化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第4章

化工仪表及自动化第四章物位检测内容提要物位检测的意义及主要类型压差式液位计工作原理零点迁移问题用法兰式差压变送器测量液位其他物位计电容式物位计核辐射物位计雷达式液位计称重式液罐计量仪1第一节物位检测的意义及主要类型2几个概念液位料位液位计料位计界面计测量物位的两个目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力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第二节差压式液位计gHppAB将差压变送器的一端接液相，另一端接气相gHpppAB因此3一、工作原理图4-1差压式液位计原理图第二节差压式液位计当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相连接。以平衡气相压力pA的静压作用。结论4第二节差压式液位计5二、零点迁移问题gHp在使用差压变送器测量液位时，一般来说01211pgHghp0222pghp实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为ghghgHpp2221121ghhgHp2121则图4-2负迁移示意图第二节差压式液位计迁移弹簧的作用改变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。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。6第二节差压式液位计图4-3正负迁移示意图图4-4正迁移示意图举例某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。7一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。第二节差压式液位计三、用法兰式差压变送器测量液位单法兰式双法兰式法兰式差压变送器按其结构形式8为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。图4-5法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器第二节差压式液位计图4-6单法兰插入式差压变送器1—挡板；2—喷嘴；3—弹簧；4—反馈波纹管；5—主杠杆；6—密封片；7—壳体；8—连杆；9—插入筒；10—膜盒图4-7双法兰式差压变送器1—挡板；2—喷嘴；3—杠杆；4—反馈波纹管；5—密封片；6—插入式法兰；7—负压室；8—测量波纹管；9—正压室；10—硅油；11—毛细管；12—密封环；13—膜片；14—平法兰9第三节其他物位计一、电容式物位计1.测量原理图4-8电容器的组成1—内电极；2—外电极dDLCln2两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。10通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。第三节其他物位计2.液位的检测4-9非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔dDLCln200当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。dDHLdDHCln2ln20当液位上升为H时，电容量变为HKdDHCCCiXln200电容量的变化为11第三节其他物位计电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。结论12第三节其他物位计3.料位的检测用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。dDHCXln20电容量变化与料位升降的关系为131—金属电极棒；2—容器壁图4-10料位检测第三节其他物位计优点电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。14第三节其他物位计二、核辐射物位计HeII0射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（4-9）。（4-9）图4-10核辐射物位计示意图1—辐射源；2—接受器特点适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。15第三节其他物位计三、雷达式液位计雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位。它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。优点16第三节其他物位计图4-12雷达式液位计示意图cHt02雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定0HLH由于tcLH2故雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。17第三节其他物位计图4-13微波脉冲法原理示意图要使用导波管？18第三节其他物位计四、称重式液罐计量仪既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。称重仪根据天平原理设计。gHpp12由于21121MgLLApp杠杆平衡时（3-64）HKHMLAL112代入（3-64）（3-65）HAM0AMH0如果液罐是均匀截面（3-66）（3-67）19第三节其他物位计图4-14称重式液罐计量仪1—下波纹管；2—上波纹管；3—液相引压管；4—气相引压管；5—砝码；6—丝杠；7—可逆电机；8—编码盘；9—发讯器02MKLiAMLAAKKi11式中如果液罐的横截面积A为常数，得将式（3-67）代入式（3-65），得02MAKL（3-68）20例题分析举例1.某贮罐内的压力变化范围为12~15MPa，要求远传显示，试选择一台DDZ-Ⅱ型压力变送器(包括准确度等级和量程)。如果压力由12MPa变化到15MPa，问这时压力变送器的输出变化了多少?如果附加迁移机构,问是否可以提高仪表的准确度和灵敏度?试举例说明之。解：如果已知某厂生产的DDZ-Ⅱ型压力变送器的规格有：0～10，16，25，60，100（MPa）精度等级均为0.5级。输出信号范围为0～10mA。21例题分析MPa5.222315由已知条件，最高压力为15MPa，若贮罐内的压力是比较平稳的，取压力变送器的测量上限为MPa125.0%5.020若选择测量范围为0～25MPa、准确度等级为0.5级,这时允许的最大绝对误差为mA8.4102512由于变送器的测量范围为0～25MPa，输出信号范围为0～10mA,故压力为12MPa时,输出电流信号为22例题分析mA6102515压力为15MPa时，输出电流信号为这就是说,当贮罐内的压力由12MPa变化到15MPa时,变送器的输出电流只变化了1.2mA。在用差压变送器来测量液位时，由于在液位H=0时,差压变送器的输入差压信号Δp并不一定等于0，故要考虑零点的迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量中遇到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移机构，可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度(只不过这时仪表量程也要作相应改变)。23例题分析mA125.310723712由本例题可知，如果确定正迁移量为7MPa，则变送器的量程规格可选为16MPa。那么此时变送器的实际测量范围为7～23MPa，即输入压力为7MPa时，输出电流为0mA；输入压力为23MPa时，输出电流为10mA。这时如果输入压力为12MPa，则输出电流为mA510723715输入压力为15MPa时,输出电流为24例题分析由此可知，当输入压力由12MPa变化到15MPa时，输出电流变化了1.875mA，比不带迁移机构的变送器灵敏度提高了。变送器的准确度等级仍为0.5级，此时仪表的最大允许绝对误差为(23-7)×0.5%=0.08MPa，所以，由于加了迁移机构，使仪表的测量误差减少了。25例题分析图4-15法兰式差压变送器测液位262.用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位,如图4-15所示。已知被测液位的变化范围为0~3m,被测介质密度ρ=900kg/m3,毛细管内工作介质密度ρ0=950kg/m3。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?例题分析PagHp2648781.99003max解：当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。液位为3m时,其压差为2121/11skgmmNPa这里值得一提的是压力单位Pa用SI基本单位时就相当于m-1·kg·s-2，即27例题分析所以液柱压力用Hρg计算时,只要H用m,ρ用kg/m3，g用m/s2为单位时,相乘结果的单位就是Pa。上述计算结果Δpmax为26.487kPa,经过圆整后,测量范围可选0～30kPa。ghgHpp0101根据图示,当液位高度为H时,差压变送器正压室所受的压力p1为ghhpp01202负压室所受的压力p2为28例题分析因此，差压变送器所受的压差为ghgHppp0221由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量为h2ρ0g。当差压变送器安装的高度改变时,只要两个取压法兰间的尺寸h2不变,其迁移量是不变的。29例题分析3.用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流来保持罐内液位H恒为1m。如图4-16所示。已知差压变送器的输出信号为0~10mA,硫酸的最小和最大密度分别为ρmin=1.32(g/cm3),ρmax=1.82(g/cm3)图4-16流体密度测量示意图ρmin=1.32(g/cm3),ρmax=1.82(g/cm3)要求:(1)计算差压变送器的测量范围；(2)如加迁移装置,请计算迁移量；(3)如不加迁移装置,可在负压侧加装水恒压器(如图中虚线所示)，以抵消正压室附加压力的影响,请计算出水恒压器所需高度h。30例题分析gHpmax解：（1）若不考虑零点迁移,那么就要以ρmax来计算差压变送器的测量范围。当ρ=ρmax=1.82g/cm3时,差压变送器所承受的差压为Pap410785.181.918201将H=1m,ρmax=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得mAI925.81010210785.144max如果选择差压变送器的测量范围为0～2×104Pa,则当ρ=ρmax=1.82g/cm3时,对应的变送器输出为31例题分析Pap410295.181.913201当ρ=ρmin=1.32g/cm3时,其差压为mAI475.61010210295.144min这时差压变送器的输出为由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输出电流由6.475mA变化到8.925mA，仅变化了2.45mA，灵敏度是很低的。32例题分析（2）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点迁移，提高测量的起始点。考虑到ρ=ρmax时，这时所对应的压差仍为1.785×104Pa，所以在提高测量起始点的同时，测量上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。当ρ=ρmin=1.32g/cm3时,Δpmin=1.295×104Pa。因此可以选择迁移量为1×104Pa,测量范围为1×104～2×104Pa的差压变送器。这时,若ρ=ρmin时,变送器的输出为