化工测量及仪表第4章.

第4章物位测量化学工业出版社物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。如液体介质液面的高低称为液位；液体—液体或液体—固体的分界面称为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。液位、界位及料位的测量统称为物位测量。测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。为了满足生产过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很多，测量方法也各不相同，本章将对常用的物位测量方法及典型的物位计进行介绍。4.1浮力式液位计4.1.1浮子式液位计4.1.2浮筒式液位计浮子式液位计是应用浮力原理测量液位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化，浮子在测量中所受浮力为恒定值，故称为恒浮力法如图所示，将浮子由绳索经滑轮与容器外的平衡重物相连，利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。则平衡关系为GFW式中W——浮子所受重力；F——浮子所受浮力；G——平衡重物的重力。一般使浮子浸没一半时，满足上述平衡关系。测量原理4.1.1浮子式液位计当液位上升时，浮子被浸没的体积增加，因此浮子所受的浮力F增加，则W－FG，使原有的平衡关系破坏，则平衡重物会使浮子向上移动。直到重新满足上式为止，浮子将停留在新的液位高度上；反之亦然。忽略绳索的重力影响，W和G可认为是常数，因此浮子停留在任何高度的液面上时，F的值也应为常数，故称此方法为恒浮力法。这种方法实质上是通过浮子把液位的变化转换为机械位移的变化。测量原理4.1.1浮子式液位计在这种转换方式中，绳索两端垂直长度l1和l3不等时绳重以及滑轮的摩擦力会使平衡条件受到影响，因而引起读数的误差。绳重引起的误差是有规律的，能够在刻度分度时予以修正。摩擦力引起的误差最大，且与运动方向有关，无法修正，惟有加大浮子的定位能力来减小其影响。浮子的定位能力是指浸没浮子高度的变化量ΔH所引起的浮力变化量ΔF，而ΔF=ρgAΔH，则得表达式为HHgAHF式中A为浮子的截面积，ρ为液体密度，g为重力加速度。可见增加浮子的截面积能显著地增大定位能力，这是减小摩擦阻力误差的最有效的途径。4.1.1浮子式液位计测量原理4.1.1浮子式液位计实例一:浮球式液位计浮球1是由金属(一般为不锈钢)制成的空心球。它通过连杆2与转动轴3相连，转动轴3的另一端与容器外侧的杠杆5相连，并在杠杆5上加上平衡重物4，组成以转动轴3为支点的杠杆力矩平衡系统。一般要求浮球的一半浸没于液体之中时，系统满足力矩平衡。当液位升高时，浮球被浸没的体积增加，所受的浮力增加，破坏了原有的力矩平衡状态，平衡重物使得杠杆5作顺时针方向转动，浮球位置抬高，直到浮球的一半浸没在液体中时，重新恢复杠杆的力矩平衡为止，浮球停留在新的平衡位置上。如果在转动轴的外侧安装一个指针，便可以由输出的角位移知道液位的高低。应用实例4.1.1浮子式液位计在与容器连通的非导磁(一般为不锈钢)管内，带有磁铁的浮子随管内液位的升降，利用磁性的吸引，使得带有磁铁的红白两面分明的翻板或翻球产生翻转。有液体的位置红色朝外，无液体的位置白色朝外，根据红色指示的高度可以读得液位的具体数值，实例二:磁翻转式液位计应用实例4.1.2浮筒式液位计测量原理浮筒式液位计利用浸没在液体中的浮筒测量液位的变化，浮筒在测量中所受浮力随液位浸没高度而变化，因此称为变浮力法。测量原理如图所示，将一个截面相同、重力为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，当浮力F与弹性力达到平衡时，浮筒停止移动，此时满足如下关系gAHWcx式中c——弹簧刚度；x——弹簧压缩位移；A——浮筒的截面积H——浮筒被液体浸没的高度ρ——被测液体密度；g——重力加速度。4.1.2浮筒式液位计测量原理当液位变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，浮筒的位置也要发生变化。例如液位升高ΔH，则浮筒要向上移动Δx，此时的平衡关系为gAHWcxgxHHAWxxc)()(又因为gxHAxc)(所以有HgAcgAx如果在浮筒的连杆上安装一个位移-电气转换装置，便可输出相应的电信号，实现液位的信号的远传和标准化处理。浮筒产生的位移Δx与液位变化ΔH成比例。4.1.2浮筒式液位计变浮力液位计实例——轴封膜片式浮筒液位计轴封膜片式浮筒液位计是的结构如图所示，它也是由测量和转换两部分组成。测量部分包括浮筒、主杠杆；转换部分包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器及放大器等，其作用是将测量部分产生的力矩转换为相应的电信号。当液位升高时，作用于浮筒上的浮力随之增大，此力作为输入力F1作用在主杠杆的一端，使主杠杆以轴封膜片为支点产生顺时针方向的转动。转换部分结构原理与电动差压变送器的转换部分相同，此处不再详述。4.2静压式液位计4.2.1静压法液位测量的原理4.2.2压力式液位计4.2.3差压式液位计4.2.1静压法液位测量的原理测量原理静压式液位的测量方法是通过测得液柱高度产生的静压实现液位测量的。其原理如图所示，pA为密闭容器中A点的静压(气相压力)，pB为B点的静压，H为液柱高度，ρ为液体密度。根据流体静力学的原理可知，A、B两点的压力差为gHpppABgHppB式中pB——B点的表压力。如果图中的容器为敞口容器，则pA为大气压，则上式可写为4.2.1静压法液位测量的原理测量原理由前式可知，液体任何一点的压力等于其表面压力加上液体密度与重力加速度及液柱高度的乘积。液体的静压力是液位高度和液体密度的函数，当液体的密度为常数时，A、B两点的压力或压差仅与液位高度有关。因此可以通过测量p或Δp来实现液位高度的测量。同时还可以看出，根据上述原理还可以直接求得容器内所储存液体的质量。因为p或Δp代表了单位面积上一段高度为H的液柱所具有的质量。所以测得p或Δp再乘以容器的截面积，即可得到容器中全部液体的质量。4.2.2压力式液位计用测压仪表测量压力式液位计是基于测压仪表所测压力高低来测量液位的原理，主要用于敞口容器的液位测量。必须指出，只有测压仪表的测压基准点与最低液位一致时，液位和压力的函数关系才能成立。如果测压仪表的测压基准点与最低液位不一致，必须要考虑附加液柱的影响，要对其进行修正。这种方式适用于粘度较小、洁净液体的液位测量。当测量粘稠、易结晶或含有颗粒液体的液位时，由于引压导管易堵塞，不能从导管引出液位信号，可以采用如图(b)所示的法兰式压力变送器测量液位的方式。如图所示。测压仪表（压力表或压力变送器）通过引压导管与容器底部相连，由测压仪表的指示便可知道液位的高度。若需要信号远传则可以采用传感器或变送器进行压力-电气信号转换。(a)(b)4.2.2压力式液位计用吹气法测量对于测量有腐蚀性、高粘度或含有悬浮颗粒液体的液位，也可以采用吹气法进行测量，如图4-2-3所示。在敞口容器中插入一根导管，压缩空气经过滤器、减压阀、节流元件、转子流量计，最后由导管下端敞口处逸出。压缩空气p1的压力根据被测液位的范围，由减压阀2控制在某一数值上；p2的压力是通过调整节流元件3保证液位上升至最高点时，仍有微量气泡从导管下端敞口处逸出。当液位上升或下降时，液封压力会升高或降低，致使从导管下端逸出的气量也要随之减少或增加。导管内的压力几乎与液封静压相等，因此，由压力仪表5所显示的压力值即可反映出液位的高度H。1—过滤器；2—减压阀；3—节流元件；4—转子流量计；5—测压仪表4.2.3差压式液位计零点迁移问题差压式液位计主要用于密闭有压容器的液位测量。由测量原理可知，凡是能够测量差压的仪表都可以用于密闭容器液位的测量。采用差压式液位计测量液位时，由于安装位置不同，一般情况下均会存在零点迁移的问题。(1)无迁移当液位由H=0变化到最高液位H=Hmax时，Δp由零变化到最大差压Δpmax，变送器对应的输出电流为Imin~Imax。变送器的测量范围不需要调整，称为无迁移。gHppp21如图所示，变送器安装高度与容器下部取压位置在同一高度。将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点p1、p2相连接，如果被测液体的密度为ρ，则作用于差压变送器正、负压室的差压为4.2.3差压式液位计零点迁移问题当H=0时，Δp=hρg0，并且为常数项，作用于变送器使其输出电流大于Imin；当H=Hmax时，最大压差Δp=Hmaxρg+hρg，使变送器输出电流大于Imax。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0，Δp=hρg时，其输出为Imin；当H=Hmax，最大压差Δp=Hmaxρg+hρg时，变送器的输出为Imax，从而实现变送器输出与液位之间的正常对应关系，此时变送器的测量范围发生变化，但量程仍然为Hmaxρg。由于调整的压差Δp是大于零(作用于正压室)的附加静压，所以称为正迁移。ghgHppp21（2）正迁移实际测量中，变送器的安装位置有时低于容器下部的取压位置，如图所示，变送器安装高度低于测量下限的距离为h。这时液位高度H与压差Δp之间的关系式为4.2.3差压式液位计零点迁移问题（3）负迁移有些介质对仪表会产生腐蚀作用。这些情况下，往往采用在正、负压室与取压点之间分别安装隔离罐的方法。因此，负压侧引压导管也有一个附加的静压作用于变送器，使得被测液位H=0时，压差不等于零。如图所示，负压导管充满高度为h的被测液体，则此时液位高度H与压差Δp之间的关系式为ghgHp由上式可知，当H=0时，Δp=－hρg0，作用于变送器会使其输出小于Imin；当H=Hmax时，最大压差Δp=Hmaxρg－hρg，使变送器输出小于Imax。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0时，Δp=－hρg0时，其输出为Imin;当H=Hmax、最大压差Δp=Hmaxρg－hρg时，变送器的输出为Imax；变送器的测量范围发生变化，实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系，但量程仍然为Hmaxρg。由于调整的压差Δp是小于零(作用于负压室)的附加静压，则称为负迁移。4.2.3差压式液位计特殊介质的液位、料位测量当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及粘度大、易凝固等介质的液位时，为解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可以采用法兰式差压变送器。如图所示，变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件的测量头1(金属膜盒)经毛细管2与变送器的测量室相连通，在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，起到变送器与被测介质隔离的作用。法兰式差压变送器有单法兰、双法兰、插入式或平法兰等结构形式，可根据被测介质的不同情况进行选用。法兰式差压变送器测量液位时，同样存在零点“迁移”问题，迁移量的计算方法与前述差压式相同。（1）腐蚀性、易结晶或高粘介质4.2.3差压式液位计特殊介质的液位、料位测量（2）流态化粉末状、颗粒状固态介质在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化床床层高度的测量。因为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量时，可以把它们看作流体对待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测差压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞，因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。流化床内测压点的反吹风方式如图所示，在有反吹风存在的条件下，设被测压力为p，测量管线引至变送器的压力为p2（即限流孔板后的反吹风压力），反吹管线压降为Δp，则有p2=p+Δp，看起来仪表显示压力p2较被测压力高Δp，在一定条件下，反吹风气量可以很小，因而Δp可以忽略不计，即p2≈p。4.3电容式液位计4.3.1非导电介质的液位测量4.3.2导电介质的液位测量4.3.3固体料位的测量4.3电容式液位计测量原理电容式物位传感器是根据圆筒形电容器原理进行工作的，结构如图所示。它