在工业生产中，常常需要对各种物料界面位置进行测量，如液体、固体料位高度和它们分界面位置的测定等，这些测量统称为物位测量。

物位测量在工业上应用很广，一般有两个目的：一是计量，根据物位确定原料和产品的数量；二是通过物位反映生产情况，以便有效地控制生产（如根据煤仓煤位分配装仓等）。

物位测量在选煤厂自动化生产中具有重要作用：水泵的自动化通过水池液位作为启停控制信号；重介质选煤系统通过测定指示管液位反映介质密度；煤仓通过料位计测定料位高度等。物位测量的方法和仪表种类很多，本书仅简要介绍常用的几种。

1.浮标式液位计

浮标式液位计是应用较早的一种液位测量仪表。由于它结构简单、造价低廉、维护也比较方便，所以应用较为广泛。

如图5-36所示，将浮标用绳索挂在滑轮上，浮标所受重力和浮力之差与挂在滑轮另一端的平衡重物的拉力平衡，保持浮标可以随意地停留在任一液面上。当液面上升时，浮标所受的浮力增加，破坏了原有的平衡，浮标沿导轨向上移动，直到达到新的力平衡时才停止移动。重物带动指针，可以指出液位数值。浮标式液位计还可以通过光电元件及机械齿轮等进行计数并将信号远传。

有一种浮标式液位计，它是在浮标内放置一个磁环（当浮标随液面改变位置时，此磁环连同它一起上下移动），同时在浮标中间穿过一根铝管，铝管内按所需控制的液位高度放置几支干簧管，每当带磁环的浮标到达干簧管的位置时，干簧管的常开节点或常闭节点动作，可以直接控制有关设备的磁力启动器，如图5-37所示。利用这种液位计可以很方便地控制浮选用油箱的油位，实现油泵远距离自动控制，其线路简单，动作可靠。

图5-36　浮标式液位计

（a）示意图；（b）密闭式

图5-37　UX型液位计

1—浮标；2—有机玻璃管；3—干弹簧；4—磁芯；5—铝管

在使用中应注意，不能用闭合铁环作固定有机玻璃管的夹环，尤其不能放置在上、下液位附近的地方，否则会由于浮标内磁环与铁夹环的相互作用而影响动作的可靠性。

2.单管压差式液位计

单管压差式液位计主要是将被测定的液位信号转换为压差信号pΔ，并通过压差变换器将其变换为相对应的标准电流信号I。图5-38所示为单管压差式液位计的工作原理示意，它是将单管（口径约为100 mm）插入被测液体中，其中单管由胶皮管与气压室连接（注意连接要严密结实，不能有漏气），气压室通大气。根据前面单管测压计原理的分析可知，输入的压差Δp=Δh·γ，即压差Δp正比于插入液体的深度Δh，再经过压差变换器的转换、处理和放大，恒流输出标准电流信号I，I=K·Δp=K·γ·Δh ，即输出电流I正比于hΔ，反映了被测液体液位的高低。配以CECC型电容式压差变换器的单管压差式液位计广泛地应用于选煤厂重介介质桶液位、浮选工艺矿浆准备器液位和真空过滤机液位的测量。

图5-38　单管压差式液位计的工作原理示意

3.电极式物位测量

1）电极式液位计

电极式液位计用于测量导电液体的液位。如图5-39所示，电极1、2由比液体电阻率高许多的金属材料制成，设其电阻率为ρ。由于ρ ≥ρ液，故可忽略液体的电阻率。设棒状金属电极（不锈钢）的截面为S，液位高度为h，电极长度为L，则电极电阻为

即金属电极电阻R随液位高度而变，h升高，R下降，电极回路电流增大，可通过电流值反映液面的高低。

图5-40所示是用电极式液位继电器控制水箱液位保持一定高度的原理示意。在水箱内设3根金属电极（B1、B2、B3），当液位与电极B2接触时，水将B1、B2连在一起，继电器1KA通电动作，常开节点1KA2闭合，使中间继电器2KA动作，切换节点1KA1动作，红灯HR燃亮，绿灯HG熄灭，以报警显示。同时，中间继电器的切换节点2KA1、2KA2动作，接通电动机控制回路，使水箱放水（图中未画出），2KA1动作后，液位开始下降，液位低于B2后，继电器1KA仍通过B3和B1接通，直到水位低于B3时才断电，水箱停止放水。这样就使水箱水位永远不会高于B2，防止溢流事故发生。

图5-39　电极式液位计

图5-40　电极式液位继电器控制水箱液位保持一定高度的原理示意

电极式液位继电器多用于小型单个使用的泵的自动化控制，如滤液泵、清水泵、排污泵等的液位控制。

2）电极式煤位计

电极式煤位计适用于测量导电介质的料位。由于煤也是导电的，故可用电极式煤位计测量煤仓煤位。图5-41所示是煤仓煤位检测原理示意。电路中的三极管VT5、VT6组成射极耦合触发器（施密特电路）。当仓满时继电器KA动作。

图5-41　煤仓煤位检测原理示意

在煤仓中放置3个电极，长电极C接地，辅助电极B接继电器常开触头，短电极A接电阻R5。当煤仓煤位低于短电极时，三极管VT5导通，VT6截止，继电器KA释放。

70 V的交流电经VD2半波整流和C2滤波后变成100 V直流向电极回路供电。当煤位接触短电极A时，电极回路导通，其路径是100 V（ + ）→VD3→R5→短电极A→煤（电阻）→长电极C→100 V（-）。由于二极管VD3的钳位作用，P点电位接近H点电位，而H点电位又低于E点电位，故P点电位低于E点电位，三极管VT5呈反向偏置而截止，其集电极电位升高，使三极管VT6饱和导通，继电器KA动作。KA的常开触头闭合，起自保作用，它的另一常开触头闭合以控制仓满信号和有关装置。

辅助电极B的作用是当继电器KA动作后，其常开触头闭合，将辅助电极B和短电极A并联，在煤位低于短电极A时，仍能保持继电器吸合，直到煤位低于辅助电极B时，继电器KA才释放表示空仓。若没有辅助电极B，则煤位刚低于短电极A，继电器KA就释放，造成假空仓现象。

实践证明，在使用中由于煤仓中的电极难以固定，且维护困难，所以多年来电极式煤位计一直没有得到很好地应用及推广。

4.电容式物位测量

电容法可以用来测量导电和非导电介质的物位。当在平板电容器之间充以不同介质时，其电容量的大小也有所不同。如充以固体、液体介质时的电容量远比充以气体介质时大。因此，可以通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。

1）电容式液位计

（1）电容式液位计的结构及组成。电容式液位计由一次传感器和二次仪表组成。一次传感器包括测量前置放大器、电容绳和重锤。二次仪表包括显示仪表、放大电路等。

一次传感器的前置放大器装于铝合金外壳中，通过一定的锁紧机构与电容绳紧固。外壳的上盖及易进水部分采用橡胶垫密封，具有较好的防水、防尘性能。一次传感器安装在被测现场，安装处一般宜选择在远离液体进、出口距箱池壁约250 mm的地方。一次传感器的安装一定要保证可靠接地，对于非导电容器，为测量可靠须加装一辅助电极。一次传感器安装示意如图5-42所示。

二次仪表为盘装式。仪表面板上设有指示表头、开关、指示灯等。仪表的印制电路板固定在仪表箱内的骨架上，电路板上还固定有零点、满值调整电位器及量程选择开关，仪表的端部设有接线端子。

（2）电容式液位计的工作原理

一次传感器的电容绳选用优质绝缘导线，它实质上是随被测液位而改变其电容量的可变电容器。导线的芯线是一次传感器的一个电极，绝缘层是中间介质，导线进入被测液体中，此液体就是一次传感器的另一个电极。当被测液位升高时，一次传感器两极的面积变大（液位降低时相反），一次传感器的电容和液位是成比例变化的。

其电容变化量为

图5-42　一次传感器安装示意

1—传感器；2—安装架；3—固定螺母；4—电容绳；5—重锤；6—水箱；7—辅助电极

式中，C——容器中液体放空后，空气的初始电容；

　　　ε——绝缘介质的介电常数；

　　　h——一次传感器浸入导电液体内的深度；

　　　D——绝缘导线的外径；

　　　d——导线芯线的直径。

导电液体测量探头结构示意如图5-43所示。(www.daowen.com)

当被测液体为非导电液体时，电极采用裸导线，导线为一电极，容器为另一电极，测量液体为中间介质，如图5-44所示。其电容变化量为

式中，ε——非导电液体的介电常数；

　　　D——容器内径；

　　　d——导线直径；

　　　H——导体浸入液体的深度。

图5-43　导电液体测量探头结构示意

图5-44 非导电液体测量探头结构示意

根据上述可知，电容式液位计的测量原理是被测液位变化时，一次传感器的电容量也产生相应的变化，一次传感器内部的前置测量线路将此电容值转换成相应的直流信号，再送到二次仪表放大显示，如图5-45所示。

在图5-45中，一次传感器的前置放大器由LC振荡器和测容环节组成。LC振荡器所产生的频率和振幅都将一定的交流信号作为测容环节的工作源，通过测容环节将液位变化引起的电容变化转换为直流电流变化，并将此电流信号输入二次仪表。

二次仪表由输入、调零、放大、满值调整、电压-电流转换、限位报警、电源等电路组成。由前置放大器输入的信号经放大后，由电流表模拟显示液位变化，又经变换后输出4～20 mA直流信号。

仪表的上、下限报警环节由特制的控制型电流表、放大器及继电器构成。电流表中附有光电管和光源，当电流表指针到给定位置时，指针带动的遮光板遮断光源，电流表内光电管由导通到截止，光电管的电流作为放大三极管的偏流，推动继电器，点亮面板上相应的指示灯并输出节点信号。

图5-45　电容式液位计的工作原理示意

（3）电容式液位计的适用范围

电容式液位计适用于选煤厂各种箱、仓、池水位的连续测定，如离心液池、生产用水箱、循环水箱、冷却水泵池、澄清水池、污水池、水塔等场所；选煤厂各种油箱的油位检测；其他工况过程中各种储槽、容器导电或非导电介质液位的远距离连续测量和指示，但不适用于黏性导电介质的液位测量。

仪表输出4～20 mA（或0～10 mA）标准信号，能方便地作为变送器同其他仪表及计算机配用，实现液位的监控。

仪表设有上、下限位报警机构，除显示外还可输出位式控制节点信号，实现上、下液位自动控制。

2）电容式物位计

电容式物位计用于测量各种导电和非导电固体散状物料的物位高低。

对于非导电物料，仓由金属制成或内衬金属板。电容变换器采用钢丝绳制成，其下端悬挂金属重块。它的结构和测量系统如图5-46所示。

钢丝绳起到电容变化作用，上部吊挂处设有绝缘设施。金属重块使钢丝绳拉直、自然下垂。钢丝绳也可用两根钢丝绳绞合在一起，以增加电极表面面积。

在空仓时，钢丝绳电极与金属仓壁形成一个电容器，介质为空气，其电容量为C0，初始电容在测量装置已定的情况下是固定的，当物位处在某一高度位置时，由于物料的介电常数与空气不同，所以这一部分的电容量会发生变化。电容的变化量与物位及物料的介电常数有关，而固定物料的介电常数可以认为是不变的，所以电容量的变化ΔCx只与物位有关，并可得出如下关系式：

图5-46　非导电物料电容式物位测量系统

1—金属仓；2—钢丝绳；3—金属重块；4—非导电物料

式中，Cx——电容变换器输出电容量；

　　　C0——初始电容，为空仓时的输出电容量；

　　　K1——常数（K1与空仓和电极的尺寸、物料介电常数有关）；

　　　h——物料高度。

电容测量前置电路将电容Cx转换成相应的电流信号，并远传至二次测量仪表。

5.超声波物位测量

超声波是指频率高于20 kHz的声波。应用超声波测量物位，首先要解决发射和接收超声波的问题，通常利用声-电换能器来完成。目前应用最广泛的是压电晶体声电-换能器，它是根据“压电效应”和“逆压电效应”来实现声能和电能相互转换的。

某些电介质物体（如压电晶体或压电陶瓷）在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时表面上会产生异性电荷，当外力去掉时物体表面电荷消失而呈现不带电状态，这种现象叫压电效应。具有这种压电效应的物体叫作压电材料或压电元件。如在压电元件两端面周期性地施加外力，并将两端面通过电流表用导线连接起来，则在闭合电路中有与外力同频率的交变电流通过，这种现象称为正压电效应，如图5-47（a）所示；反之，在晶体两端通以交变电流时，则压电元件会产生与电流同频率的机械振动，向附近介质发射声波，这种现象称为负压电效应，如图5-47（b）所示。

用超声波测量物位就是利用压电元件的压电效应在介质中发射和接收超声波。当超声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同介质的分界面处会产生传播方向的改变。一部分被反射（入射角等于反射角），另一部分折射到相邻介质中。当两种介质的密度相差悬殊时，声波几乎全部被反射。如超声波从气体向固体、液体传播，或者从液体、固体向气体传播，在气-液或气-固分界面处几乎全部被反射回来。

图5-48所示为超声波液位计原理示意。放在液面底部的超声波探头（声波换能器）向液面发射短促的超声波脉冲，经过时间t后接收到从液面反射回来的回音脉冲。如超声波在液体中的传播速度为υ，则探头到液面的距离为H，则

图5-47　压电效应

（a）正压电效应；（b）负压电效应

图5-48　超声波液位计原理示意

传播速度对于确定的液体来说是一定的，所以由发射至接收到反射回来的脉冲所用时间t与液位高度成正比，能准确测得时间t，便可计算出液位高度。

超声波的发射和接收可以由两个超声波探头分别承担，也可以由一个探头轮换承担。由于超声波信号微弱，所以必须经放大后才能送往仪表显示。

超声波物位计没有可动部件，探头和被测介质不接触，由于其对液体、固体的料位都可测量，所以应用范围较广。超声波在介质中的传播速度受温度和压力的影响变化较大，会引起测量误差，因此要采取补偿措施。

目前，超声波物位计是测量煤位的较理想的一种方法。国外引进的测量仪表可测得50 m深的煤仓煤位，国内亦有同类产品。

6.核辐射式物位计

利用物质对放射性同位素射线的吸收作用来测量物位的仪表称为核辐射式物位计。它由辐射源、接收器和显示仪表组成，如图5-49所示。图中1为辐射源，常用同位素有钴60及铯137两种，多数采用γ射线；接收器有电离室、卤素计数管与闪烁计数器。

图5-49　核辐射式液位计的组成

1—辐射源；2—接收器；3—显示仪表；4—电子转换器

核辐射式物位计通常采用两类测试方案，即固定安装式和随动式。这两种方案都是利用物位高度改变射线吸收厚度的原理来工作的。