6.3　低温介质液面测量

低温介质液面的监控测量是低温工程中的基本参数之一，现代低温工程实践中通常有浮子式、压差式、电容式、电阻式和超声波式5种低温液面测量设备。

6.3.1　浮子式液面计

浮子式液面计利用密度比低温液体低的材料或轻质空心球作为浮子，在浮子上端固定一根很轻的细棒，在液体浮力的作用下，细棒随液面上下移动，通过观测低温贮液容器顶上玻璃导管内的细棒高度即可测液面[图6-14（a）]。如果把浮子以某种方式与指针式仪表相连即可直接显示液面的高度[图6-14（b）]。图6-14（c）则给出了另外一种，把浮子的位置转换成电信号，适合于液面远距离测量的浮子式液面计形式。它由浮子、铝-锰磁铁、导管和单簧触点开关组成。浮子跟踪液面，固定在浮子上的磁铁和装在导管内的单簧触点开关把位置信号转换成电信号，适合于液面的远距离测量和液面的自动控制。显然，在导管内安装不同数量的单簧触点开关，即可对液面进行定点测量或半连续测量。如有的文献介绍，用直径300mm的三个铝合金球组合和21个单簧开关在导管内线性分布组成的液面计，具有很高的测量准确度，对于静止液面其准确度高达0.026mm。用这种液面计对运载火箭液氢、液氧加注用涡轮流量计的“现场”校验取得了良好的效果。

1—单簧开关；2—接电测仪器；3—玻璃观察窗；4—指针式表头；5—配重；6—丝绳或带；7—磁性浮子；8—浮子

浮子式液面计的敏感元件是浮子，它可以由各种低密度的发泡塑料和易于加工的合金（如铝合金、不锈钢、德银等）制成。浮子的形状对液面计的工作特性有很大影响，不同形状的浮子适合于不同的液面测量。图6-15给出了三种不同形状尺寸的浮子：（a）为扁平形浮子；（b）为扁圆柱形浮子；（c）为高圆柱形浮子。（a）浮子做成大直径空心圆盘状，可反映0.1mm的高度变化，但对液面波动比较敏感，适合于低密度液体（如液氢、液氦）的液面测量；（c）浮子的情况正好与（a）相反，高度大、直径小、占地面积小，因此稳定、抗波动性好，但对液面变化不很敏感，适合于高密度液体的测量；（b）浮子的抗波动性和灵敏度介于上述两者之间。

浮子液面计的特点是制作方便、使用简单且不受容器内压力的影响；其缺点是无法用于小容器，容易被容器内某些部件挂住或被导管卡住，而且对液面的波动较为敏感。因此，常用来指示大型贮箱或贮槽等静止的低温设备液面。

6.3.2　压差式液面计

压差式液面计的基本结构如图6-16所示，压差计的一端与容器底部相连，另一端连接到液体上面的蒸气空间，可把液面高度的测量转化成压差的测量。采用各种压差计便构成各种形式的压差式液面计。

6.3.2.1　静压差式液面计

图6-17给出了静压差式液面计测量低温液面高度的结构简图。它是应用静压原理制成的。待测的低温容器的蒸气空间与低温液面计的负压室1相连通，而低温容器底侧（液相部分）经汽化器4与液面计的正压室2相联通。汽化器的作用是使低温液体汽化。如果管路上漏入的热量足以使液体汽化，则不需汽化器。汽化器内的压力等于气相压力与液柱压力之和。当汽化器内的压力大于气相压力与液柱压力之和时，汽化器内的蒸气就要通过容器中的液体进入容器上部的气相空间。反之，则液体会流入汽化器而被汽化。这时，在低温液面计中，腔室1代表低温容器气相压力，腔室2代表低温容器底部的液柱压力与气相压力之和。两腔室间填充有指示两者压差的油介质，油面的高度由标尺3读出。这个数值与低温容器中的液柱高度成正比例关系。因此用标尺的读数，就可以指示贮存容器中液面的高度。

1—负压室；2—正压室；3—标尺；4—汽化器

这种类型的液面计结构简单，可以连续地指示液面，一次安装好即可长期使用而不需要任何供电线路。对于液化器、低温贮槽等静止设备的液面测量尤为适用。其缺点在于对氢氧燃料增压贮箱液面测量时，由于空间压力的变化容易产生长周期的压力波动而使指示不稳。产生压力波动的原因是与液相连接管中的气液界面的振荡。为消除这种影响，将与液相连接的管道人为地分为两段。即低温容器一侧的水平管用薄壁不锈钢管，另一段则用厚壁紫铜管以建立较大的温度梯度。试验证明这种措施还是很有效的。有文献则采用波动阻尼器把压力计和振动隔离开来，仍保持它对平均压力的反应，也取得了很好的效果。这类压差式液面计在火箭发动机试车燃料加注和排液时都得到了应用。

6.3.2.2　膜盒压差式液面计

膜盒压差式液面计是利用容器内不同液面高度产生的液柱压差，推动膜盒、带动指针工作的。其结构如图6-18所示。容器上部空间压力pi通过排液减振器3、三通开关5上的喷嘴7，沿“上部导管”进入指示器的壳体内（即在膜盒16的外部）。而容器底部的压力p2则通过排液减振器2、三通开关5上的喷嘴11、减振气瓶14，沿“下部导管”引入指示器15的膜盒16内。这样膜盒16在其外部压力p1和内部压力p2的作用下，因压力差Δp而产生变形。其变形量的大小与液面高度成正比。该变形量通过传动机构与刻度盘相连，即可直接显示液面高度。

1—容器；2，3—减振器；4—压力表；5—三通开关；6—阀杆；7，11—喷嘴；8—调节销；9，13—膜片；10，12—弹簧；14—减振气瓶；15—指示器；16—膜盒；17—拉杆；18—轴；19—扇形齿板；20—齿轮；21—刻度盘；22—玻璃板；23—衬圈；24—上部导管；25—下部导管

膜盒压差式液面计结构简单、工作可靠、维护使用方便，对于液氢测量准确度优于4%，可连续测量液面。因此，在大型低温槽车、低温贮箱等贮液设备上得到应用。

6.3.3　电容式液面计

电容式液面计是利用低温液体与气体的介电常数不同，通过测量敏感元件电容变化来确定液面高度的。具有结构简单、测量准确、工作可靠、容易实现液面的远距离测量和液面的自动控制、报警等一系列突出优点，因而在低温液面、特别在各种贮箱、贮槽等设备中得到应用。测量准确度不低于2%，精心设计制作的可高达0.5%，甚至更高。

为适应空间低温技术不同场合的使用要求，电容式液面计具有各种形式，但最常见的是平行平板和同轴圆筒形。图6-19所示的为同轴圆筒形电容式液面计。

电容变化量与浸润液体的深度呈线性关系，因此，通过电容器电容变化量的测量即可以确定介质的液面。由于介电常数的不同，测量液氦、液氢液面时的灵敏度要比液氮、液氧低得多，因此在液氦、液氢液面的测量中要求测量仪器具有更高的灵敏度和稳定性。

6.3.3.1　普通圆筒电容式液面计

普通圆筒电容式液面计是电容式液面计中结构最简单的一种，其结构如图6-19所示。敏感元件由两同轴金属圆筒电极组成。为能达到有效的测量目的，在敏感元件的设计制作和使用时应注意以下问题：

1—内金属电极；2—外金属电极

（1）电极选择

空间低温技术中常用的低温液体均不导电，所以电极可直接采用裸电极，而不必覆盖绝缘层电极材料，应选择导热性能差、强度高、不易变形、低温下不冷脆、加工性能好的金属或合金，常用的有：不锈钢、德银以及铝合金等。

（2）电极间隙选择

电极间隙越小，电容量和电容的变化量就越大，这有利于测量精度的提高。但间隙过小时不仅制作、安装困难，而且会产生严重的毛细现象，出现虚假信号，反而导致测量结果不准。因此，一般间隙不小于2mm。另外，为了避免电极间液体振荡，使液体流动畅通，消除毛细管效应所带来的误差，在外电极上开一系列均匀分布的小孔，但孔径不宜过大，以免影响敏感元件本身的特性。

（3）电极安装

同轴圆筒安装时应尽量保持两圆筒的同心度。这除了在电极加工时要求厚度均匀、表面光洁、安装前需校直外，还应在两电极间加足够数量的绝缘衬垫以保持它们的相对位置稳定，衬垫材料一般采用聚四氟乙烯。

（4）测量电路性能

如同低温温度的电测法最终归结为小电势的测量一样，低温电容液面计由于本身结构尺寸以及测量液体的介电常数等限制，电容量通常都很小，而液面变化所引起的电容量的变化就更小。因此，要准确而无干扰地测量这些电容及其变化量，除正确设计测量线路外，还要求测量电路绝缘性能好，尽可能地消除杂散电容对测量的影响。

（5）电容液面计的校准

为了消除热胀冷缩引起的零点漂移，压力、温度变化引起介电常数变化以及两圆筒电极偏心等因素对液面计的影响，电容液面计必须在尽可能接近实际工况的情况下进行校准。

6.3.3.2　定点电容液面计

定点电容液面计结构如图6-20所示，其敏感元件由一组同心圆环交替连接到两个引线端组成。这种液面计特别适合于各种低温液体的定点测量和限位控制，具有响应时间短的优点（约0.6s），液面分辨率可达到2.5mm。由于这种电容液面计的电容量本身很小，因此，在测量过程中应尽可能消除引线电容的影响，如采用三端引线法等。

6.3.3.3　分节式高精度电容液面计

为了满足氢氧运载火箭研制工作的需要，我国航天部门首创了具有补偿能力的分节式电容液面计，在传感器的结构和测量原理上均有突破，使其分辨率达到了±0.05%。分节式电容液面计结构如图6-21（a）所示，它与上述的同轴圆筒形电容式液面计类似。把圆形的外部电极分割成等长并相互绝缘的若干节，然后将奇数节和偶数节连接起来与内电极构成电容器C1和C2。将两个电容器作为电桥的相邻两臂进行比较测量，当液面下降时将得到图6-21（b）所示的三角形波，测量出现每个三角形波的时间，即可得到液面的下降速率。作静态测量时，可先将两组电容并联成一个传感器，粗测液面高度，然后分成两组进行比较测量，根据电容的差值则可以测得液面的高度，这种分节式结构以及比较测量方法使该液面计具有补偿和自校能力，因而克服了零位的漂移，减少了温度分层对液面测量的影响，提高了测量准确度。如对于5m高的液氢液面，其动态测量误差仅为±0.05%。这种分节式电容液面计曾在我国氢氧运载火箭的研制中发挥了重要作用。

6.3.4　电阻式液面计

电阻式液面计是利用液体和气体传热能力的差别制成的，通过测量敏感元件电阻的变化来指示液面。

在电阻式液面计中用于液面测量的敏感元件应具有较大的电阻温度系数。这些敏感元件可大致分为金属和半导体两大类。前者主要包括铀丝，以及各种热电偶；而后者则包括碳电阻、热敏电阻、二极管等。

电阻式液面计特别适合于液面的定点测量和液面的限位控制，若能串联若干敏感元件则可对液面进行半连续测量。如在容器内放置垂直于液面的金属丝线圈，则其电阻值与浸没元件的液体深度成比例，这样也可完成液面的连续测量。图6-22给出了这三类电阻式液面计测量方法的示意图。

6.3.4.1　金属热线液面计

工作原理是在一条金属线上通一适当电流，产生的焦耳热使金属线温度升高（热线即因此得名），这些焦耳热通过金属丝-液体界面传入液体或通过金属丝-蒸气界面传入蒸气。显然金属丝-液体界面的传热系数高得多，在相同的加热电流条件下，处于液体中的热线温度要比处在蒸气中热线温度低，与此相应，两部分的电阻也有很大差别。因此，根据热线电阻值的大小就可以判断热线是否处在液体中或判断热线浸没在液体中的长度是多少，前者可以做成定点液面计，后者可以做成连续液面计。

对于金属热线式液面计，选择一个合适的工作电流对完成液面的准确测量至关重要。因为如果工作电流太小，热量很快地被周围介质带走，从而分辨不出热线是处在液相中还是处在气相中，而太大的工作电流则会引起液体的大量蒸发，在金属线周围形成一层蒸气膜，从而使两相介质传热差别缩小，甚至消失。严重时，还会使处在气相中的热丝烧断。只有当工作电流取适当值时，敏感元件的自热才能使元件通过液面时，温度或电阻有比较明显的变化，从而较好地确定液面位置。

图6-23提供一个典型的热线液面计测量线路图。这个测量线路实质上是一个简单的桥式电路，R6、R1分别用于桥路电流的粗细调节，R4用于液面计的零点调整，ME-2用来监视流过敏感元件的电流，ME-1用于指示液面。

热线液面计通常采用细铂丝或细钨丝，对于远距离测量，选用气相色谱法用的铂灯丝线圈或钨灯丝线圈效果更佳。

热线液面计突出的优点是整个测量系统简单、使用方便、适合于远距离测量，而且具有较高的灵敏度和较高的测量准确度。如用直径为0.025mm、长5cm的铂丝做成小螺旋管横放在容器中，其测量准确度可达±0.2mm。但尚有以下不足：对于沸腾飞溅的不平静液面，测量准确度低、指示不稳；作为敏感元件的铂热丝是氧、氢爆炸反应的催化剂，一般不宜用来直接测量液氧、液氢，需在铂丝作镀金处理后才能使用。

6.3.4.2　半导体液面计

它属于电阻液面计，其敏感元件为具有较大的负电阻温度系数的碳电阻或热敏电阻，图6-24给出了一个适合于液氦、液氢液面测量的线路图。在该测量系统中，敏感元件是W/2的普通碳电阻。其具体的操作过程如下：将液面敏感元件（即碳电阻）浸没在低温液体内，然后接通线路电源，接着用0～600Ω的变阻器调节使电桥处平衡状态。当敏感元件稍许离开液面时，由于碳电阻阻值下降，电桥的平衡被破坏，这种不平衡信号将使用于指示液面的微安表偏转一个较大角度。

半导体液面计测量系统简单而且可靠，特别适合于各种低温液面的定点测量和控制，对于液氦、液氢的测量均具有很高的灵敏度。

6.3.5　超声波液面计

超声波液面计是利用超声波换能器（如压电晶体换能器、磁致伸缩换能器等）发射和接收声波，并根据声波在介质中传播的某些声学特性（如声速、声衰减和声阻抗）来测量液面的。利用声速特性测量液面的基本原理（回声测距原理）如图6-25所示，置于容器底部的换能器向液面发射一声脉冲，经过时间t，换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲，如果探头到液面的距离为h，声波在液体中的传播速度为v，则有：

对于一定的液体来说，v是已知的，因此可以通过声波往返传播时间t的测量确定液面h。

显然，采用这种回声测距的方法测量液面，其准确性取决于声速v的准确性。由于声速与介质的密度有关，而低温介质中存在着较大的温度梯度，密度常常是不均匀的，为消除这些因素的影响，以保证足够的精度，在实际测量中必须对声速进行校正。

超声波液面计测量探头可以不与低温介质接触，即可以做到非接触测量，因而具有较强的适应性良好的测量精度，此外，工作可靠、寿命长，因而在低温液面的测量中得到普遍应用。我国大型液氢铁路槽车中就采用了一套超声波液面计。这种液面计的局限性在于测量电路复杂，造价亦较高。