3.5 物位检测仪表

3.5物位测量仪表物位检测是对设备和容器中物料储量的度量手段。为生产过程的正常运行提供重要依据。物位检测的应用目的：确定容器（设备）中介质的储存量，保证生产过程物料供应和平衡；检测工艺设备中介质物位，为工业控制提供必要的依据数据，保证生产过程的正常运行；检测料罐储量，为经济核算提供必要的数据；检测储罐物位，保证设备安全。3.5.1物位的定义物位指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。关于物位的相关定义。液位：描述设备和容器中液体介质表面的高低。料位：描述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：描述界面位置。一般指容器中液一液、液一固相界面的位置。h2h3h4p最高界位最低界位界面ρ1ρ2最高料位最低料位hp最高液位最低液位液位ρ1h3.5.2检测原理及物位检测仪表的分类1）检测原理：①基于力学原理敏感元件所受到的力(压力)的大小与物位成比例。例：静压式、浮力式和重锤式物位检测等；②基于相对变化原理当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。例如：声学法、微波法和光学法等；③基于某强度性物理量随物位的变化而增减的原理例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。2）物位仪表分类①按测量方式分类连续测量：能持续测量物位的变化，实时反映物位状态。定点测量：只监测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。②按工作原理分类直读式静压式浮力式机械式电气式a.直读式物位检测仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。代表仪表：玻璃管（板）式液位计主要用于液位检测和压力较低的场合液位就地指示。b.静压式物位检测仪表基于流体静力学原理，通过检测容器内流体的静压力确定容器内液位。代表仪表：压力式、吹气式差压式液位计一般适用于液位的检测。HAB敞口容器静压法液位测量HAB法兰式差压液位测量+－c.浮力式物位检测利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸没于液体中的物质受到的浮力随液位而变化来检测液位。前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，代表仪表：浮子式液位计、浮筒式液位计应用于液位检测。浮标式△xHh浮（沉）筒式液位计原理浮筒Cx0mgd.机械接触式物位检测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。代表仪表：重锤式旋翼式音叉式主要应用于固体料位检测e.电气式物位检测通过检测置于被测介质中的物位敏感元件随物位变化时电量变化检测物位。代表仪表：电容式物位计可用于液位检测，界面测量或料位检测。HLRr电容式物位计原理图f.声学式物位检测利用声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。代表仪表：超声波物位计可用于液位检测，界面测量或料位检测H探头超声波物位检测容器g.射线式物位检测通过检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时被吸收的程度检测物位。代表仪表：射线式物位计可应用于物位（液位、料位）的非接触式检测。其他物位检测方法：光学法、微波法、磁致伸缩式物位检测I0射线发物位测量3.5.3静压式物位检测1）检测原理将物位变化转换为静压变化A：实际液面，B：零液位，H：液柱高度，pA、pB：A点、B点的静压。若被测对象为敞口容器，则pA为大气压p0，上式变为HAB静压法液位测量原理根据流体静力学原理，A、B两点的压力差为BApppHg0BpppHg△p：B点压力与大气压的差值（B点的表压力）2）实现方法①主要应用仪表：压力变送器、差压变送器②测量方法：a.敞口容器：直接用压力检测仪表检测液位。描述式：注意事项：液体密度应为定值，否则会引起误差。压力仪表应与零液位点在同一水平面。若压力仪表与取压点(零液位)不在同一水平位置，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。HAB敞口容器静压法液位测量0BpppHg压力表h1h2HAB密闭容器静压法液位测量b.密闭容器：特点：容器下部的液体压力与液位高度及液面以上介质压力有关。考虑A、B两点间压力差结论：密闭容器场合，可以用测量差压的方法来测量液位。BApppHg+－压力表静压法液位测量注意事项：被测介质含有结晶颗粒，或具有腐蚀性以及粘度大、易凝固特性时，应注意引压导管易被腐蚀或堵塞。预防措施：应用法兰式压力(差压)变送器。特点：敏感元件为金属膜盒，膜盒直接与被测介质接触，经毛细管与变送器的测量室相通；毛细管内充以硅油，作为传压介质；HAB法兰式静压液位测量+－3）变送器量程迁移问题的提出：举例：表现：由于安装和介质特性引入了附加静压，零液位时变送器感受非零输入，仪表输出非零。量程迁移作用：使变送器在只受附加静压(静压差)作用时输出为“零”HAB差压变送器低于液位零点+－HAB具有蒸汽冷凝的液位测量+－冷凝罐hHAB法兰式静压液位测量+－ρ2ρ1量程迁移的种类无迁移：无附加静压差正迁移：附加静压力作用于变送器的正压室（零液位时正压室受压大于负压室）。负迁移：附加静压力作用于变送器的负压室（零液位时负压室受压大于正压室）。①无迁移分析：输出表现：液位零点变送器无附加静压差信号，输出零液位信号示意图：信号分析：正压室信号：p+=p0+Hρg负压室信号：p-=p0差压信号：HAB无量程迁移+－ρ输出特点：H=0；△p=0输出零液位信号H=Hmax：△p=Hmaxρg输出上限液位信号无需量程迁移。气体△p=p+-p-=Hρg②负迁移示意图：压力分析正压室信号：Hp液位零点负迁移图+－隔离罐h2h1ρ2ρ1附加静压力特性：零液位时变送器正、负压室不平衡。112ppHghg负压室信号：22pphgpp12pphg差压信号：迁移方向：负迁移迁移量：B122212()()pppHghhgHgBBhhg0;0HpppBp量程负迁移曲线示意图：△p△I迁移前迁移后B量程负迁移曲线图注意：迁移前后仪表量程不变，仅测量范围发生变化。（曲线平移）③正迁移示意图信号分析正压室信号：HAB+－h1pρ1ppHghg负压室信号：pp附加静压力特性：零液位时变送器正、负压室不平衡。pp1pphg差压信号：量程正迁移曲线示意图：11pppHghgHgAAhg迁移方向：正迁移迁移量：A0;0HpppAp△p△I迁移前迁移后A量程正迁移曲线图量程迁移小结：差压变送器量程选择依据：液位变化量。通过迁移装置改变量程的零点，其作用是同时改变测量范围的上下限，但是不改变量程。迁移量等于零液位时差压计正、负压室承受的压力差的绝对值。迁移方向取决于零液位时差压（△p=p+-p-)的符号。△p＞0：正迁移；△p=0：无需迁移；△p＜0：负迁移；量程迁移示意图：△p△I无迁移正迁移量程迁移曲线图负迁移H-BA例：用差压变送器检测液位。解：量程：液位变化范围(H)：0～3.0m差压变化量：Hp液位零点+－ρ2ρ2h2h1ρ1maxmax312009.835280pHgPa选差变变送器的量程△P=40kPa。请选择差压变送器的量程判断是否需要量程迁移若需要请计算迁移量。已知：ρ1=1200kg／m2，ρ2=950kg／m2，h1=1.0m，h2=5.0m，液位变化范围H：0～3.0m，g=9.8m／s。迁移：迁移方向：负迁移；迁移量：37240Pa迁移后量程范围：-37.24kPa~2.76kPa仪表信号：△p=-37.24kPa：Iout=4mA；H=0m△p=2.76kPa：Iout=20mA；H=3.4m注意：实际测量范围大于给定的液位变化范围。212()(5.01.0)9509.837240ppphhgPa量程调整：目的：使仪表的实际测量范围符合液位变化范围。做法：计算出液位实际变化范围对应的差压变化值，在实行迁移后通过量程调节措施修正仪表量程例：请通过量程调整使上例中H=3.0m时变送器满刻度输出。液位实际变化范围（H）：3m，（△pH=35.28kPa）迁移后差压量程起点：-37.240kPa量程调整：变送器在差压为-37.24+35.28=-1.96kPa时输出调整为20mA。描述曲线示意图迁移：迁移移动方式：平移迁移量：-37.24kPa量程调整：量程调整变化方式：改变输出信号曲线斜率△p△IH40kPa20mA3.4m-37.24kPa2.76kPa-1.96kPa3m3.5.4浮力式物位检测典型类型：恒浮式液位计主要包括浮标式、浮球式、浮顶式和翻板式等。原理图：NSNSS1S2S3S5S4磁浮子舌簧管式ACB浮标式浮顶式浮（沉）筒式液位计原理变浮力式液位计主要指浮（沉）筒式液位计原理图检测原理：力平衡原理分析：受力：浮筒重力（mg）、弹性力（Cx0）平衡关系mg=Cx0C：弹簧的刚度；x0：弹簧由于浮筒重力而产生的位移浮筒Cx0mg测量分析（部分侵入被测液体）浮筒受力及状态：重力：mg浮力：AhρgH=h+△xH：液位高度，h：浮筒实际浸没长度，△x：浮筒移动距离（弹簧位移改变量）弹性力：C(x0–△x)浮（沉）筒式液位计原理浮筒浮筒Hh△x力平衡描述：mg–Ahρg=C(x0–△x)Ahρg=C△xρ：介质（液体）密度。一般有，h△xH≈h，液位H描述式：注意事项：测量范围：液位变化范围小于浮筒长度浮筒重量：应大于所排出液体的重量。应用：用于液体液位检测、或界面检测。浮筒△xHh浮（沉）筒式液位计原理CHxAg3.5.5电气式物位检测电气式物位检测是利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。分类（依据电量参数）：电阻式电容式电感式目前电容式为最常见。LRr电容式物位计原理图电容式物位检测原理：基于圆筒电容器工作原理。原理结构图：圆筒电容量描述式：工作状态分析：设圆筒电容二极板之间的H高度范围内被介电常数为ε2的液体侵没。102ln(/)LCRr12122()2ln()ln()LHHCCCRrRrε1：二极板间介电常数H电容描述式：C1C2整理有：结论：圆筒形电容器的几何尺寸L、R和r及介电常数不变时，电容器电容增量△C与电极被介电常数为ε2的介质所浸没的高度H成正比关系。两种介质的介电常数的差值(ε2-ε1)越大，则△C也越大，即相对灵敏度越高。可用于固态或液态介质的物位测量。注意：一般应用于介质为非导电物质。测量非导电介质物位时属于变介质性电容传感器12122()2ln()ln()LHHCCCRrRr0212()ln(/)CCCCHRr102ln(/)LCRr导电液体的电容式液位测量电容用于导电介质的液位检测．电极要用绝缘物覆盖，而液体和外圆筒一起作为外电极（绝缘物为中间介质）。原理图：等效电路：2R2r电极HL导电液体绝缘材料R1ε1ε3导电液体电容式液位测量C11C12C2测量等效电路C12C11C2测量导电介质物位属于变面积型电容传感器。电容描述：ε1：被测液位上方气体介电常数ε3：绝缘物的介电常数；R1：容器的内半径。3111121322()ln(/)2()ln(/)2ln(/)LHCRrLHCRRHCRr2R2r电极HL导电液体绝缘材料R1ε1ε3导电液体电容式液位测量C12C11C2一般有：ε3＞＞ε1，R1＞＞R，C12＜＜C11。忽略C11的影响，等效电容C为31112211222ln(/)ln(/)ln(/)HLHCCCRRRRRr310122ln(/)ln(/)HLCCKHRRRr31111222ln(/)ln(/)ln(/)HHHRRRrRR忽略C11C12C2测量等效电路提示：电容式物位计主要由电极(敏感元件)和电