第三章 检测仪表与传感器(物位检测)

第三章检测仪表与传感器物位检测及仪表Instrumentationandsensor§3.4物位检测及仪表levelgauging教学内容各种液位测量方法及仪表，包括：•差压式液位变送器的工作原理及零点迁移问题•其它物位计电容式物位计核辐射式物位计雷达式液位计称重式液罐计量仪液体介质的高低—液位固体或颗粒状物质的堆积高度—料位两种密度不同液体介质的分界面—界位物位一．概述•确定容器中的贮料数量，保证连续生产的需要、经济核算。•连续监视或控制容器中的物位，使它保持在规定的范围内。•对容器中的物位进行上、下限报警，以保证生产安全、正常进行。1．物位测量的意义连续测量物位仪表定点测量物位仪表连续测量物位的变化确定物位是否达到上限、下限或某一特定位置2．物位计分类•直读式物位计•压差式物位计•浮力式物位计•电磁式物位计•核辐射式物位计•超声波物位计•光电式物位计直接显示液位的高低。如玻璃管液位计、玻璃板液位计等（1）直读式物位仪表directreadinglevelmeter（2）压差式物位仪表differentialpressuretype物料内静压力与液体深度或物料堆积高度成正比。液体密闭容器液体敞开容器固体称重仓（3）浮力式物位仪表buoyancy-type液位高度变化→浮子高度或浮子（或沉筒）浮力的变化。有浮子、浮球、沉筒式几种。杠杆浮球式浮子式浮子重锤浮子漂浮原理浮子式液位计H△HH+△H扁平形扁圆柱形高圆柱形浮子的形状液位为H的浮筒初始状态的浮筒H△x△x变压器铁芯连杆弹簧固定端浮筒浮筒液位计原理图浮筒液位计杠杆浮球式液位计杠杆浮球式液位计应用于石化、冶金、能源、食品、制药、水处理等行业对液位或界位的测量与控制电浮筒液位计（4）电磁式物位仪表electromagnetic物位的变化→电量的变化有电阻式（即电极式）、电容式和电感式等电容式液位计电容（绳）式料位计（主要测量不导电液体）（5）核辐射式物位仪表放射线通过介质，其强度随物料层的厚度而变化。常用γ射线工业上使用连续式和间断式两种。（6）超声波物位仪表检测声波发射和反射全过程的时间间隔。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）（7）光学式物位仪表利用物位对光波的遮断和反射原理差压式液位变送器二.压差式液位变送器differentialpressurelevelgauge压力液位变送器3051L型液位变送器利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理。压差计PBPAH+-液位变送器原理图1.工作原理gHppABpcgpHgHppB若容器是敞开的H-液位高度ρ-介质密度g-重力加速度PA、PB-A、B两处的压力PH压力表式液位计•差压液位变送器测量液位时，若容器是敞口的，则差压计的负压室通大气，可用压力计直接测量液位高低。•若容器是封闭的，需将负压室与容器的气相相连。结论2.零点迁移问题zeroshift安装位置条件不同存在着仪表零点迁移问题（1）无零点迁移情况PBPAH+-ΔP=ρgH•H=0ΔP=0Ｉmin=4mA•H=HmaxΔP=ΔPmaxＩmax=20mA测量仪表的零点无需调整便与被测参数的零点一致的情况I/mA204ΔPΔPmax特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0）处于同一水平位置。可测量无腐蚀性、不含有结晶颗粒、粘度小、不易凝固等液体液位要求：介质洁净，粘度不能太高-+h2h1Hρ1P0负迁移示意图ρ2ρ2（2）负迁移negativemigration变送器的安装位置与最低液位（H=0）不在同一水平位置可测量具有腐蚀性、含有结晶颗粒、粘度大、易凝固等液体液位0H)(122hhgpmAI4minmaxHH)(1221hhggHpmAI20max)(1221hhggHp零点迁移设法抵消固定压差ρ2g(h2-h1)的作用，使H=0时，Ｉ出=4mA；H=Hmax时，Ｉ出=20mA的方法。•迁移弹簧：改变变送器的零点位置迁移的实质量程位置的平移，不改变量程的大小•ΔP=ρ1gH-ρ2g(h2-h1)迁移量：ρ2g(h2-h1)负迁移：用迁移弹簧平衡负压室上固定压差影响的过程。正迁移：•分为正迁移和负迁移两种△P(Pa)I出（mA)204-200050003000负迁移正迁移ΔP=0～5000Pa无迁移当有负迁移，迁移量=2000Pa举例在规格中，型号后加“A”—正迁移；“B”—负迁移。零点迁移和调零•目的都是使变送器输出的起始值与被测量的起始值相对应。•零点调整量比较小，而迁移量比较大+-hHP0P0ΔP=Hρg+hρgH=0~Hmax时量程ΔP=hρg~Hρg+hρgＩ出=4~20mA正迁移示意图三.用法兰式差压变送器测量液位为了解决测量具有腐蚀性、含有结晶颗粒、粘度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞等问题。目的法兰式测量头变送器毛细管法兰式差压变送器测量液位示意图按结构形式分按法兰构造分单法兰双法兰平法兰插入式法兰1151LT型法兰式液位变送器双法兰远传/表压变送器＞P出挡板喷嘴弹簧波纹管主杠杆密封片壳体连杆插入筒膜盒单法兰插入式差压变送器四.电容式物位传感器capacitor物位变化→电容量变化便于远传，使用方便，适合测量液位、固体粉末、颗粒状物的料位。1．工作原理dDL内电极外电极电容器组成HdDLCln2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的乘积成比例在电容器的极板间，充以不同介质（液体或固体颗粒、粉末），电容量变化的大小与注入地深度H成比例，测出Cx，可得到液位、料位或液体的分界面高度。工作原理用途：测量腐蚀性液体、粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐液位测量等。电容式物位变送器电容式液位计内电极外电极2.液位的检测1）非导电介质的液位dDLCln200dDHdDHLCln2ln)(20HKdDHCCCixln)(200电容器即未注入液体时当液位上升为H时电容量变化•Cx与物位高度H成比例•ε-ε0越大，仪表越灵敏度•电容器两极间距离越小，仪表越灵敏ε-中间介质的介电常数；ε0-空气介电常数结论2）导电介质的液位导电介质的液位测量电容器：电极棒和金属容器壁组成3.料位的检测电容（绳）式料位计•固体介质易堵塞流通孔造成“滞留”电容器：电极棒和金属容器壁组成4.电容式物位传感器的特点结构简单、使用方便。介质浓度、温度变化时，要及时调整仪表。对于粘稠的液体不能在电极上黏附，以免影响精度。•能测量强腐蚀性液体，如酸、碱、盐、污水等•可测高温、高压介质五.核辐射式物位计放射线同位素→α、β、γ射线→穿过物质→原子电离→一部分射线被吸收掉物质I0I入射线透射线1．工作原理HeII0辐射源接收器μ-介质对射线的吸收系数H-介质层的厚度I-透射线强度放射线射入一定厚度的介质时，其强度随着通过介质时厚度增加而减弱，其强度衰减规律为用接收器检测透过介质后的射线强度，即可知料位。HeII02．特点能透过钢板等，不接触被测物质，适于高温、高压容器；有毒、爆炸性、粘滞性、易结晶和沸腾状态的介质的物位及高温熔融金属的液位。不受外界环境影响，可在高温、烟雾、强磁场等环境下工作。剂量要严格控制。六.称重式液罐计量仪•既能准确测量液位，又能反应导电性储罐中真实的质量储量。•根据天平原理1．结构控制器P2P1L2下波纹管上波纹管电机丝杠砝码编码盘发讯器气相引压管液相引压管称重式液罐计量仪L12．工作原理波纹管杠杆发讯器电机砝码P1、P2作用力偏转转动信息移动至平衡储量控制器002MKMAKLiAMLAKi11M——砝码重量；g——重力加速度；A1——波纹管有效面积；A——储罐底面积L2与总储量成正比，与介质的ρ无关•不受温度、压力等影响精度高，灵敏度高结论七.雷达式液位计采用微波技术（非接触测量）微波•良好的定向辐射性能和传播特性，绕反射能力差。•遇到障碍物能产生良好的反射。•很强的环境适应能力，传输过程中受粉尘、烟雾、火焰及强光影响较小。•空间辐射装置容易制造。没有可动部件，不接触介质；测量精度不受介质物化性质影响，可用于易燃易爆等恶劣环境中，及高温、蒸汽较大的场合。可连续测量腐蚀性、高粘度、含有固体颗粒、有毒的液体。可在真空或受压条件下测量。特点反射式雷达液位计(图)瑞普雷达液位计典型应用：石化、冶金、酿酒、医药等行业中储罐VEGA雷达液位计（上海）VEGA雷达料位计根据用途不同分为：位式作用和连续作用两类电源振荡器发射天线微波发射器接收天线前置放大器检波器放大器电压比较器微波接收器位式1.原理（连续式）•天线发出雷达波，到达液面后被反射回去，所用的时间：cHt02tcLH2LH0H天线雷达液位计示意图微波脉冲法连续波调频法对时间的测量方法：信号发生器发送器计时器接收器H0微波脉冲法原理示图合成脉冲雷达波八．超声波液位计H超声波换能器根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理。超声波液位计（美国）用于液体,浆液介质如水,废水玉米浆,脂类,石蜡,漂白剂,石灰浆及酸,从大型储罐到工艺池1.测量原理将换能器（锆钛酸铅或钛酸钡压电陶瓷）安装于容器底部外侧，加一个时间极短的电压脉冲，被转变为超音频的机械振动，以超声波的形式穿过容器底壁，向上传播到液体表面被反射后，返回换能器，重新转换为电压脉冲。用计时电路测定超声波在液体中来回的时间t，则液面高度vtH21ν—超声波在液体中的传播速度超声波物位计组成：超声波发射、接收器（探头）及显示仪表超声波物位计原理框图物位计以微处理机8031单片机为核心，进行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速温度补偿功能及自动增益控制功能。2.优点不与被测液体接触，特别适于强腐蚀性、高压、有毒、高粘度液体的测量。连续测量液位，没有机械可动部件，使用寿命很长。但被测液体中不能有气泡和悬浮物，液面不能有很大的波浪，产生误差。安装方便，启动简单，换能器怕热，不适于高温液位的测量。测量精度主要受声速ν随温度变化的影响，须采取措施消除声速变化的影响。+-h1h2法兰液位计测量液位用差压变送器测量液位+-h1h2最高液位最低液位△P/kPaI出/kPa1000-200600200CB400800Ah3最高液位h+-h1h2最低液位h0最高分界面h+-h1h2最低分界面通常分界面p1p2ρ2ρ1