第五章 物位测量

第五章物位测量5.1概述5.2浮力式液位计5.3差压式液位计NortheasternUniversityOct18,2005◆了解物位测量的定义、目的、工艺特点和主要问题◆掌握物位测量仪表的分类◆掌握浮子式液位计和浮筒式液位计的结构和测量原理，并比较异同点◆了解工作原理5.4电容式液位计5.5其他物位计NortheasternUniversityOct18,2005◆掌握导电介质电容液位计和非导电介质电容液位计的结构和测量原理，并比较异同点◆了解超声波式物位计、核辐射式物位计、微波式物位计和激光式物位计的主要工作原理5.1概述NortheasternUniversityOct18,20051.物位测量的定义储物在容器中相对某一基准的堆积高度，是液位、料位、相界面位置的总称。5.1概述NortheasternUniversityOct18,20052.物位测量的目的◆是物料耗量或产品产量的计量参数◆是保证连续生产和设备安全的重要参数5.1概述NortheasternUniversityOct18,20053.物位测量的主要问题◆液位测量（1）液面不平；（2）物性参数不均匀且变化；（3）特殊情况。（高温、高压、高粘性、悬浮物杂质）◆料位测量（1）料面不平；（2）滞留区；（3）物料间空隙；◆相界面测量相界面不明显5.1概述NortheasternUniversityOct18,20054.物位仪表的分类◆直读式◆浮力式：浮子式、浮筒式、杠杆浮球式◆静压式：吹气式、差压式◆电磁式：电容式、电感式、电阻式◆声学式：气介式、液介式、固介式◆光学式：激光物位计◆其他：核辐射式、微波式、称重式、等等5.1概述NortheasternUniversityOct18,20055.1概述NortheasternUniversityOct18,2005NortheasternUniversityOct18,2005直读式物位计直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。5.2浮力式液位计NortheasternUniversityOct18,2005分为浮子式（恒浮力）和浮筒式（变浮力）两种。5.2.1浮子式液位计原理：浮子的位置随液面的升降而变化，利用浮子位移变化来测量液位。钢带浮子式液位计NS小磁针红色白色水平轴5.2.1浮子式液位计NortheasternUniversityOct18,2005设浮子为扁圆柱形，如图所示，浮子因受浮力漂浮在液面上，当它的浮力与本身的重量相等时，浮子平衡在某个位置。有hDW42W：浮子的重量；Δh：浮子浸没于液体的高度；γ：液体的重度。重度：单位体积物质的重量。γ=ρ×g5.2.1浮子式液位计NortheasternUniversityOct18,2005测量误差：当液面H发生变化时，浮子随之升降，Δh应不变化才能准确地测量。由于温度、成分变化引起介质密度（重度）变化，或由于粘性液体的粘附、腐蚀性液体的侵蚀改变了浮子的重量或直径，这些原因会引起测量误差。HDF42不灵敏区：当液位变化一个时，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，浮子要向上浮，其浮力的变化为：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达到一定数值，能克服摩擦时，浮子才动作，这就是浮力式液位计存在不灵敏区的原因。5.2.1浮子式液位计NortheasternUniversityOct18,2005ΔF′:克服摩擦、产生动作的最小浮力值。上式描述了液位计的不灵敏区。（为克服摩擦，液位需要波动的最小高度）适当增加浮子直径D，可以有效减小仪表不灵敏区。24'DFH5.2.1浮子式液位计NortheasternUniversityOct18,20055.2.2浮筒式液位计NortheasternUniversityOct18,2005原理：圆柱形的浮筒沉浸在液体之中，当液面变化时，它被浸没的体积也有变化，浮筒受到的浮力就与原来的不同，所以可通过检测浮力变化来测定液位。浮筒式液位计：变浮力；浮子式液位计：恒浮力。5.2.2浮筒式液位计NortheasternUniversityOct18,2005若液面上升ΔH，浮力增加，弹簧压缩变形为Δx，浮筒相对液面变化为（ΔH-Δx）则平衡式为：AHWcx设浮筒重量为W，截面积为A，液体重度为γ，液面高度为H，弹簧刚度为c，弹簧压缩位移为x，则：xHHAWxHHAWxxc][5.2.2浮筒式液位计NortheasternUniversityOct18,2005AHWcxxHHAWxxc两式相减得到：xKxAcH1因此,液位变化与弹簧变形程度成比例。弹簧变形转化为铁芯位移，铁芯位移由差动变压器转换成电压变化ΔU，进行测量。5.2.3浮子法测液-液相界面NortheasternUniversityOct18,2005原理：设开始时，浮子正漂浮在相界面处。两种液体的密度分别为ρ1和ρ2，浮球在两种液体中的体积分别是V1和V2，浮球的总重量为G，由浮子平衡原理知：2211gVgVG若浮球重量不变，介质密度不变，则浮球在两种介质中的体积亦不变。当界面上下移动时，浮球将随着上下移动，信号器发出预定的信号。5.2.3浮子法测液-液相界面NortheasternUniversityOct18,2005若介质的密度变化，虽然界面并未变化，但原来的平衡关系被破坏，浮球移动，V1和V2变化，直到新的平衡，将造成误动作。为了保持浮球与相界面的关系，应改变G使V1和V2关系不变。由上式可以导出：ggVV-GV121212应根据介质重度来调整重锤的重量G，或调整重锤的位置，以保证所控制界的高度。浮筒式液位计NortheasternUniversityOct18,20055.3差压式液位计NortheasternUniversityOct18,2005原理：容器中物料数量在增减时，容器底部或侧面感受的压力也在变化，若物料的密度为常数，则压力仅随物位的变化而变化，测量其压力就可以反映出物位的高低。对于有压密封容器，可通过测量液面上部空间和最低液面处的压差来实。差压变送器的高压室与容器下部取压点相连，低压室与液面以上空间相连（此与大气相通）。5.3差压式液位计NortheasternUniversityOct18,2005差压变送器的高压室较取压点低h2，取压点较最低液位低h1，需要测量的液位范围为H。这时差压变送器高低压室的压力分别为211hhHp02p两气室的压差：021210zHhhHpppz0:零点迁移量5.3差压式液位计NortheasternUniversityOct18,2005为了防止容器内液体和气体进入变送器的取压室造成管路堵塞或腐蚀以及为了保持低压室的液柱高度恒定，在变送器的高、低压室与取压点之间分别装有隔离罐。在隔离罐内充满隔离液，重度为γ2，通常γ2γ1。这时高、低压室的压力分别为：PHhp1211Php222高、低压室的压差为：CHhhHppp12221121其中：221hhC+-5.3差压式液位计5.4电容式液位计NortheasternUniversityOct18,2005原理：将被测介质与液位计共同构成电容，当被测介质液面变化时，将影响液位计电容。对于两个同轴圆筒极板组成的电容器：dDLCln2D：外电极内径；d：内电极外径；L：圆筒电极的长度；ε：中间介质的介电常数；5.4.1导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005原理：对于给定的圆筒电极，及D和d一定时，电容量C与圆筒长度L和介点常数ε的乘积成正比。若导电液体液位高度为H，将导电液体视为电容的另一极板，则电容量为：dDHLdDHC00ln)(2ln2ε0’：电极绝缘层与容器内气体公共组成的电容器等效介电常数5.4.1导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005当容器为空，即H=0时：dDLC000ln2代入上式：HdDdDCC000ln2ln2dDHLdDHC00ln)(2ln2得到：5.4.1导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005dDdDln2ln200当D0d,且ε0’ε时可写成：KCkH1HdDdDCC000ln2ln2其中：dDdDk001ln2ln215.4.1导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,20052ln1dDkk1倒数即为仪表的灵敏度S：dDdDk001ln2ln21KCkH1根据：dDSln2电极包裹层的介电常数越大，D与d的值越接近，仪表的灵敏度越高。注意：虚假液位5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005dDLCln2原理：当被测液体为非导电介质时，可以以液体作为电容极板间的介质，组成电容式液位计。分类：◆同轴套筒电极式电容液位计；◆裸金属电极电容物位计与导电介质电容物位计区别：导电介质电容物位计：将待测物料作为电极极板；非导电介质电容物位计：将待测物料作为极板间介质。5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005同轴套筒电极式电容液位计适用场合：◆非金属圆筒形容器或金属非立式圆筒形容器；◆流动性较好的非导电介质。5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005同轴套筒电极式电容液位计当容器为空时：dDLCln200当液位为H时：dDHLdDHCln)(2ln205.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005同轴套筒电极式电容液位计两式相减得到：KHdDHCCCxln)(200dDHLdDHCln)(2ln20dDLCln200dDKln)(20被测介质与空气的介电常数差别越大；D和d的比值越接近1，仪表灵敏度越高。5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005同轴套筒电极式电容液位计局限性：◆只适合流动性较好的液体；◆虚假液位现象更严重。5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005裸金属电极式电容液位计适用场合：◆金属立式圆筒形容器；◆粘度大的非导电介质；◆干燥小颗粒（粉状）绝缘固体。5.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005裸金属电极式电容液位计辅助电极的作用：消除介电常数变化的影响000ln)(20LdDCLHdDCx00ln)(2HLCCLx00扩展：电容测量电路NortheasternUniversityOct18,20055.4.2非导电介质电容液位计NortheasternUniversityOct18,2005特点◆被测介质适用性广◆适于各种恶劣的工况条件◆测量结果与介质密度、化学成分等因素无关。◆无可动部件，结构简单、性能可靠，造价低廉。◆要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，且需用高频电路。◆使用时需注意分布电容的影响。使用◆测两种液体间的相界面时，如均为不导电液体，可在