第三章 物位测量

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器2第四节物位检测及仪表65一、概论几个概念液位料位液位计界位计测量物位的目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表3一、定义及检测方法分类物位的定义：“物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。2、料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。3、界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置简称界位。4一、定义及检测方法分类物位的定义：物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。5物位测量的意义及目的正确测得容器中储藏物质的容量或重量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。所以，一般测量物位有两种目的：(1)一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储存库中的原料、辅料、半成品或成品的数量；(2)另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。6一、定义及检测方法分类物位检测仪表的分类：由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。连续测量方式能持续测量物位的变化。定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。7一、定义及检测方法分类（1）直读式物位仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。（2）差压式物位仪表基于流体静力学原理，适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。这类仪表有压力式和差压式等型式。84.1常用物位检测仪表利用静压原理测量液位：1、工作原理静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为：举例说明93.1常用物位检测仪表举例说明10（3）浮力式物位仪表其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。这类仪表有各种浮力式液位计、浮筒式液位计等。浮力式液位计：浮力式液位计有两类：恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计.变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的浮力不同来测定液位的高低.11（4）电磁式物位仪表将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。（5）辐射式物位仪表辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。（6）声波式物位仪表（7）光学式物位仪表12133.1常用物位检测仪表恒浮力法测量液位的原理：3、浮力式物位仪表143.1常用物位检测仪表平衡时：浮标的重量-浮力=平衡物的重量。即:W-F=G当液位上升时：浮标浸没部分增加，浮力增大，W-FG,浮标上升，浮力下降，使W-F=G浮标的位置就反映了物位的高度。3、浮力式物位仪表153.2常用物位检测仪表变浮力法测量物位的原理：设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X,弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：CXhgAW弹簧的伸长量通过变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。3、浮力式物位仪表163.1常用物位检测仪表','':)'()(,'''hgACgAXXgAgAChXgAhgAXCXhhgAWXXCXhhXhhh将两式相减：当达到新的平衡时，有浸没在液体中的高度为，于是浮筒升因浮力增加，使浮筒上时，则液位高度为当液位升高3、浮力式物位仪表1718（6）声波式物位仪表利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。注意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。19：无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。（6）声波物位仪表的特点20表3-5物位仪表的分类和主要特征21表3-5物位仪表的分类和主要特征续22第四节物位检测及仪表二、差压式液位变送器1.工作原理图3-37差压液位变送器原理图图3-38压力表式液位计利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。23第四节物位检测及仪表ppgHpp21将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此gHppp21当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-38所示。（3-44）（3-45）24第四节物位检测及仪表gHp01211pgHghp0222pghp2.零点迁移问题ghghgHpp2221121ghhgHp2121图3-39负迁移示意图在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，这时正、负室压力p1、p2分别为则无迁移加装隔离罐25我们采用的方法一般是在仪表上加一迁移装置，用变送器内部反馈调整方式抵消掉固定差压的作用，我们称这种方法为“零点迁移”。调节仪表上的迁移弹簧来达到此目的。ghh21226第四节物位检测及仪表迁移弹簧的作用改变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。这里零点迁移的作用，其实质就是改变差压变送器测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。274.2常用物位检测仪表．零点迁移问题由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差△P与液位高度H满足上式的条件是：(1)差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上；(2)差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在；(3)被测介质的密度保持不变。在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工作状态。284.2常用物位检测仪表正迁移假定我们采用的是输出为4mA~20mA的差压变送器，则当液位H=0时，变送器输入信号△p=0，其输出电流为4mA，当液位达到测量上限时，变送器的输入信号△p=Hmaxpg，其输出电流为20mA。在实际应用中，如果差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上时，需要将零点进行正迁移。294.2常用物位检测仪表正迁移实例：304.2常用物位检测仪表与无迁移情况的相比，差压中多出一项即在高压室增加了一个恒定的静压。由于它的存在，使得当H=0时，△p=此时的变送器输出必然大于4mA。314.2常用物位检测仪表为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系，就必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消这一静压的影响。当H=0，△p=时，变送器输出为4mA。由于在这种工作状态下，变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因而是正迁移。324.2常用物位检测仪表负迁移在工程应用中还经常遇到负迁移的情况。如图(b)所示。若被测液体的密度为P1，隔离液的密度为P2，且P1P2，则变送器高低压室的压力分别为：334.2常用物位检测仪表高低压室所感受的压差为与无迁移情况的相比较，总的差压减少了，344.2常用物位检测仪表即相当于在低压室增加了一个恒定的静压由于它的存在，使得当H=0时，△p=-（h2-h1）pg此时变送器的输出必然小于4mA，当H=Hmax时，变送器的输出也达不到20mA。为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系。就必须借助差压变送器的零点迁移功能来抵消这静压力的影响。使得当△p=-（h2-h1）pg时，变送器的输出为4mA。这种情况就是负迁移。354.2常用物位检测仪表针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围为0~5kPa，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分别为+2kPa和-2kPa，则这台差压变送器零点迁移特性曲线如图所示。36第四节物位检测及仪表图3-40正负迁移示意图图3-41正迁移示意图举例某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。37特别注意由上述分析可见，无论是正迁移还是负迁移，均是改变了测量的起始位置(零点)，即改变差压计测量范围的上、下限，但它的量程不变。在差压变送器的规格中，一般需注有是否带正、负迁移装置。型号后面加“A”的为正迁移．加“B”的为负迁移，无“A”或“B”的为无迁移。必须根据现场要求正确选用。38第四节物位检测及仪表3.用法兰式差压变送器测量液位图3-42法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器单法兰式双法兰式法兰式差压变送器按其结构形式为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。39第四节物位检测及仪表三、电容式物位传感器dDLCln21.测量原理图3-43电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。40第四节物位检测及仪表dDLCln200dDHLdDHCln2ln202.液位的检测3-44非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为HKdDHCCCiXln200对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为41第四节物位检测及仪表电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。结论42第四节物位检测及仪表3.料位的检测用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。dDHCXln201—金属电极棒；2—容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。电容量变化与料位升降的关系为图3-45料位检测43第四节物位检测及仪表优点电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。44分为3种工作方式Summary4