物位传感器的认识

宁静致远日照职业技术学院第四章物位传感器4.1物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院主要内容单元一物位传感器的认识单元内容一、知识讲解1、直读式液位计2、浮力式液位传感器及变送器3、差压式物位传感器4、电容式物位传感器5、超声波式物位传感器6、核辐射式物位传感器7、雷达物位传感器8、射频导纳物位传感器二、归纳总结三、作业1学时宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识教学目标教学目标(1)了解物位测量的基本概念，学习物位检测的方法和分类；(2)掌握常用的物位计如浮力式液位计、差压式液位计、电容式液位计、超声波式物位计等几种典型物位计的结构、测量原理、特点和使用方法；(3)能识别不同种类的物位传感器；(4)能区分常见物位传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。教学重点难点重点难点浮力式液位测量、差压式液位测量、超声波液位测量、电容式液位测量、超声波式物位测量、核辐射式物位测量工作过程及测量方法。各类物位测量仪表工作原理，仪表信号采集与测量。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。如何进行物位检测呢？宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。物位的基本概念物位――指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称。液位――指容器中的液体介质的高低。料位――指容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。界位――指两种不溶液体介质的分界面的高低。物位检测的作用①确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；②为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；③对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识一、直读式液位计直读式液位计是根据流体的连通性原理测量液位。如玻璃管液位计、玻璃板液位计等。UGS型石英玻璃管彩色液位计是传统玻璃板及玻璃液位计的换代产品，也是一种直读式测量仪表。它具有内部结构设计严密外观造型优美，维修，安装方便等优特点。它广泛应用于石油、化工、冶金、电力、制药、造纸等行业的各种透明液体储罐及锅炉上，如油品、液化气、化工原料等介质的储罐。安装在各种液体储罐及锅炉上，通过它直观地观察到容器中液体的变化，有液部位显示绿色，无液部位显示红色，随液位升降而自动连续变化。宁静致远日照职业技术学院彩色石英管液位计原理：UGS玻璃管彩色液位计有石英玻璃管，壳体，上，下阀门组件等组成一个连接体。通过法兰与储罐上的法兰对接形成一个连通回路，根据边通原理，液位计中液位高度就是容器内液体的真实高度，液位计本体运用光学的透反原理，使有液部位呈现绿色，无液部位显示红色，从而是界面清晰，泾渭分明。也可根据用户需求做成无盲区型、耐腐型等。4.1物位传感器的认识结构图宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识当用玻璃液位计进行精确测量时应注意：1、应使容器和仪器中的介质具有相同的温度，以免因密度不同而引起示值误差。2、玻璃液位计管径不宜太小，以免因毛细现象而引起示值误差。3、应尽量减小连通管上的流动阻力，以减小液位快速变化时产生的动态误差。4、为了改善仪表的动态性能，也不能把连通管上的阀门省掉。当玻璃管或玻璃板一旦发生损坏时，可利用连通管上的阀门进行切断，以免事故扩大。宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识二、浮力式液位传感器及变送器1.恒浮力式液位传感器最原始的恒浮力式液位传感器，是将一个浮子置于液体中，它受到浮力的作用漂浮在液面上，当液面变化时，浮子随之同步移动，其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用这种方法指示，下图是水塔水位测量示意图。液面上的浮子由绳索经滑轮与塔外的重锤相连，重锤上的指针位置便可反映水位。但与直观印象相反，标尺下端代表水位高，若使指针动作方向与水位变化方向一致，应增加滑轮数目，但引起摩擦阻力增加，误差也会增大。1.浮子2.沿轮组3.重锤宁静致远日照职业技术学院2.变浮力式液位传感器沉筒式液位传感器是利用变浮力的原理来测量液位的。它利用浮筒在被测液体中浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。4.1物位传感器的认识工作原理图工作原理：当液位高度为H时，浮筒受到液体对它的浮力作用而向上移动，设浮筒实际浸没在液体中的长度为h，浮筒移动的距离即弹簧的位移变化量为Δx，即H=h+Δx。当浮筒受到的浮力与弹簧力mg-Ahρg=C（x-Δx)式中,ρ为浸没浮筒的液体密度。宁静致远日照职业技术学院主要内容4.1物位传感器的认识三、差压式液位传感器差压式液位传感器是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理来检测液位的。利用压力或差压传感器测量静压的大小，可以很方便地测量液位，而且能输出标准电流信号。1、工作原理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，如图所示。设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p1，则：p2p1p1=Hg+p2Δp=p1-p2=Hg式中：H—液位高度；—介质密度；g—重力加速度。宁静致远日照职业技术学院。4.1物位传感器的认识敞口容器的液位检测密闭容器的液位检测1-容器；2-待测液体；3-玻璃管；4-阀门若被测容器是敞口的，则气相压力为大气压，只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送器，或用压力表即可测量。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识2、零点迁移问题差压变送器安装位置条件不同存在着仪表零点迁移问题。（1）无迁移理想测量条件下，液位H=0时，变送器的输入压差信号∆P=0，差压变送器的输出为零点信号4mA。零点是对齐的：H＝0时p=Hg=0I0=4mA这种情况称为无迁移。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识实际应用时，由于差压变送器安装位置的限制，测量零点很难对齐，需要对变送器的零点进行迁移。（2）负迁移如图所示，变送器和容器之间用隔离罐隔离时：Δp=p1-p2=(h12g+H1g+p0)－(h22g+p0)=H1g-(h2-h1)2g此时，变送器应输出4mA以下，但变送器的输出只能是4~20mA。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识零点迁移的方法是，另加＋(h2-h1)2g信号，抵消－(h2-h1)2g的影响。使：H=0时，Δp=0H∆p0I/mA∆p420H∆p0I/mA∆p420迁移后迁移前宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识（3）正迁移有时变送器不能和容器底部安装在同一水平面上。如图所示，有：∆P=Hρg＋hρgH=0时，∆P=＋hρgH∆p0I/mA∆p420宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识此时需要迁移＋hρgH∆p0H∆p0迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点相对应。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识四、电容式物位计电容物位计：将物位的变化转换成电容量的变化来进行物位测量的仪表。电容式物位计适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。电容物位计由传感器、电容检测两大部分组成。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识电容式物位计以电容器作为敏感元件将被测物位（液位或料位）变化转换为电容容量变化，然后再经信号调理电路处理后进行液位（料位）显示或记录的测量系统。平行板电容传感器圆筒型电容传感器对于平行板电容传感器，如果不考虑边缘效应其电容量为宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识显然，电容量C是S，ε和d的函数。如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介电常数型三类。1.变极距型电容式传感器的电容量C与极板间距d成双曲关系用于测量微小位移。2.变面积型电容传感器有线位移和角位移两种。3.变介电常数型电容传感器的电容量C与被测介质的介电常数和厚度有关，如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪、液位（料位）计。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：1、电极必须垂直安装，安装前要校直。2、注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。3、仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。4、同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。5、当被测介质改变后，需重新调整仪表。6、当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识五、超声波式物位传感器声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，它按频率不同可分为次声波、声波和超声波等。物位检测中常用超声波的工作频率范围为0.25～20MHz，超声波在介质中传播时具有方向性好、能量损失小等特点，在气体、液体及固体中传播时，具有一定的传播速度，在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗(声速与介质密度的乘积)差别较大的相界面，几乎为全反射。超声波式物位传感器按使用特点不同可分为：连续式超声波物位计和超声波物位开关两大类。宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识物位测量过程中，超声波信号由超声波探头发出，经液体或固体物料表面反射后折回，由同一个探头接收，测量超声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。声波传输距离与声速和声传输时间的关系可用公式表示：L=vt/2L：超声波探头距所测料面距离。单位：m；v：经温度补偿后的声速值。单位：m/s；t：测量范围内声波的运行时间。单位：s1、连续式超声波物位计五、超声波式物位传感器双探头液介式超声波液位计，被测液位高度可用下式表示2224LtvL宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识物位升高到换能器高度时，超声波声路将会被阻断，接收换能器就接收不到超声波，控制器即可发出相应的开关控制信号。发射换能器接收换能器发射换能器接收换能器（1）气介穿透式超声波物位开关用于判断被测物位是否达到预定的高度，并可发出相应的开关信号。2、超声波物位开关4.1物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识料位正常时料位达到报警限时液介穿透式超声波物位开关是利用固体与液体和固体与气体的声阻抗差有差别特性而工作。当液位处于正常范围时，换能器之间的间隙（即小槽）内充满气体，由于固体与气体的声阻抗差别很大，超声波的大部分将在固-气界面上被反射，接收换能器所接收到的能量很小。当液位升高到报警限时，间隙内充满液体，由于固体与液体的声阻抗接近，则超声波穿透固-液界面时的损耗就较小，大部分超声波能量可被接收换能器所接收。根据接收换能器所接收到的能量大小不同，可判断换能器间隙是液体还是气体，可判断液位是否达到预定的高度。（2）液介穿透式超声波物位开关发射换能器接收换能器不锈钢外壳宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识声阻式超声波物位开关是利用气体和液体对超声波振动的阻尼有显著差别这一特性而工作的。换能器的辐射面与气体接触时，气体对辐射面振动阻尼较小，换能器压电陶瓷的振幅就比较大；辐射面与液体接触时，液体对辐射面振动的阻尼较大，换能器压电陶瓷的振幅就较小。配以合适的电路，可自动判断被测液位是否到达探头所在高度。辐射面超声波换能器（3）声阻式超声波物位开关宁静致远日照职业技术学院4.1物位传感器的认识当放射源和被测介质确定后，I。和μ就都是常数，测出I即可求得被测介质厚度。HoeII射线的透射强度与介质厚度有关，在入射强度一定的情况下，透射强度会随着介质厚度的增加按指数规律衰减，其关系式为1、基本原理