电学法实现液位的自动检测和自动控制

　　电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便；便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。

　　1．电阻式液位计

　　电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。

图1　电阻式液位计

1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥

　　图1为用于连续测量的电阻式液位计原理图。该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为

　　　　　　　　（1）

　　式中，H、h为电阻棒全长及液位高度（m）；ρ为电阻棒的电阻率（Ω·m）；A为电阻棒截面积（ms²）。

　　该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。

　　这种液位计的特点是结构和线路简单，测量准确，通过在与测量臂相邻的桥臂中串接温度补偿电阻可以消除温度变化对测量的影响。但它也有一些缺点，如极棒表面生锈、极化等。另外，介质腐蚀性将会影响电阻棒的电阻大小，这些都会使测量精度受到影响。

　　2．电感式液位计

　　电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。

　　图2为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。

图2　电感式液位计

1，3-上下限线圈；2-浮子

　　电感式液位计由于浮子与介质接触，不宜于测量易结垢、腐蚀性强的液体及高粘度浆液。

　　3．电容式液位计

　　电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其他形式的物位测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不像其他方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。下面对其检测原理、测量线路及传感器安装方式作一介绍。

　　（1）检测原理

　　在液位的连续测量中，多使用同心圆柱式电容器，如图3所示。同心圆柱式电容器的电容量为

图3　同心圆柱电容器　　　　　　　　　　　　　图4　单电极电容液位计

1-内电极；2-外电极　　　　　　　　　　　　　　　　1-内电极；2-绝缘套

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7-12）

　　式中，D、d为外电极内径和内电极外径（m）；ε为两极板间介质的介电常数（F／m）；L为两极板相互重叠的长度（m）。

　　液位变化引起等效介电常数e变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。

　　（2）安装形式

　　在具体测量时，电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。

　　图4为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。

　　容器内没有液体时，内电极与容器壁组成电容器，绝缘套和空气作介电层；液面高度为日时，有液体部分由内电极与导电液体构成电容器，绝缘套作介电层。此时整个电容相当于有液体部分和无液体部分两个电容的并联。有液体部分的电容

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　无液体部分的电容

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

　　总电容

　　　　　　　　　　（4）

　　式中，、ε为空气与绝缘套组成的介电层的介电常数以及绝缘套的介电常数（F／m）；d、D、D₀为内电极、绝缘套的外径和容器的内径（m）；L为电极与容器的覆盖长度（m）。

　　液位为零时的电容

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　因此液位为H时电容变化量

　　　　　　　　　（6）

　　若D_０d，且，则式（6）中第二项可忽略，这个条件一般是容易满足的，因此有

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （7）

　　由此可以认为电容变化量与液位高度成正比。若令

　　式中，S即为液位计灵敏度。可以看出，JD与d越接近，即绝缘套越薄，灵敏度越高。

　　图5为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。液面高度为日时，整个电容等效于有液体部分和无液体部分两个电容的并联。两个电容的区别仅在于介电层不同，有液体部分的介电层由液体和绝缘套组成，设其介电常数为ε；无液体部分的介电层由空气和绝缘套组成，设其介电常数为，因此总电容

　　　　　　　　　　　　　　 （8）

　　液位为零时的电容称为零点电容，即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （9）

　　液位为H时电容变化量

　　　　　　　　　　　　　　　 （10）

图5　同轴双层电极电容式液位计

１、2-内、外电极；3-绝缘套；4-流通孔

　　式中，d、D为内电极外径和金属套内径。

　　同理，电容变化量与液位高度成正比；金属套与内电极间绝缘层越薄，液位计灵敏度就越高。

　　以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其他特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，由于ε接近ε₀，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。