第11章 物位检测技术

第11章物位检测技术1概述物位检测包括液位、料位和相界面位置的检测。它一般是以容器口为起点，测量物料相对起点的位置。液位指液体表面位置，液面一般是水平的，但在有些情况下可能有沸腾或起泡。料位指容器中固体粉料或颗粒的堆积高度的表面位置，一般固体物料在自然堆积时料面是不平的。相界面指同一容器中互不相溶的两种物质在静止或扰动不大时的分界面，包括液—液相界面、液—固相界面等，相界面检测的难点在于界面分界不明显或存在混浊段。211.1液位检测11.2物位检测11.3相界面的检测11.4物位仪表分类与选用311.1液位检测方法液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。411.1.1力学法检测液位11.1.2电学与电磁法检测液位11.1.3声学与光学法检测液位11.1.4其它液位检测技术11.1液位检测方法5由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：gPH3/mkg11.1.1力学法检测液位1.压力法检测液位压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。式中，——被测液体的密度()。6用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计如图11-11.压力法检测液位72.浮力法检测液位11.1.1力学法检测液位浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。8（1）钢带浮子式液位计图11-2为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。2.浮力法检测液位9(1)钢带浮子式液位计平衡时，浮子重量与钢带拉力之差W与浮力相平衡：hDgW42HhH当液位变化时，浮子浸入深度应保持不变才能使测量准确，但由于摩擦等因素，浮子不会马上跟随动作，它的浸入深度的变化量为，所受浮力变化量:HDgF42克服了摩擦力fr后浮子才会开始动作，这就是仪表不灵敏区的产生原因。10由此可见灵敏度与浮子直径有关，适当增大浮子直径，会使相同摩擦情况下浮子的浸入深度变化量减小，灵敏度提高，从而提高测量精度24DgFHfHr(1)钢带浮子式液位计可知11（2）浮筒式液位计浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。图11-3为浮筒式液位计原理图2.浮力法检测液位12图11-3所示的液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即GgAHkx当液位发生变化时有GxHHgAxxk两式相减得xgAkH1（2）浮筒式液位计由此可见液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。13钢带浮子式液位计实物图浮筒式液位计实物图2.浮力法检测液位1411.1.2电学与电磁法检测液位1．电学法检测液位电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。15（1）电阻式液位计电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。图11-4为用于连续测量的电阻式液位计原理图1.电学法检测液位16整个传感器电阻为hKKhAHAhHAR21222该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。（1）电阻式液位计优点缺点结构和线路简单，测量准确，通过在与测量臂相邻的桥臂中串接温度补偿电阻可以消除温度变化对测量的影响。如极棒表面生锈、极化等，另外，介质腐蚀性将会影响电阻棒的电阻大小，这些都会使测量精度受到影响。17（2）电感式液位计电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。图11-5为电感式液位控制器的原理图电感式液位计由于浮子与介质接触。因此不宜于测量易结垢、腐蚀性强的液体及高粘度浆液。1.电学法检测液位18（3）电容式液位计1.电学法检测液位电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。19①检测原理在液位的连续测量中，多使用同心圆柱式电容器，如图11-6所示。同心圆柱式电容器的电容量dDLCln2液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。（3）电容式液位计20②安装形式电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别，图11-7为用来测量导电介质的单电极电容液位计HdDCxln2电容变化量与液位高度成正比（3）电容式液位计21图11-8为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计HdDCCCxln2'00电容变化量与液位高度成正比；金属套与内电极间绝缘层越薄，液位计灵敏度就越高。（3）电容式液位计222.电磁学法检测液位磁致伸缩液位计原理图11.1.2电学与电磁法检测液位磁致伸缩液位计的构成：探测杆，电路单元，浮子磁致伸缩液位计的具体测量原理23扩展阅读磁致伸缩液位JC3010系列特点：高稳定、高可靠、高精度可测液位、可测界面也可测温度和密度防腐、防爆长寿命、免维护、运行成本低安装方便、标定简单（按钮操作、无须液位升降）24扩展阅读技术参数测量范围：硬杆0～6m软缆0～22m精度：±0.01%或±1mm分辨率：±0.1mm供电：24VDC输出：模拟输出：二线制或三线制4—20mA数字输出：RS485温度检测：1～5个介质密度：≥0.4g/cm3介质温度：常温型—40℃～100℃，高温型0℃～280℃介质压力：≤10MPa环境条件：温度—20℃～70℃，相对湿度＜95%2511.1.3声学与光学法检测液位1.声学法检测液位超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，超声波在传播中遇到相界面时，一部分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。当由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。26超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。图7-17为单探头超声波液位计。其中(a)为气介式，(b)为液介式。(c)为固介式。1.声学法检测液位27单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器。由图11-10看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为Δt，则：tCL21L是与液位有关的量，故测出Δt便可知液位，Δt的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。1.声学法检测液位28超声波液位测量的优点：(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵，而且有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。1.声学法检测液位292.光学法检测液位激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大为提高。激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。图7-18为反射式液位检测原理图11.1.3声学与光学法检测液位3011.1.4其它液位检测技术不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0之间有如下关系：式中—吸收系数，条件固定时为常数。变形为：因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。HeII0IIHlnln101．射线法液位检测技术31核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，射线由盖革计数管吸收，每接收到一个粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。1.射线法液位检测技术32图11-22所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中(a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；(b)为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。1.射线法液位检测技术332．温差法液位检测技术11.1.4其它液位检测技术主要原理：两种不同物理状态的物质间会存在温度场（如气体与液体之间）。在同一温度场内的亮点可以认为温差近似为零，或者低于某一临界值，而不同温度场中的两点则会存在较大的温差，显著高于某一临界值。此时通过判断温度差即可判断出液面的位置。34测温法液位计原理图如图11-23所示2.温差法液位检测技术测温法液位计主要由温度传感器、信号处理电路和液位显示电路构成。一般在液体容器壁表面的上下方向安装两个以上温度传感器，由信号处理电路采集温度传感器信号并比较各相邻传感器的温度差，根据设定的临界值即可判断出当前的液位。3511.1液位检测11.2物位检测11.3相界面的检测11.4物位仪表分类与选用3611.2.1重锤探测与称重法检测料位11.1.2电磁法检测料位11.1.3声学法检测料位11.2料位检测3711.2.1重锤探测与称重法检测料位重锤探测法原理示意图如图11-24所示重锤连在与电机相连的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控制下动作，从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置；当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构停转——反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。1.重锤法38一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的，因此可用称重传感器或测力传感器测算出料位高低。图11-25为称重式料位计的原理图。11.2.1重锤探测与称重法检测料位2.称重法3911.2.2电磁法检测料位1.电阻式物位计测量原理示意图如图11-26所示两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。402.电容式料位计电容式料位计测量原理示