第6章 物位测量

检测技术及仪表6.1物位测量概述一、物位的定义物位：指设备和容器中液体或固体物料表面位置。对应不同性质的物料又有以下定义：液位：指液体介质表面的高度。料位：指块状、颗粒状或粉末状固体物料的堆积高度。界位：指液-液、液-固的相界面位置。物位是液位、料位、界位的总称。2020/2/261检测技术及仪表2020/2/262物位检测仪表的分类：按工作原理：按测量方式：连续测量和定点测量（物位开关）压力式：利用物位发生变化时引起压力或差压变化的原理。直读式：采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中的物位高度。主要用于液位检测和压力较低的场合。物位检测仪表：对物位进行测量、指示和控制的仪表。二、物位检测仪表物位计、料位计、界位计检测技术及仪表2020/2/263光学/声学/微波式：利用物位对光波/声波/微波的遮断或反射特性电气式：利用物位变化引起某些电气参数变化的原理。机械式：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。浮力式：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理，有浮筒式和浮子式液位计。核辐射式：利用射线（、）的透射或反射特性检测技术及仪表2020/2/264三、物位检测的作用1）确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算2）监视或控制容器中的物位，使它保持在规定的范围内；3）对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全正常进行。检测技术及仪表6.2常用物位测量的方法2020/2/265测量原理：基于连通器原理而实现液位的测量。一、直读式液位测量特点：简单、经济连通阀，用于切断玻璃液位计与容器检测技术及仪表2020/2/266二、压力式液位测量工作原理：把物位的测量转换为压力或压差的测量。设B点为选定的零液位。则从液面至零液位处的差压：式中ρ为被测介质密度；g为重力加速度。特点：测量简单、无可动部件、工作可靠、压力表精度高。检测技术及仪表2020/2/267测压仪表的测压基准点与取压基准点不一致时，应考虑附加液柱的影响，且需进行修正。+-12+-H+-H注意压力变送器检测技术及仪表2020/2/2681.静压、差压式液位计凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程均可用于检测液位。•静压式液位计：用于敞口容器中液位的测量。•差压式液位计：用于密闭容器中液位的测量。压力信号的引出：采用引压管检测技术及仪表2020/2/269对于有腐蚀性、结晶颗粒或黏度大、易凝固的介质可用法兰式仪表（法兰式压力变送器）。法兰式取压检测技术及仪表2020/2/2610读数的修正图(a)中的情况，差压计安装在最低液面以下，这时加在差压计两侧的差压为：这种附加差压可以调整仪表的零点来消除，即当差压计有hρg的差压作用时，其指示值调为零。检测技术及仪表2020/2/2611零点迁移ΔP=ρ1gHΔP=ρ1gH-ρ2g(h2-h1）ΔP=ρ1gH+ρ1gh1无迁移负迁移迁移量：-ρ2g(h2-h1)正迁移迁移量：ρ1gh1检测技术及仪表2020/2/26122.吹气式液位计•原理：把一根导管插入敞开容器的下部，空气经节流元件和压力计后由导管下部敞开逸出。当空气从导管下端以气泡形式流出时，管内压力与管口处的静压力相等，因此压力计指示值即可反映液位高度。特点：可将压力检测点移至顶部，其使用和维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。精度影响：取决于测压仪表的精度，以及液体的温度对其密度的影响。（前两种液位计亦如此）可用于腐蚀性较强或沉淀严重的液体。检测技术及仪表2020/2/2613作业：用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位,如图所示。被测介质密度ρ=900kg/m3,毛细管内工作介质密度ρ0=950kg/m3。差压变送器的安装尺寸为h1=1m,h2=4m。求变送器的测量范围；并判断零点迁移方向,计算迁移量；当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时,问对测量有何影响?法兰式差压变送器测液位图检测技术及仪表2020/2/2614三、浮力式物位检测仪表浮子式（恒浮力式）、浮筒式（变浮力式）1.浮子式液位计——恒浮力式原理：把液位的变化传给浮在液面上的浮子，浮子受液体的浮力而漂在液面上，当浮力与重量相等时，浮子的位置就代表液位，并且随液位同步移动。浮子的形状：圆盘形、圆柱形和球形，要根据使用条件和使用要求来设计。检测技术及仪表2020/2/2615工作原理：浮子所受的绳子拉力、重力和浮力相等时，处于平衡状态而漂浮在液面上，平衡重锤位置反映浮子的位置，从而知液位。例：浮子重锤液位计通过增加浮子的定位能力减小摩擦力的影响检测技术及仪表2020/2/2616例：舌簧管式液位计—将液位的变化转为电信号的变化特点：结构简单，但连续性差、量程不能太大检测技术及仪表1-浮筒2-弹簧3-差动变压器2020/2/26172.浮筒式液位计——变浮力式原理：浮筒是圆柱形的，利用浮筒被液体浸没高度不同引起的浮力变化而检测液位。m—浮筒质量，A—浮筒截面积，c—弹簧的刚度系数，x0—弹簧的压缩位移，ρ—为被测液体密度，H—浮筒没入液体高度检测技术及仪表1-浮筒2-弹簧3-差动变压器2020/2/2618上式表明,弹簧的变形与液位变化成正比。则容器中的液位高度：xgAcH）（1所以：当液位变化△H时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。达到新的力平衡时，有以下关系：检测技术及仪表2020/2/2619弹簧的变形检测：在浮筒连杆上装指针直接指示液位。在连杆上端装有差动变压器铁芯（如上图），通过差动变压器输出相应的电信号，从而测出液位。通过扭力管将浮筒的线位移转变为角位移，通过霍尔片感受位移的变化输出霍尔电势，霍尔电势的大小与角位移成正比，经处理后可变为标准信号。检测技术及仪表2020/2/2620四、电气式物位测量（可测量液位、料位和界位）电容式、电阻式、电接点式、电感式物位计1.电容式物位计工作原理：圆筒形电容器的电容值随两极板之间的电介质的不同而变化，故可以通过测量电容量的变化来测量物位。由同轴圆筒电极组成的电容器的电容量为：D、d固定，则介电常数ε和L变化会引起电容变化。检测技术及仪表2020/2/2621图7-10电容式物位计原理电容式物位计：)ln(2)ln()(22121dDHdDHLccc无液部分电容：)/ln()(211dDHLc有液部分电容：)/ln(222dDHc总电容：所以：HdDc)ln()(212可见，电容变化量与液位变化成正比。(ε2－ε1)值越大，灵敏度越高。检测技术及仪表2020/2/2622组成：测量电极和测量电路组成测量电极的型式：随被测介质的不同而不同。非导电液体液位非导电固体料位导电液体液位测量电路（电容的检测）：交流电桥法、谐振电路法，可以输出标准电流信号，实现远距离传送。检测技术及仪表2020/2/2623特点：电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便、结构牢固，易维修；价格较低。但不适合于以下介质：介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等。检测技术及仪表2020/2/26242.电阻式物位计工作原理：将物位变化转换为电阻变化，通过检测电阻变化量得到被测物位。适用于电的良导体的液位测量1—电阻极棒，2—绝缘套—电阻极棒的电阻率，A—电阻极棒截面积，H—电阻极棒总长，Hx—被测液体高度0222xxHHHRRAA检测技术及仪表2020/2/26253.电接点式物位计4.电感式物位计检测技术及仪表2020/2/2626五、阻力式料位传感器1.重锤探测法工作原理：电机发出信号，使重锤在执行机构控制下动作，从仓顶处下降，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，控制执行机构使电机带动重锤迅速返回原点位置。检测技术及仪表2020/2/2627音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发出信号。2.音叉法工作原理：检测技术及仪表2020/2/2628六、超声波物位测量振动频率在几十～20KHZ，能为人耳所闻的机械波称为声波；频率低于16HZ的机械波称为次声波；20kHz以上频率的机械波称为超声波。物位检测一般应用的都是超声波。超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质：①超声波可以在气体、液体及固体中传播，且有各自的传播速度。②声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小。③声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波近似直线传播，具有很好的方向性。④当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为介质密度不同，声波传播速度不同，分界面上有反射和透射现象。检测技术及仪表2020/2/2629组成：超声换能器（由压电材料制称，完成电能和超声能的可逆转换，可以是接、收分开的双探头方式也可以是自发自收的单探头方式）。电子装置（用于产生电信号以激励超声换能器发射超声波，并接收和处理经超声换能器转换的电信号。）检测技术及仪表2020/2/2630原理：固体、液体或气体对声波的吸收能力不同（气体最大），由接收的超声波可知物体是否达到预定位置，可实现报警或定位检测。又称声波阻断法。1.窄缝式超声波液位开关检测技术及仪表2020/2/26312.气介式超声液位传感器原理：利用超声波遇到相界面时，发生部分反射，部分折射入相邻介质的原理，通过测量声波从发射至接受反射回波的时间间隔来计算物料界面到探头的距离，从而确定物位高低。又称回波测距法。检测技术及仪表2020/2/2632补偿：由于超声波在介质中的传播速度易受温度和成分变化的影响，从而影响物位的测量，因此需要补偿。可以在超声换能器附近安装温度传感器，自动补偿因温度变化对物位测量的影响，还可以使用校正器，定期校正声速。c为超声波在介质中的传播速度，精确测量时间t后，可求得液位由超声波换能器到液面的距离H可由下式求出：ctH213.液介式超声液位传感器H探头检测技术及仪表2020/2/2633特点：无机械可动部件，安装维修方便；超声换能器寿命长；可以实现非接触式测量、物位的定点测量，适合于有毒、高粘度及密闭容器物位的测量；对环境适应能力强，应用广泛。检测技术及仪表2020/2/2634七、磁致伸缩式液位传感器磁致伸缩液位计由探测杆，电路单元和浮子组成。压磁传感器以固定频率发出“询问”脉冲，沿磁致伸缩线向下传输，产生一个沿波导线向下传播的磁场；当与浮子内磁铁产生的磁场相遇时，在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，“返回”脉冲，压磁传感器接收该脉冲。只要测出发射“询问”脉冲到接收“返回”脉冲的时间，便可计算液位的高度。原理：检测技术及仪表2020/2/2635•雷达波由天线发射LH0H天线tcLHLH20八、微波及射线式物位仪表1.微波式物位仪表检测技术及仪表2020/2/26362.核辐射式物位计（射线物位测量）放射性同位素在蜕变的过程中会发射出α、β、γ三种射线。γ射线穿透能力最强，电离能力最弱。原理：射线在穿透物质时，它的强度随物质层的厚度按指数规律降低，只要测出通过物质前后的辐射强度，就可知物位（或厚度）。射线射入一定厚度的介质时，其强度与厚度的关系：0HIIeI0表示进入物料之间的射线强度；μ表示物料的吸收系数；H为物料的厚度；I为穿过介质后的射线强度。检测技术及仪表2020/2/2637组成：射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路●检测器前置放大整形计数显示放射源被测物电子转换指示放射源：一般为γ射线源，钴（Co)或铯（Cs)。射线检测器：可将射线的强度转换为电信号。电子电路：接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后输出与被测物位相应的标准信号。检测技术及仪表2020/2/2638检测方式：有固定安装式和随动式两种a)自动跟踪方式：电机带动射线源和接受器沿导轨随物位的变化而升降，且始终保持同一高度，可连续测量范围宽、但存在运动部件，结构复杂。b