第3章 过程测量仪表4(物位)

1§3-5物位测量仪表物位检测方法2概述31静压式液位计磁浮子式液位计电容式物位计其他物位测量仪表332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。物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示的仪表，称物位检测仪表。一、概述3一、概述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。按测量方式分类：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、浮力式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。41、直读式物位检测仪表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、静压式物位检测仪表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、吹气式和差压式等型式。一、概述53、浮力式物位检测仪表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。这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。4、电磁式物位仪表是将物位变化转换为电量的变化，并通过对电量变化的测量间接测知物位。一、概述65、声波式物位仪表:基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到返回的时间推算物位的高度。6、辐射式物位仪表:利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质的厚度而衰减的原理测量物位。一、概述7二、物位检测方法2.1静压式液位计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。A、敞口容器的液位测量原理图：8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p=ρgH式中p—容器内取压平面上由液柱产生的静压力；ρ—容器内被测介质的密度；g—重力加速度。H—从取压平面到液面的高度；9B、在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测液位，如图所示。10差压变送器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连。如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压变送器高，低压侧所感受的压力分别为：11差压变送器所受的压差因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算出液位的高度12特点：利用静压原理测液位，就是把液位测量分别转化为压力或差压测量。各种压力和差压测量仪表，只要量程合适，都可用来测量液位。分别叫压力式液位计和差压式液位计。13*2．零点迁移问题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。假定采用输出为4mA～20mA的差压变送器,当H＝0时，变送器输入△p＝0，输出电流为4mA；当液位到上限，变送器输入△p=Hmaxρg，输出电流20mA。14在实际应用中，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，如图所示。15这时差压变送器高低压室所受压力分别为：高低压室所受的压差为：与无迁移情况式相比，式（3-33）中多出一项hρg，即在高压室增加了一个恒定的静压hρg。由于此项的存在，使得当H=0时，△p=hρg，此时的变送器输出必然大于4mA。16零点迁移功能为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。使得当H=0，△p=hρg时，变送器输出为4mA。*正迁移：在上图这种工作状态下，变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因此称为正迁移。17*负迁移：在工程中还经常遇到负迁移的情况，如图所示。若被测液体的密度为ρ1，隔离液的密度为ρ2，且ρ1ρ2，则变送器高低压室的压力分别为：18高低压室所感受的压差为与无迁移情况相比较，总的差压减少了(h2-h1)ρ2g，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）p２g,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。19零点迁移功能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）ρg时，变送器的输出为4mA。变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这种情况就是负迁移。20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3-35所示。21二、物位检测方法2.2磁浮子式液位计磁浮子式液位计是一种浮力式液位计，利用浮力原理，靠漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位的变化。22磁浮子式液位越限报警采用图3-37所示：结构特点：上下限报警液位处装两个舌簧管，并由导线引出至报警装置。23磁浮子式就地指示型液位计A.磁翻板液位计B.磁滚柱液位计结构特点：将液体引入装有磁浮子的钢管内，由连通器原理，内外液面一致。同性相斥异性相吸24磁浮子式液位计的特点是结构简单，设计合理，显示清晰直观。主要用于中小容器和生产设备的液位或界面的测量。25恒浮力法测量液位的原理：26二、物位检测方法2.3、电容式物位计工作原理电容式物位计是将被测介质料位的变化转化成电容量的变化，并通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出。电容式物位计大致可分成三种工作方式。27RLHL28图（a）适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。在这种应用中，器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作为内电极。总电容由上部空气电容和下部物料电容构成。29图（b）适用于非金属容器，物料为非导电性液体的液位的测量。中心棒状电极的外面套有同轴金属筒，通过绝缘支架固定，金属筒的上下开口，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容介质为气体和液体物料。这样电容与容器的形状无关，只取决于液位的高低。30图（c）适用立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。中央圆棒电极包有绝缘材料，作为介质，导电液体和容器壁共同作为外电级。总电容由绝缘材料介电常数和液位高度构成。31电容式物位计特点：电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点。但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。32三、其他物位测量仪表1．超声波物位仪表一般把超过20kHz的声波称为超声波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。33H为传播速度vvtH,2134超声波物位计的特点：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）。35三、其他物位测量仪表2、核辐射式物位仪表核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。不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。式中I为穿过厚度为X的物质后的辐射强度；I0为射入物质前的辐射强度；μ为物质的吸收系数；H为介质层厚度。3637核辐射式物位计的特点：属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。38课程小结物位测量：了解各类物位计的工作原理；重点掌握静压式液位测量的基本原理和零点迁移内容，熟悉迁移概念、迁移量及判断正、负迁移、会计算量程等。39作业题：做作业二（word附件2）40电信学院自动化系先进控制技术研究所