第四节 物位检测及仪表

第四节物位检测及仪表玻璃液位计差压式液位计液体的高度或自由表面的位置称为液位。固体块料、颗粒、粉料等堆积的高度或表面位置称为料位。在同一容器中，两种密度不同但互不相溶的液体之间或液体与固体之间的分界面位置高度称为界位。上述液位、料位、界位统称为物位。玻璃管液位计测量物位的仪表叫做物位计。按其工作原理不同可分为直读式物位仪表浮力式物位仪表静压式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表直读式物位计主要是玻璃液位计，玻璃液位计是按照连通器液柱静压平衡的原理工作的，按结果可以分为玻璃管式和玻璃板式两种。一、直读式物位仪表玻璃液位计的长度为300～1200mm。可就地指示较低的敞口或密闭容器的液位。玻璃液位计结构简单、价廉、直观，适于现场使用。但易破损，内表面沾污，造成读数困难，不便于远传和调节。玻璃板液位计二、浮力式物位仪表浮力式物位计利用漂浮在液面上的浮子（也称浮标）或浸沉于液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力随液位而变化来进行液位测量的。分为浮子式液位计、翻版式液位计和浮筒式液位计。浮球式液位计浮筒液位计1．浮子式液位计它的浮子由于受到液体浮力作用而漂浮于液面上，并随液位的变化而升降，即浮子的位移正确地跟随液位而变化。浮子式液位计分为内浮式和外浮式。使用时若有沉淀物或疑结物附在浮球上，要重新调整平衡锤的位置，校正零位。浮球式水位控制器（内浮式）调整箱组件浮筒浮球连杆非导磁管下限水银开关磁钢上限水银开关浮子式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简单、价格较低，适于各种贮罐的测量。翻版式液位计的翻版由极薄的导磁金属制成，两面涂以显著不同的颜色。当磁性浮子随液面升降时，带动翻版绕小轴翻转。两种颜色的分界点即为液位。2．翻版式液位计翻板式液位计工作原理动画演示浮筒式液位计的检测元件是浸没于液体中的浮筒（或沉筒）。浮筒所受浮力随液位发生变化。此浮力变化再以力或位移变化的形式，带动电动或气动元件发出信号给显示仪表以显示液位，也可以实现液位的报警和调节。3．浮筒式液位计将一质量为m的浮筒悬挂在弹簧上，弹簧的下端被固定，当测量桶内无水时，浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，有：0Cxmg当测量筒内有一定高度的液位H时，浮筒受到液体的浮力上浮，xhH)(0xxCghAmg根据力平衡：一般xhhH即xgACH从而被测液位H可表示为•即弹簧的位移量与液位成正比。弹簧的顶端连接有一铁芯，铁芯随着弹簧的位移在差动变压器内上下移动输出位移信号。)(0xxCghAmg三静压式物位计静压法测量原理0PPgh0PPPghhphg所以测得表压力p即可求得液位高度h。若液位的高度为h，则液体底部的压力为：1、压力式液位计（开口容器的液位测量）1．用压力表测量液位2、法兰式压力变送器测量液位用于粘度大、有沉淀、易结晶、易凝固或具有腐蚀性的介质，为防止导压管堵塞或腐蚀仪表，采用法兰式压力变送器。静压液位计3、差压式液位计（密闭容器的液位测量）抵消了容器上部压力变化对测量的影响。H1gpP1pPHgPPP安装方式:导压管、法兰式。00零点迁移同时改变量程的下限和上限而量程保持不变。1．无迁移：PgH2．负迁移形成原因：加隔离罐或采用法兰式测压差。1121PPgHgh正压室：221ghPP负压室：1221()PgHghh差压：无迁移PgH负迁移1221()PgHghhH=0时，△P=0，变送器的输出I=4mA；H=Hmax时，△P=△Pmax,变送器的输出I=20mA.H=0时，△P0，变送器的输出I4mA；H=Hmax时，△P△Pmax,变送器的输出I20mA.为了使仪表的输出能正确反映出液位的数值，也就是使液位的零值与满量程能与变送器输出的上下限制相对应，调整仪表上的迁移弹簧，来抵消固定压值(h2-h1)ρ2g的作用。这就是零点迁移。为了使变送器的输出不受固定压差的影响，采用零点迁移法，进行负迁移，迁移量为(h2-h1)ρ2g。迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。PagH3528038.912001PagH3528038.912001例如：已知求量程和迁移量？31/1200mkg32/950mkgmh0.11mh0.52m0.30mL液位高度变化形成的差压值为所以可选择差压变送器量程为40kPa当H=0时，212()(51)9509.837240PhhgPa所以负迁移量为37.240kPa，即将差压变送器的零点调为-37.240kPa。)(hHgPgh正迁移量为3．正迁移：变送器位置低于液面基准面。gh正迁移量为差压式液位计特点检测元件不占容器空间，而只需在容器侧壁上开两个引压孔。检测元件无可动部件，安全方便，使用可靠。采用法兰式结构还可以解决粘度大、易结晶、有悬浮物的介质液位的测量。在冬季使用时，必须采取保温措施。四、声波式物位计英国Hycontrol超声波式物位计PUL3000超声波液位计声波的频率为16-20000Hz，而超声波的频率在20000Hz以上。超声波的发射和接受是利用超声换能器完成的。换能器主要是利用压电晶体的压电效应来实现能量转换的。压电效应有正压效应和反压电效应。有些晶体，如石英等，当在它的两个面上施加交变电压时，晶体片将沿其厚度方向做延长和压缩的交替变化，即产生了振动，其振动频率的高低与所加交变电压的频率相等。这样就能在晶体片周围的介质周围产生频率相同的声波。如果所加交变电压的频率是超声频率，晶体片发生的声波就是超声波，这样的效应叫反压电效应。根据这个原理制成了发射换能器。当脉冲的外力作用在压电晶体片的两个对面上而使其形变时，就会有一定频率的交流电压输出，这种效应称为正压电效应。根据这个原理制成了接收换能器。超声波物位计是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。v超声波检测原理超声波液位、料位讯号器的特点。是利用超声波在气体、液体、固体中的吸收衰减的不同来探测探头前有无液体、固体存在，从而发出物位报警信号。换能器相对安装换能器装于一边声阻尼式连续测量的超声液位计的原理测量的基本方案：从发射探头发出的超声波在媒介中传到液面，经反射以后再通过该媒介返回到接收探头。将测出的超声波脉冲从发射到接受的时间乘以超声波在媒介中的声速，即可得到物位的高度。自发自收单探头方式有三种方法：液介式、气介式、固介式。液介式气介式固介式HHLHLvtH21vtLH21vtLH21基于压电效应和逆压电效应。发射器：将交变电压转换成向外发射的机械波。接收器：把声能转换成电能。实现方法：检测时一般采用较高频率的超声脉冲。这样可减少了单位时间超声波的发射能量，又可提高超声脉冲的幅值好处：前者有利于减少空化效应，温升效应，后者可提高测量精度。超声波物位计的接收和发射由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测的物位。连续型声波物位计根据工作原理可分为声波阻断式和反射式两种。利用声波在气体、液体和固体介质中的吸收衰减不同，来检测在超声波探头前是否有液体或固体物料存在；一种是可以连续测量物位变化的超声波物位计。当物位升高而阻断从发射换能器到接收换能器的声束时，接受换能器接受到的声能产生突变，发出突变的开关信号。①声波阻断式物位仪计声波从发射换能器到液面或料面，再从这一表面反射回到接收换能器。测量从发出声波至接收到回波的时间间隔即可测出物位。②声波反射物位计通过探头发射10kHz至70kHz频率范围的超声波，超声波遇到被测介质后被反射回来被探头接收。超声波以声波速度传播，从声波发出到反射声波接收的时间与探头到被测介质表面距离成正比。VEGA超声波液位计连续测量的超声波液位计的声速校正方法只要知道超声波在媒质中的传播速度，便可根据传播时间来确定液位。但是，声速还与媒质中的成分、温度和压力等因素有关。因此，很难将声速看成是一个不变的恒量。一般要用设置校正具的方法对声速进行校正。所谓校正具就是在传声媒质中相隔一定距离L0安装一组探头反射板。浮臂式校正具HL0vtH2100021tvL0vv00LttH消除了声速不恒定造成的误差。只要即有：■不受介质特性的影响非接触式测量，混合介质或更换介质对于测量结果都没有影响。也不需要重新调试仪表。■仪表维护保养简便■可测量液体或固体介质特点五、核辐射式物位仪表核辐射物位测量仪表的基本原理核辐射物位测量仪表中的辐射源（或称放射源）有钴及铯等放射性同位素。这两种同位素能发出较强的γ射线，而且半衰期（辐射源的强度减至原来的一半所需的）较长。如的半衰期为5.3年，的半衰期为33年。γ射线在穿过物质时，会被物质的原子散射和吸收，它的强度随着物质层的厚度呈指数规律衰减：即：60OC137SC60OC137SCHeII0IIHln1ln10利用物质（一定物位的液体或固体）对核辐射的吸收，使射线强度减弱的原理来测量物位。核辐射能穿透较厚的钢板和其他固体，所以这类仪表可进行不接触测量，对容器不必开孔，能在强光、浓烟、高压、高温等恶劣的工作条件下对高粘度、易爆、腐蚀性强的介质进行液位测量。这是其他类型的物位仪表不能与之相比的优点。但核辐射影响人体健康，需要采取现场劳动防护措施，这在一定程度上限制了核辐射物位仪表的推广应用。六、电磁式物位仪表电磁式物位测量仪表是将物位的变化转换成为一些电量的变化来进行物位测量的仪表。可分为电阻式（电极式）、电容式和电感式物位仪表等等。电极式水位计电容式物位计电容式物位计UYB-51型电容式液位计TV512电容式物位变送器电容物位测量仪表是将物位的变化转换成电容量的变化来进行物位测量的仪表。电容式物位传感器在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小不同。因此可通过电容量的变化来检测液位、料位和界位。LdD电容式物位传感器是由两个同轴圆筒极板组成的电容器。若在两圆筒之间充以介电常数为ε的介质时,则此电容器的电容量C为ε——介电常数。dDLcln21、测量的基本原理2、非导电液体液位测量非导电液体用电容传感器内电极直径为d的金属棒，外电极为与内电极相绝缘的同轴金属套管，工作时电介质为被测的非导电液体。当液位为H时，电容变化为：HKdDHCi)/ln()(2002()ln(/)iHCxKHDdKi为比例常数，包含有（ε-ε0）。（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。D与d越接近，也就是两级板距离越小，仪表的灵敏度越高。3、导电液体物位测量内电极为直径为d的金属棒，外套绝缘管或涂以搪瓷作为电介质和绝缘层。LΔHHdDD0ε0ε电容物位计在测量导电液时，采用的是变面积的方法。此时变送器电极是电容极板之一，被测的导电液是电容的另一个电极，变送器探头的包覆绝缘材料是一个介电常数固定的电介质。物料的高低决定了电容极板面积的大小，而改变了电容值。dDLcln2棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套在测量粘性导电介质时，由于介质沾染电极，相当于增加了液位的高度。这增加高度△H是一个虚假的液位，为消除虚假液位的形成，通常采用如下方法:1）采用与被测介质亲和力小的材料做电极套管,以减小液体的沾染。2）采用隔离型电极。4、料位的测量因为固体摩擦很大，容易“滞留”，所以一般不用双层式电极。对于非导体固体料位，可以采用电极棒和容器壁为两电极，以被测物料做为电介质的电容器来测量。02()ln(/)HCxDd（1）与物料密度无关。适合应用于多种导电、非导电液体、固体颗粒的连续料位测量。（2）可以用在高压、真空、高温、低温、强震动及应用于强腐蚀液体等恶劣环境中。（3）体积小巧、结构简单、动态性能好、