物位检测

2020/1/2117物位检测主要内容:7.1物位的定义及物位检测仪表的分类7.2常用物位检测仪表***7.3影响物位测量的因素2020/1/2127物位检测物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量。主要内容简介：物位的定义及物位检测仪表的分类常用的物位检测仪表—静压式、浮力式和电容式、超声波式、核辐射式影响物位检测的因素—液位测量的特点、料位测量的特点、界位测量的特点（物位的测量复杂而且精度易变）。2020/1/2137.1物位检测的定义及物位检测仪表的分类一、物位(level)的定义1.物位：指设备和容器中液体或固体物料表面位置。对应不同性质的物料又有以下定义：液位：指设备和容器中液体介质表面的高低。料位：指设备和容器中所储存的块状、颗粒状或粉末状固体物料的堆积高度。界位：指相界面位置。(液-液、液-固)分界面不够清楚，有浑浊段。☎物位是液位、料位、界位的总称。2.物位检测仪表：对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。2020/1/214二、物位检测仪表的分类✿按测量方式：连续测量和定点测量（物位开关）✿按工作原理：1.直读式：采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中的物位高度。主要用于液位检测和压力较低的场合。2.静压式：基于静力学原理液位检测，有压力式、吹气式和差压式。3.浮力式：基于阿基米德定律液位检测，有浮筒式和浮子式液位计。4.机械式：通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。有重锤式、音叉式。5.电气式：将电气敏感元件置于被测介质中，根据物位变化与电气参数变化关系来测量物位。其他方法如声学式、射线式、光纤式等，见表7－1。2020/1/2157.2常用物位检测仪表——直读式、静压式、浮力式和其他物位测量仪表一、直读式液位检测仪表测量原理：基于连通器原理而实现液位的测量。结构：如图，有不同的形式。连通阀，用于切断玻璃液位计与容器特点：最简单、经济2020/1/216二、静压式液位检测仪表✿工作原理：把物位的测量转换为压力或压差的测量。如图7-1所示。B点为选定的零液位。则从液面至零液位处的差压：式中ρ为被测介质密度；g为重力加速度。✿特点：测量简单、无可动部件、工作可靠、压力表精度高。2020/1/2171、压力、差压式液位计凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程均可用于检测液位。压力式液位计：用于敞口容器中液位的测量。差压式液位计：用于密闭容器中液位的测量。压力变送器2020/1/218压力信号的引出：采用引压管对于有腐蚀性、结晶颗粒或黏度大、易凝固的液体介质可用法兰式仪表（法兰式压力变送器）。如图7－3所示。仪表是用法兰直接与容器上的法兰相连，金属感压膜盒安装在法兰中，与测量室间用充满硅油的带保护套的毛细管相连。在这个密闭系统中充满硅油用以传递压力。注：法兰（flange）是一种盘状零件，在管道工程中，法兰主要用于管道的连接。2020/1/219读数的修正：由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器的最低液位处在同一高度上，因此在测量液位时，仪表的量程范围内会有一个不变的附加值。对于这种情况，要根据安装高度进行读数的修正。图(a)中的情况，差压计安装在最低液面以下，这时加在差压计两侧的差压为：这种附加差压可以调整仪表的零点来消除，即当差压计有hρg的差压作用时，其指示值调为零。这种零点迁移称为正迁移。2020/1/2110图(b)所示的系统为带有隔离介质的测量系统。此时加在差压计两侧的差压为：这种情况下的迁移量为负值，称为负迁移。2020/1/21112.吹气式液位计原理：如图7-5所示。把一根导管插入敞开容器的下部，空气经节流元件和压力计后由导管下部敞开逸出。当空气从导管下端以气泡形式流出时，管内压力与管口处的静压力相等，因此压力计指示值即可反映液位高度。当液位上升或下降时，管口处静压力变化，导致管口气体的流出量变化，因此管内压力变化。可用于腐蚀性较强或沉淀严重的液体。特点：可将压力检测点移至顶部，其使用和维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。精度影响：取决于测压仪表的精度，以及液体的温度对其密度的影响。（前两种液位计亦如此）2020/1/2112三、浮力式物位检测仪表——浮子式（恒浮力式）、浮筒式（变浮力式）1.浮子(bobber)式液位计——恒浮力式原理：把液位的变化传给浮在液面上的浮子，浮子受液体的浮力而漂在液面上，当浮力与重量相等时，浮子的位置就代表液位，并且随液位同步移动。浮子的形状：圆盘形、圆柱形和球形，要根据使用条件和使用要求来设计。浮子位置的检测方式：直接指示和信号远传。2020/1/2113※不灵敏区的大小与浮子的直径成反比，与液体的密度成反比。故一般把浮子制成扁平空心圆盘或扁圆柱形，当液面浮动较大且频繁时采用高圆柱形。灵敏区的减小还可以通过减小摩擦阻力的方法。工作原理：浮子所受的绳子拉力、重力和浮力相等时，处于平衡状态而漂浮在液面上，平衡重锤位置反映浮子的位置，从而知液位。例：浮子重锤液位计，如图7-6。※液位的变化只有克服了仪表的摩擦阻力之后达到一定的值时浮子才能运动，这是浮力式液位计存在不灵敏区的原因。2020/1/2114例：舌簧管式液位计—将液位的变化转为电信号的变化特点：结构简单、采用两个舌簧管可提高可靠性。但连续性差、量程不能太大2020/1/2115例：伺服平衡式浮子液位计，如图7-8：工作过程：液面变化瞬间引起浮力变化钢丝绳张力发生变化张力传感器输出变化输出偏差信号步进电机转动鼓轮的旋转量即步进电机的驱动步数反映液位的变化量传动轴转矩改变浮子移动至浮力恢复原值2020/1/21162.浮筒(buoy)式液位计——变浮力式液位计原理：浮筒是圆柱形的，利用浮筒被液体浸没高度不同引起的浮力变化而检测液位。如图7-9。1-浮筒2-弹簧3-差动变压器m为浮筒质量，A为截面积，c为弹簧的刚度，x0为压缩位移，ρ为被测液体密度，H为浮筒没入液体高度：2020/1/2117上式表明,弹簧的变形与液位变化成正比例关系。容器中的液位高度则为：xgAcH）（1所以：当液位变化△H时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。达到新的力平衡时，有以下关系：2020/1/2118弹簧的变形检测：在浮筒连杆上装指针直接指示液位。在连杆上端装有差动变压器铁芯（如上图），通过差动变压器输出相应的电信号，从而测出液位。通过扭力管将浮筒的线位移转变为角位移，通过霍尔片感受位移的变化输出霍尔电势，霍尔电势的大小与角位移成正比，经处理后可变为标准信号。2020/1/2119四、其他物位测量仪表——电容式物位计、超声式物位计、核辐射式物位计、物位开关1.电容式物位计——电气式（可测量液位、料位和界位）工作原理：圆筒形电容器的电容值随两极板之间的电介质的不同而变化，故可以通过测量电容量的变化来测量物位。由同轴圆筒电极组成的电容器的电容量为：D、d固定，则介电常数ε和L变化会引起电容变化。2020/1/2120图7-10电容式物位计原理如图7-10电容式物位计原理：)ln(2)ln()(22121dDHdDHLccc无液部分电容：)/ln()(211dDHLc有液部分电容：)/ln(222dDHc总电容：所以：HdDc)ln()(212可见，电容变化量与液位变化成正比。(ε2－ε1)值越大，灵敏度越高。2020/1/2121组成：测量电极和测量电路组成测量电极的型式：随被测介质的不同而不同。非导电液体液位测量同心套筒电极，外电极开许多孔1-内电极2-外电极3-绝缘套非导电固体料位测量1-内设的金属棒内电极2-金属容器壁作外电极构成同心电容器导电液体液位测量1-带绝缘套的金属棒作内电极2-绝缘套管4-导电液体作3-外电极粘度大的液体容易粘上，造成虚假液位2020/1/2122测量电路（电容的检测）：有交流电桥法、充放电法和谐振电路法，可以输出标准电流信号，实现远距离传送。特点：电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便、结构牢固，易维修；价格较低。但不适合于以下介质：介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等。(ε2－ε1)值越大，灵敏度越高。由于电容变化量比较小，所以对于电容式物位检测的关键是要检测出电容量。2020/1/2123声波式一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波；更低频率的机械波称为次声波；20kHz以上频率的机械波称为超声波。物位检测一般应用的都是超声波。超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质：①和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，且有各自的传播速度。②声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小。③声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波近似直线传播，具有很好的方向性。④当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为介质密度不同，声波传播速度不同，分界面上有反射和折射现象。2.超声式物位计——声学式物位检测2020/1/2124原理：利用声波的某些特性制成，如：声波阻断式—固体、液体或气体对声波的吸收能力不同（气体最大），由接收的超声波可知物体是否达到预定位置，可实现报警或定位检测。回波测距法—声波在介质中的传播有一定的速度，但在密度不同的介质分界面处会产生反射和折射。从发射超声波到收到反射回波的时间间隔与分界面位置有关，从而测得物位。分类：（针对回波测距法）固介式、液介式、气介式组成：超声换能器（由压电材料制称，完成电能和超声能的可逆转换，可以是接、收分开的双探头方式也可以是自发自收的单探头方式）。电子装置（用于产生电信号以激励超声换能器发射超声波，并接收和处理经超声换能器转换的电信号。）2020/1/2125补偿：由于超声波在介质中的传播速度易受温度和成分变化的影响，从而影响物位的测量，因此需要补偿。可以在超声换能器附近安装温度传感器，自动补偿因温度变化对物位测量的影响，还可以使用校正器，定期校正声速。特点：无机械可动部件，安装维修方便；超声换能器寿命长；可以实现非接触式测量、物位的定点测量，适合于有毒、高粘度及密闭容器物位的测量；对环境适应能力强，应用广泛。H探头如图为液介式超声波物位计的测量原理：c为超声波在介质中的传播速度，精确测量时间t后，可求得液位由超声波换能器到液面的距离H可由下式求出：ctH212020/1/21263.核辐射式物位计——射线式物位检测放射性同位素在蜕变的过程中会发射出α、β、γ三种射线。γ射线穿透能力最强，电离能力最弱。由于射线的可穿透性，常用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各行总参数的非接触式检测，如位移、材料厚度、流体密度、流量和物位等的检测。原理：射线在穿透物质时，它的强度随物质层的厚度指数降低，只要测出通过物质前后的辐射强度，就可知厚度（物位）。射线射入一定厚度的介质时，其强度与厚度的关系：不同的介质对射线的吸收能力不同，当射线源与被测介质确定后，则I0和μ（吸收系数）确定，测量射线通过物体后的辐射强度I即可测得物位。2020/1/2127组成：射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路●检测器前置放大整形计数显示放射源被测物电子转换指示放射源：一般为γ射线源，钴（Co)或铯（Cs)。射线检测器：可将射线的强度转换为电信号。电子电路：接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后输出与被测物位相应的标准信号。2020/1/2128检测方式：有固定安装式和随动式两种特点：具有非接触式测量的特点，可用于高温高压、真空密闭等各种容器中液体或固体物料的物位测量；可适应腐蚀、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。a)自动跟踪方式：电机带动射线源和接受器沿导轨随物位的变化而升降，且始终保持同一高度，可连续测量范围宽、但存在运动部件，结构复杂。b)固定安装方式：透射式测量，