检测技术与自动化仪表-第7章.物位检测

1自动检测技术与仪表第二篇过程参数检测技术第二篇过程参数检测技术4温度检测7物位检测5压力检测8机械量检测6流量检测9成分分析仪表7物位检测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2自动检测技术与仪表7物位检测7.1物位的定义及物位仪表的分类7.1.1物位的定义7.1.2物位仪表的分类7.2常用物位检测仪表7.2.1静压式液位检测仪表7.2.2浮力式物位检测仪表7.2.3其它物位测量仪表7.3影响物位测量的因素7.3.1液位测量的特点7.3.2料位测量的特点7.3.3界位测量的特点3自动检测技术与仪表7.1物位的定义及物位检测仪表的分类7.1.1物位的定义在生产过程中常通过检测储物在容器中的积存高度来实现固体(块料、粉料或颗粒)、液体的储量测量，储物的堆积高度就叫做物位。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、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。界位指相界面位置。物位4自动检测技术与仪表7.1物位的定义及物位检测仪表的分类7.1.2物位检测仪表的分类（按工作原理分类）②静压式物位检测仪表①直读式③浮力式④机械接触式⑤电气式⑥其他基于流体静力学原理。液面高度与液柱重量相应的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量压力测知液位。压力式吹气式差压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。重锤式旋翼式音叉式基于阿基米德定律。浮子或浮筒的浮力随液面变动会相应变化，从而可检测液位。浮子式浮筒式当物位变化时敏感元件的电气参数如电阻、电容等也改变，检测电量可知物位。电阻式电容式超声式微波式射线式称重式利用声学、光学和射线等方式检测物位。用侧壁开窗口或旁通管方式直接显示物位玻璃管式玻璃板式参见教材P100“表7-1”★☆☆☆5自动检测技术与仪表7.2常用物位检测仪表7.2.1静压式液位检测仪表㈠工作原理差压式液位计原理图ρ-被测介质密度g–重力加速度gHppB0将差压变送器的一端接液相，另一端接气相，gHpppB0因此：有：gHppABgHpppAB大气大气差压变送器吹气式液位计见教材P101“图7-5”差压式液位计★？6自动检测技术与仪表7.2常用物位检测仪表7.2.1静压式液位检测仪表㈡零点迁移问题01111pgHghp02ppghgHp11121ppp一般情况图A01211pgHghp0222pghpghhgHp212121ppp011pgHp02ppgHp121ppp图C隔离罐图B差压变送器差压式液位计★7自动检测技术与仪表7.2.1静压式液位检测仪表㈡零点迁移问题ghhgHp2121ghgHp111gHp1一般情况图A无迁移正迁移gh21迁移量负迁移迁移量ghh212图C隔离罐图B差压变送器H=0时，△p=0则不需要迁移H=0时，△p＞0则需要正迁移H=0时，△p＜0则需要负迁移差压式液位计★7.2常用物位检测仪表8自动检测技术与仪表7.2.1静压式液位检测仪表㈡零点迁移问题零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin（如4mA）正负迁移示意图正迁移无迁移负迁移某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，对应变送器的输出为4～20mA，这是无迁移的情况。正、负迁移如右图所示。举例量程没有改变测量范围平移差压式液位计★ghhgHp2121ghgHp111gHp1无迁移正迁移gh21迁移量负迁移迁移量ghh212？7.2常用物位检测仪表9自动检测技术与仪表7.2.1静压式液位检测仪表㈢用法兰式差压变送器测量液位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，应使用法兰式差压变送器，如图示。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—变送器法兰式差压变送器按其结构形式分单法兰式和双法兰式。差压式液位计★7.2常用物位检测仪表10自动检测技术与仪表单法兰插入式差压变送器1-挡板；2-喷嘴；3-弹簧；4-反馈波纹管；5-主杠杆；6-密封片；7-壳体；8-连杆；9-插入筒；10-膜盒双法兰式差压变送器1-挡板；2-喷嘴；3-杠杆；4-反馈波纹管；5-密封片；6-插入式法兰；7-负压室；8-测量波纹管；9-正压室；10-硅油；11-毛细管；12-密封环；13-膜片；14-平法兰7.2.1静压式液位检测仪表㈢用法兰式差压变送器测量液位差压式液位计★力矩平衡式原理7.2常用物位检测仪表11自动检测技术与仪表7.2.1静压式液位检测仪表已知：ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位变化范围0～2.5米，求：变送器的量程和迁移量。例一隔离罐差压变送器被测介质密度ρ1隔离介质密度ρ2Hmaxρ1g=2.5×1200×9.8=29400Pa变送器量程可选为：45kPa当不考虑迁移量时,变送器测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。解：ghhgHp2121当H=0时，－ρ2g（h2－h1）=－4×950×9.8=－37.24kPa变送器需要进行负迁移，迁移量为－37.24kPa差压式液位计★？测量范围?－37.24～7.76kPa7.2常用物位检测仪表12自动检测技术与仪表p2p1p0ρh2h1H被测介质密度ρ毛细管内介质密度ρ0ρ0ρ07.2.1静压式液位检测仪表例二已知被测液位的变化范围为0～3m，ρ=900kg/m3，ρ0=950kg/m3。h1=1m，h2=4m。求变送器的测量范围，判断零点迁移方向，计算迁移量；当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时，问对测量有何影响?ghgHpp0101ghhpp01202因此ghgHppp0221应进行负迁移,迁移量为－h2ρ0g当变送器安装高度改变时，只要两个取压法兰间尺寸h2不变,其迁移量不变)(2648781.99003maxmaxPagHp解：可选0～40kPa差压式液位计★－h2ρ0g～(40－h2ρ0g)kPa？7.2常用物位检测仪表13自动检测技术与仪表p2p1p0ρh2h1Hρ0ρ0ghgHp027.2.1静压式液位检测仪表差压式液位计★差压变送器ghgHp111正迁移量程负迁移迁移量gHp1无迁移隔离罐ghhgHp2121测量范围？7.2常用物位检测仪表14自动检测技术与仪表弹簧浮筒差动变压器7.2.2浮力式物位检测仪表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程度不同及所受浮力不同来测定液位高低浮筒GF弹F浮两类浮力式液位计★“力平衡式+差动变压器式”变送器7.2常用物位检测仪表15自动检测技术与仪表7.2.2浮力式物位检测仪表恒浮力式液位计（浮标式、浮球式）变浮力式液位计（浮筒式、沉筒式）两类浮力式液位计★7.2常用物位检测仪表16自动检测技术与仪表电容器的组成1—内电极；2—外电极7.2.3其他物位测量仪表一、电容式物位计㈠测量原理dDLCln2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。7.2常用物位检测仪表17自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表一、电容式物位计㈡液位的检测)/ln(200dDLC当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为)/ln()(2)/ln(20dDHLdDHC当液位上升为H时，电容量变为HKdDHCCCiX)/ln()(200电容量的变化为非导电介质的液位测量1-内电极2-外电极3-绝缘套4-流通小孔电容量的变化与液位高度H成正比7.2常用物位检测仪表18自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表一、电容式物位计金属电极棒金属容器壁料位检测㈢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。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。)/ln()(20dDHCX电容量变化与料位的关系为7.2常用物位检测仪表19自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表二、超声波液位测量超声波探头发出超声波脉冲通过介质到达液面，并经过液面反射后又被探头接收。测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔和超声波脉冲在介质中的传播速度，便可以求出探头与液面之间的距离。超声波液位测量原理图单探头气体介质式双探头气体介质式单探头液体介质式双探头液体介质式7.2常用物位检测仪表20自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表二、超声波液位测量超声波探头发出超声波脉冲通过介质到达液面，并经过液面反射后又被探头接收。测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔和超声波脉冲在介质中的传播速度，便可以求出探头与液面之间的距离。7.2常用物位检测仪表21自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表三、微波式物位计微波式液位计示意图微波物位计又称雷达物位计，微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波从传感器传播至物料表面并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。cHt02微波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定：0HLH由于tcLH2故（c为微波的传播速度）7.2常用物位检测仪表22自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表三、微波式物位计微波超声波波类型电磁波机械波反射特性在不同介电常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压力影响微不足道很小温度影响微不足道需温度补偿传播速度约3×108m/s(真空中)344m/s(空气中，20℃)测量盲区到天线顶端离辐射面＞250㎜动态范围高达150dB高达100dB传播环境很少受气相环境影响要求均一的气体环境微波物位计和超声波物位计的主要差别比较7.2常用物位检测仪表23自动检测技术与仪表用放射线进行物位检测的多种方式辐射源接收器7.2.3其他物位测量仪表四、核辐射物位计㈠工作原理核辐射线（通常为γ射线）穿过一定厚度的被测介质时，射线的投射强度将随介质厚度的增加而呈指数规律衰减。HeII0I0-进入物料之间的射线强度；μ-物料的吸收系数；H-物料的厚度；I-穿过介质后的射线强度。7.2常用物位检测仪表24自动检测技术与仪表使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响；适用于高温、高压、强腐蚀、剧毒等条件苛刻的场合；核射线能够直接穿透钢板等介质，可用于高温熔融金属的液位测量。7.2.3其他物位测量仪表㈡特点和要求四、核辐射物位计辐射源接收器射线对人体有害，因此射线的剂量应严加控制；同时必须切实加强安全防护措施。工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计7.2常用物位检测仪表25自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表五、光纤液位计当棱镜位于气体中时，由光源经发射光纤传到棱镜与气体界面上的入射光线被全部反射到接收光纤上，并经接收光纤传送到光电检测单元中；当棱镜位于液体中时，由于液体的折射率比空气大，入射光线在棱镜中的全反射条件被破坏，其中的一部分光线将透过界面而泄露到液体中去，致使光电检测单元接收到的光强减弱。根据传感器的光强信号判断液位的高度7.2常用物位检测仪表26自动检测技术与仪表7.2.3其他物位测量仪表六、激光测量物位7.2常用物位检测仪表27自动检测技术与仪表7.3影响物位测量的因素7.3.1液位测量的特点①当物料流进流出时，会使液面波动。在生产过程中可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面模糊。②大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。③容器中的液体呈高温、高压或高黏度，或含有大量杂质、悬浮物等。7.3.2料位测量的特点①料面不规则，存在自然堆积的角度。②物料排出后有滞留区。③物料间的空隙不稳定