第七章 物位测量.

自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege第七章物位测量自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege物位---指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。液位---液体介质液面的高低；界位---液体—液体或液体—固体的分界面；料位---固体粉末或颗粒状物质的堆积高度。物位测量---液位、界位及料位的测量统称为物位测量。物位计---测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象不同，可分为液位计、料位计。为满足生产过程中各种不同条件和要求的物位测量，物位计的种类很多，测量方法也各不相同。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(1)液面测量的工艺特点①液面是一个规则的表面，但当物料流进流出时，会有波浪，或在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象。②大型容器中常会出现液体各处温度、密度和强度等物理量不均匀的现象。③容器中常会有高温高压，液体黏度很大，或含有大量杂质悬浮物等。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(2)料位测量的工艺特点①物料自然堆积时，有堆积倾斜角，导致料面不平。物料进出时，又存在着滞留区，部分物料“挂”在容器出口的边缘，影响着物位最低位置的准确测量。②储仓或料斗中，物料内部存在大的孔隙，或粉料之中存在小孔隙，前者影响对物料储量的计算，而后者则在振动、压力或湿度变化时使物位也随之变化。界位测量中最常见的问题是界面位置不明显，浑浊段的存在影响准确测量。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.1浮力式液位测量7.1.1测量原理浮力式液位测量是应用浮力原理测量液位的。它利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化；或利用浮子浮力随液位浸没高度而变化。前者称为恒浮力法，后者称为变浮力法。（1）恒浮力法液位测量W−F=GW—浮子所受重力，N；F—浮子所受浮力，N，G—平衡重物的重力，N。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege设浮子为扁圆柱形，其直径为D、高度为b、重量为W，浮子浸没在液体中部分高度为Δh，液体介质密度为ρ，液面高度为H。当它受的浮力F与本身的重量w相等时，浮子平衡在某个位置当液面H变化时，浮子随之上升，Δh应不变化才能准确地测量。由于温度或成分变化会引起介质密度变化，或由于黏性液体的黏附，腐蚀性液体的浸蚀以致改变浮子的重量或直径，这些都会引起测量误差。当液位变化一个ΔH时，浮子沉浸在液体中的部分变大，浮力增加，原来的平衡关系被破坏，浮子上浮，其浮力变化ΔF为自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege浮子随液位变化而上下浮动的原因是浮力的变化ΔF，只有在浮力ΔF大到能够使浮子动作时，才能反映出液位的变化。由于仪表各部分具有摩擦，所以只有当浮力变化ΔF达到一定数值ΔF’，能克服摩擦时，浮子才开始动作，这就是仪表产生不灵敏区的原因。ΔH/ΔF’表示液位计的不灵敏区，ΔF’为浮子开始移动的浮力自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege设计浮子时，适当地增加浮子的直径D，可有效地减小仪表的不灵敏区，提高仪表的测量精度。扁平形浮子做成大直径空心扁圆盘形，不灵敏区较小，测量精度高。因此，它可测量重度较小的介质液位。对高频小变化的波浪，其抗波浪性也高。但对液面的大波动则比较敏感，易随之漂动。高圆柱形浮子的高度大、直径小，所以抗波浪性也好，但对液面变动不敏感，因此用它做成的液位计精度差，不灵敏区较大。扁圆柱形浮子的抗波浪性和不灵敏区在上述两者之间，由于其结构简单，易于加工制作，在实际工作中被大量采用。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(2)变浮力法液位检测将一个截面相同、重量为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重力被弹簧的弹性力所平衡。当浮筒的一部分被液体浸没时，由于受到液体的浮力作用而使浮筒向上移动，当与弹性力达到平衡时，浮筒停止移动，此时满足如下关系。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege当液位变化时，由于浮筒所受浮力发生变化，浮筒的位置也要发生变化。如液位升高ΔH，则浮筒要向上移动Δx，此时的平衡关系为上两式相减：浮筒产生的位移Δx与液位变化ΔH成比例自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.1.2恒浮力式液位计(1)浮球式液位计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(2)磁浮子式液位计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege磁翻板液位计自被测容器接出不锈钢管，管内有带磁铁的浮子，管外设置一排轻而薄的翻板，每个翻板都有水平轴，可灵活转动。翻板一面涂红色，另一面涂白色，翻板上还附有小磁铁，小磁铁彼此吸引，使翻板总保持红色朝外或白色朝外。当浮子在近旁经过时，浮子上的磁铁就会迫使翻板转向，以致液面下方的红色朝外，上方的白色朝外，观察起来和彩色柱效果相同，每块翻板高约10mm。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(3)浮子钢带式液位计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.1.3变浮力式液位计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.2静压式液位测量7.2.1测量原理通过测得容器内液柱高度产生的静压实现液位测量。根据流体静力学原理：gHpppAB敞口容器，则pA为大气压，gHppBpB—B点的表压力，Pa。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.2.2压力式液位计（1）测压仪表测量注意：①测压基准点与最低液位一致②(a)适合黏度较小、洁净液体的液位测量(b)适合黏度较大、不结晶、不凝固的液体的液位测量自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege(2)用吹气法测量适用于测量有腐蚀性、高黏度或含有悬浮颗粒液体的液位。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.2.3差压式液位计(1)零点迁移问题零点迁移：液面高度为零时，即便受附加静压差，输出仍为“零”三种情况:无迁移、负迁移和正迁移（a）无迁移。差压变送器正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，并保证正压室与零液位等高。gH10pp0ppgH1ppp差压变送器作用——将输入差压→4~20mA：Ｈ=０→ΔP=０→Ｉ=４ｍＡ;Ｈ=Ｈmax→ΔP=ΔPmax→Ｉ=２０ｍＡ自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege（b）负迁移当容器中液体上方空间的气体是可凝的，如水蒸气，为了保持负压室所受的液柱高度恒定，或者被测介质有腐蚀性，为了引压管的防腐，常常在差压变送器正、负室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。设隔离液的密度为ρ2，这时差变正、负压室所受到的压力分别为0121pgpgHh022pgphBgHghghgH122211ppp0)(212ghhB自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollegeBgHghghgH122211ppp0)(212ghhB当Ｈ=０时△P＝－Β＜０→Ｉ＜4ｍＡ→调节变送器上的迁移机构，实现△P＝－Ｂ→H=0→Ｉ＝4ｍＡ当Ｈ＝Ｈmax时△P＝Ｈmaxρ1ｇ－ＢＩ＝20ｍＡ说明:调整的压差Δｐ是作用于负压室且附加静压0→负迁移！自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege（c）正迁移设连接负压室与容器上部取压点的引压管中充满气体，并忽略气体产生的静压力，则差压变送器正、负压室受到的压力分别为011pgphgH0ppCgHghgH111ppp01ghC自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege当Ｈ=０时ΔP＝C０→Ｉ４ｍＡ→调节迁移机构:①当ΔP＝C时→Ｈ＝0→Ｉ＝４ｍＡ。②当Ｈ＝Ｈmax时→ΔP＝Ｈmaxρ1ｇ+C→I=20mA说明:调整的压差Δｐ是作用于正压室且附加静压0→正迁移！自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.3电容式液位测量7.3.1导电液体的液位测量当被测液位H=0时，即容器内实际液位低于h(非测量区)，传感器与容器之间存在分布电容，这时电容量C0为dDLC0'00ln2ε0’—聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数，F/m；L—液位测量范围(可变电容器两电极的最大覆盖长度)，mD0—容器内径，m；d—不锈钢棒直径，m。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege当液位高度为Ｈ时，传感器电容量ＣH为ε—聚四氟乙烯的介电常数，F/m；D—聚四氟乙烯套管外径，m。当容器内的液位由零增加到H时，传感器的电容变化量ΔC为自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege当电极确定后，ε、D和d都是定值，故可以将式子改写为KHCdDKln2测量传感器的电容变化量就可方便地求出被测液位。绝缘材料的介电常数ε较大，绝缘层厚度较薄，即D/d较小时，传感器的灵敏度较高。传感器的电容变化量与液位变化量之间有良好的线性关系。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege使用注意事项液位传感器适用于电导率不小于10-2S/m的液体;被测液体黏度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极套管上产生黏附层，该黏附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。这种液位传感器的底部约有10mm的非测量区。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege7.3.2非导电液体的液位测量当测量液位H=0时，两电极间介质是空气，这时传感器的初始电容量C0为dDLCln200ε0—空气的介电常数，F/m；L—两电极的最大覆盖长度，mD---外电极的内径，m；d—内电极的外径，m。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院AutomationEngineeringCollege当液位高度为Ｈ时，传感器电容量ＣH为dDHLdDHCHln)(2ln20当容器内的液位由零增加到H时，传感器的电容变化量ΔC为dD