在化工、油氣、食品等行業(yè)中，經(jīng)常需要測量不同液體之間的分界面的高度，從而精確控制反應(yīng)過程、原料儲量等。
MTS傳感器部門生產(chǎn)的Level Plus系列液位計采用MTS特有的Temposonics?磁致伸縮傳感技術(shù)，配合特定密度的磁性浮子，可對不同液體的分界面高度進(jìn)行精確測量。
市場上測量液體分界面高度的產(chǎn)品群雄逐鹿，招式各有千秋，小編將一一細(xì)數(shù)，看看哪種測量原理能拔得頭籌!
一、射頻導(dǎo)納液位計(電容液位計)
射頻導(dǎo)納液位計的傳感器是一根帶特氟龍涂層的金屬桿或者柔性金屬纜，需要插入被測液體內(nèi)。這樣金屬桿(纜)和容納被測液體的金屬罐壁之間就會產(chǎn)生電容，這個電容在射頻電路(頻率達(dá)到300Ghz)下被放大到足夠測量的電導(dǎo)納值。如果被測液體分層后形成上層油下稱水的分層，那么會形成C1、C2和C3三個電容值。因為水的導(dǎo)電性能使C3的值最大，則射頻導(dǎo)納液位計測量得到的電容值主要取決于C3的值。因此水位的高度就和C3的值幾乎成正比例關(guān)系。
根據(jù)以上測量原理，射頻導(dǎo)納測量分界面的必要條件和局限性：
1、 上層液體不能導(dǎo)電，如苯、碳?xì)浠衔锏?下層被測液體必須是導(dǎo)電液體，如普通水或者水溶液。
2、 對分界面測量精度要求不高。因為上層油的高度和被測罐體的形狀等都會被測精度影響。
二、導(dǎo)波雷達(dá)液位計
導(dǎo)波雷達(dá)液位計的傳感器也是金屬桿或者金屬纜插入被測液體內(nèi)。液位計的電子頭發(fā)射雷達(dá)波脈沖。雷達(dá)波脈沖會沿著金屬桿或者金屬纜朝向被測液體傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)介電常數(shù)發(fā)生變化位置時會產(chǎn)生反射。液位計電子頭計算發(fā)射雷達(dá)波脈沖和接受雷達(dá)波脈沖的時間差來確定被測液位的高度。如下圖，如果被測液體上層油下稱水，則雷達(dá)波分別在從空氣進(jìn)入油的時候、以及從油進(jìn)入水的時候分別發(fā)生反射。
從導(dǎo)波雷達(dá)的測量原理可知其測量分界面的必要條件：
1、 雷達(dá)波發(fā)生反射的必要條件是介電常數(shù)發(fā)生變化。如果介電常數(shù)的變化很小的話，雷達(dá)波的反射信號也很小以至于無法測量。因此導(dǎo)波雷達(dá)測量分界面要求下層液體的介電常數(shù)比上層液體的要大得多。而介電常數(shù)的大小一般無法通過常規(guī)手段測量，而且介電常數(shù)大小很容易受到環(huán)境溫度、電磁頻率、罐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)等影響。這就決定了無法輕易判斷導(dǎo)波雷達(dá)能否和應(yīng)用環(huán)境相適應(yīng)。
2、 為了保持雷達(dá)波穿過上層液體后還有足夠的能量在分界面上還能產(chǎn)生反射，一般要求傳感器是一個同軸結(jié)構(gòu)。上圖是導(dǎo)波雷達(dá)測量分界面的安裝要求，左邊是導(dǎo)波雷達(dá)的測量桿和測量筒是一個同軸結(jié)構(gòu)，右圖中導(dǎo)波雷達(dá)的測量桿安裝在一個布滿倒液孔的測量管內(nèi)。同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)外的分界面變化有時無法真正同步會導(dǎo)致測量誤差。而且粘性較大的液體會粘連在同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)干擾測量。
3、 如果要精確測量被測液體分界面必須知道上層液體的具體介電常數(shù)。因為雷達(dá)波穿過空氣的速度是光速，而穿過上層液體的速度小于光速且和其介電常數(shù)成反比。因為介電常數(shù)不容易測量且善變，因此導(dǎo)波雷達(dá)很難精確測量分界面高度。
三、浮筒液位計
浮筒液位計測量分界面一般安裝在罐體的側(cè)面，把被測液體通過兩個法蘭口從被測罐引入測量筒內(nèi)，同時測量通內(nèi)還有一個浮子通過一些機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子頭相連。通過測量浮子受到浮力的變化來感應(yīng)測量筒內(nèi)液體的平均密度，從而評估出被測分界面的高度(假定測量筒內(nèi)只有兩種液體)。浮筒液位計不要求被測液體的導(dǎo)電性和介電常數(shù)。
根據(jù)浮筒液位計的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其測量分界面的必要條件和局限：
1、 只能安裝在被測罐體側(cè)面，且保證測量筒內(nèi)沒有空氣。
2、 為了保證測量的精度必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，因為浮子到電子頭之間的力傳輸結(jié)構(gòu)會隨著時間而偏移設(shè)定。
3、 因為測量筒的狹小結(jié)構(gòu)，被測液體中的固體或者粘性物質(zhì)會使浮子卡在測量筒內(nèi)，無法真正反映分界面高度。
四、雙法蘭液位計
雙法蘭液位計通過測量兩個固定位置的壓力差來反映兩個位置之間的液體的平均密度從而間接測量分界面高度。雙法蘭液位計也是安裝在罐體的側(cè)面，但是不需要測量筒，因此解決了上面浮筒液位計內(nèi)浮子容易卡死的問題。
雙法蘭液位計通過充油的毛細(xì)管把罐內(nèi)的兩個壓力值傳輸?shù)诫娮宇^部分。因此雙法蘭液位計的界面測量受到以下因素的影響：
1、 環(huán)境溫度變化對毛細(xì)管內(nèi)油壓有明顯影響，因此長的測量范圍必須要長的毛細(xì)管，從而導(dǎo)致溫度變化對測量精度也影響很大。
2、 必須保證兩個法蘭之間充滿液體。
3、 毛細(xì)管充油需要特殊的生產(chǎn)技術(shù)，因此測量范圍對儀表價格影響很大。
4、 安裝過程要保證毛細(xì)管不要受到外部機(jī)械沖擊，防止毛細(xì)管受損或者油路堵塞。
五、終極篇 - 磁致伸縮液位計
磁致伸縮液位計通過測量浮在分界面上的磁性浮子的位置來測量分界面的高度。MTS生產(chǎn)的Level Plus系列液位計可以實現(xiàn)測量誤差控制在1毫米以內(nèi)，最大的測量范圍可以達(dá)到22米。磁致伸縮液位計的測量不依賴于液體的導(dǎo)電性、介電常數(shù)等物理參數(shù)，只是基于不同液體的密度差。密度差和相互不溶解是形成分界面的必要條件。
Level Plus系列
磁致伸縮液位計只要選擇好特定浮子的密度，安裝后不需要定期的維護(hù)和標(biāo)定就能保證液位計的長期可靠性和精確性。
磁致伸縮液位計的應(yīng)用局限性在于不能用于操作粘度很高的液體(建議粘度小于400厘泊)。高粘度液體容易把浮子粘在一個位置不變，導(dǎo)致磁致伸縮液位計測量到的浮子位置不能準(zhǔn)確反映分界面高度。
Level Plus磁致伸縮液位計應(yīng)用實例
1、 二硝基甲苯(DNT)和水的分界面
因為二硝基甲苯(DNT)相對于水的比重是，因此在罐內(nèi)是下層液體，因此無法使用射頻導(dǎo)納、導(dǎo)波雷達(dá)。而且因為現(xiàn)場的測量范圍超過4米，因此無法使用浮筒液位計和雙法蘭液位計。通過使用Level Plus系列磁致伸縮液位計可以同時測量反應(yīng)罐內(nèi)的液位和分界面高度，從而對化學(xué)反應(yīng)過程精確控制。
2、 液體白磷和水的分界面
白磷是生產(chǎn)磷酸類物質(zhì)的基本原料。但是因為白磷在空氣容易自然，而且有毒，因此一般都儲存在具有水封的儲存槽內(nèi)。Level Plus液位計可以對水封下的白磷存量進(jìn)行實時監(jiān)控，同時保證水封的厚度防止白磷和空氣接觸。
3、 大型成品油罐
煉化工廠、燃料輸送系統(tǒng)等都有一些成品油儲罐、轉(zhuǎn)運(yùn)罐等，這些罐子高度都有15～20米高。因為有些成品燃油會吸收空氣中的水分，導(dǎo)致很多罐底都有積水。MTS傳感器生產(chǎn)的Level Plus液位計可以同時測量罐內(nèi)成品油液位和油水分界面的高度，同時還可以根據(jù)液位計內(nèi)部的罐容表來計算罐內(nèi)容量，并且輸出罐內(nèi)的成品油溫度。Level Plus液位計只通過罐上的一個測量孔，就可以同時輸出液位、分界面高度、罐內(nèi)容量和溫度的測量結(jié)果，滿足國際石油組織對成品燃油的交接計量要求。
