī)?chǔ)量M₀成比例，而與介質(zhì)密度無關(guān)。

如果儲(chǔ)罐橫截面積隨高度而變化，一般是預(yù)先制好表格，根據(jù)砝碼位移量L₂就可以查得儲(chǔ)存液體的質(zhì)量。

由于砝碼移動(dòng)距離與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)成比例，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)減速帶動(dòng)編碼盤8轉(zhuǎn)動(dòng)，因此編碼盤的位置與砝碼位置是對(duì)應(yīng)的，編碼盤發(fā)出編碼信號(hào)到顯示儀表，經(jīng)譯碼和邏輯運(yùn)算后用數(shù)字顯示出來。

由于稱重儀是按天平平衡原理工作的，因此具有很高的精度和靈敏度。當(dāng)罐內(nèi)液體受組分、溫度等影響，密度變化時(shí)，并不影響儀表的測(cè)量精度。該儀表可以用數(shù)字直接顯示，顯示醒目，并便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或進(jìn)行控制。

七、物位測(cè)量?jī)x表的選型

物位測(cè)量?jī)x表的選型原則如下。

（1）液面和界面測(cè)量應(yīng)選用差壓式儀表、浮筒式儀表和浮子式儀表。當(dāng)不滿足要求時(shí)，可選用電容式、射頻導(dǎo)納式、電阻式（電接觸式）、聲波式、磁致伸縮式等儀表。

料面測(cè)量應(yīng)根據(jù)物料的粒度、物料的安息角、物料的導(dǎo)電性能、料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式及測(cè)量要求進(jìn)行選擇。

（2）儀表的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性來選擇。主要的考慮因素為壓力、溫度、腐蝕性、導(dǎo)電性；是否存在聚合、黏稠、沉淀、結(jié)晶、結(jié)膜、汽化、起泡等現(xiàn)象；密度和密度變化；液體中含懸浮物的多少；液面擾動(dòng)的程度以及固體物料的粒度。

（3）儀表的顯示方式和功能，應(yīng)根據(jù)工藝操作及系統(tǒng)組成的要求確定。當(dāng)要求信號(hào)傳輸時(shí)，可選擇具有模擬信號(hào)輸出功能或數(shù)字信號(hào)輸出功能的儀表。

（4）儀表量程應(yīng)根據(jù)工藝對(duì)象實(shí)際需要顯示的范圍或?qū)嶋H變化范圍確定。除供容積計(jì)量用的物位儀表外，一般應(yīng)使正常物位處于儀表量程的50%左右。

（5）儀表精確度應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇。但供容積計(jì)量用的物位儀表的精確度應(yīng)不劣于±1mm。

（6）用于可燃性氣體、蒸汽及可燃性粉塵等爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電子式物位儀表，應(yīng)根據(jù)所確定的危險(xiǎn)場(chǎng)所類別以及被測(cè)介質(zhì)的危險(xiǎn)程度，選擇合適的防爆結(jié)構(gòu)形式或采取其他的防爆措施。

液面、界面、料面測(cè)量?jī)x表選型推薦表如表3-6所示。