检测技术及仪表 教学课件 ppt 作者 樊春玲 第5章 物位测量

第5章 物位测量 教学目的及要求： 1.掌握物位测量的意义、方法以及与之对应的测量原理 ；工业常用物位测量仪表和仪表在应用中应注意的问 题。 2.熟知工业现场常用物位检测仪表的种类及其使用方法 ，并能根据实际工况正确选择物位仪表，合理建立物 位测量系统，尤其对在物位测量中经常遇到的零点迁 移问题，能够在明确机理的前提下正确处理。 物位测量主要外语词汇 material level measurement, static pressure differential pressure, zero adjust, positive adjust, negative adjust, floating ball liquid level meter, ultrasonic level meter capacitive level meter 主要内容 5.1 浮力式液位计 5.2 静压式液位计 5.3 电容式物位计 5.4 非接触式物位测量 5.5 物位测量实例 物位：容器或工业设备中物质的高度或表面位置。 如：液位：液体界面的高度。 界位 ：液液或液固的分界面。 料位：块状、固体粉末或颗粒状物质的堆积高度。 物位测量的目的在于要正确的测知容器或设备中 存储物质的容量或质量。这不仅是物料消耗或产量计 量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数 。 测量液位、界位或料位的仪表称为物位测量仪表 又称物位计，进而又分：液位计、界位计和料位计。 这些仪表由于其测量的对象不同，且应用的工况亦不 同，因此其原理、结构和使用方法亦不相同。本章仅 对常用的测量方法及典型仪表进行介绍。 物位测量的意义及其工业过程的实际需求 浮力式液位计是应用浮力原理测量液位的，它是利用 漂浮于液面上的浮子升、降的位移来反映液位的变化，或 者是利用浮子随液位浸没的高度而改变其所受浮力的变化 来反映液面的变化，前者称为恒浮力法，后者称为变浮力 法。 1、恒浮力法的液位测量 恒浮力法的测量原理是：将浮子由绳索经滑轮与容器 外的平衡重物相连，利用浮子所受重力和浮力之差与平衡 重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。 5.1 浮力式液位计 （1）原理 其平衡关系为： W 浮子所受的重力； F浮子所受的浮力； G平衡重物的重力 图1 恒浮力液位测量原理图 一般使浮子浸没一半时，应满足上述平衡关系 ，当液位上升时，浮子被浸没的体积增加，于是浮 子所受的浮力F增加，则： ,使原平衡 破坏，则平衡重物下移，从而使浮子向上移动，进 而又使浮力F减小，直至重新满足上式为止，最终 浮子在新的液位高度上平衡，反之亦然，实现了浮 子对液位的跟踪。 由此可以看到这里W、G都是常数，当浮子在新 的液位上达到平衡以后，F的值也应是常数。所以 我们称此种测量方法为恒浮力法测量。 （2）应注意的问题： 由于绳索的自重存在，会在l1与l3不等时产生测量 误差。 指出：这类误差由于是有规律的误差，可以在 标尺分度时予以修正。 由于滑轮摩擦力的作用所产生的误差 这种误差由于摩擦力的大小是很难确定的。因为 它既与滑轮工况有关，又与运动方向有关，所以无 法修正，但我们可以设法加大浮子的定位能力来减 小其影响。 所谓浮子的定位能力是指:浸没浮子的高度的 变化量 H所引起浮子的变化量F，有 ，对同样的H下，所对应的浮力变化量F越大 ，则由此（即摩擦力）所引起的测量误差越小。 因为可以想象，如果浸没浮子的高度变化量H 一定，而由此产生的浮力F无穷大，则摩擦力 的变化所引起的测量误差的影响是可以忽略的， 那么怎样才能增大浮子的定位能力呢？我们可以 由下式导出。 对应于一确定浸没浮子的高度变化量 H下 ，希望F/H越大越好,有 式中:A为浮子的截面积。 可见增加浮子的截面积能显著增大定位能力 。 指出：这是有效减小摩擦阻力造成测量误差的 有效途径。尤其在被测介质密度较小时，此点更 显的尤为重要。 2、变浮力法液位测量 测量原理：将一截面相同、重力为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧 上，其中浮筒的一部分被液体浸没，此时浮筒所受的作用力有三 个： W浮筒本身的重力；弹簧的弹力；浮力。 在浮筒平衡时有： 式中： c弹簧刚度系数 ； x弹簧压缩的位移量； A浮筒截面积 ； H浮筒被液体浸没的高度; 液体密度 ;g重力加速度 。 当液体变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，则浮筒 的位置也要发生变化。如液位上升 H，则浮筒要上移x 。 液位变化时有： 得： 可见：浮筒产生的位移 x与液位变化 H成比例。 （原因是浮筒所受浮力发生变化，所以称为变浮力法测量） 指出：如果在浮筒的连杆上安装一铁芯如图，则差动变速 器便可输出相应信号。 3、典型恒浮力液位计、变浮力液位计的应用实例 (1) 恒浮力式液位计 内浮球式液位计： 外浮球式液位计： W浮球重力； G平衡物重力； F所受浮力 ； L1转轴到浮球的垂直距离； L2转轴到重物重心的垂直距离。 浮球式液位计常用于温度、粘度较高而压力不太高的密 闭容器的液位测量。 浮球液位计 磁翻板式液位计（磁性浮子式液位计） 磁性浮子式液位计是以磁性浮子为感应元件，并通过磁性浮子与显 示色条中磁性体的耦合作用，反映被测液位或界面的测量仪表。 当被测容器 中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之 升降，浮子 内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、 白翻柱 翻转180，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降 时 翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实 际高度，从而实现液位清晰的指示 磁性浮子式液位计具有显示直观醒目、不需电源，安装方便可靠 ，维护量小，维修费用低的优点，是玻璃管，玻璃板液位计的升级换代 产品。可广泛应用于石油，化工，电站，制药，冶金，船舶工业，水/ 污水处理等行业的罐，槽，箱等容器的液位检测。用户还可根据工程需 要，配合磁控液位计使用，可就地数字显示，或输出420mA的标准远 传电信号，以配合记录仪表，或工业过程控制的需要。也可以配合磁性 控制开关或接近开关使用，对液位监控报警或对进液出液设备进行控制 。 磁翻板液位计 (2) 变浮力式液位计 扭力管式浮筒液位计 轴封膜片式浮筒液位计 图5-4 轴封膜片式浮筒液位计原理图 1主杠杆；2矢量机构；3副杠杆；4支杠杆；5位移检测片； 6差动变压器；7放大器；8反馈线圈；9浮筒；10轴封膜片 浮筒式液位计 5.2 静压式液位计 5.2.1 测量原理 静压式液位测量法就是通过测得 液柱高度产生的静压实现液位测量。 PA为密闭容器中 A点的静压（气相压力） ； PB为密闭容器中B点的静压 ；H-液柱高度 指出：若是敞口容器，则有： 这里 PB为表压， PA=大气压0表压 。 图5-5 静压法液位测量原理 （2）适用范围 适用于粘度小，洁净液体的液位测量。 对粘稠，易结晶，含颗粒的液体及易腐蚀性液体可 用法兰式压力变送器。 （3）应注意的问题 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。 5.2.2压力式液位计 1. 用测压仪表测量 如图5-6（a）所示。测压仪表（压力表或压力变送器）通过引压导管与 容器底部相连，由测压仪表的指示便可知道液位的高度。若需要信号远 传，则可以采用传感器或变送器进行压力-电气信号转换。这种方式适用 于黏度较小、洁净液体的液位测量。 当测量黏稠、易结晶或含有颗粒液体的液位时，由于引压导管易堵塞， 不能从导管引出液位信号，可以采用如图5-6（b）所示的法兰式压力变 送器测量液位的方式。 2、吹气法测量 （1）测量原理 对于腐蚀性、高粘度或含有悬浮颗粒液体的液位 ，通常采用吹气法测量。 在敞口容器中插入一根导管，压缩气体经过滤器 ，减压器，节流元件转子流量计最后由导管下端敞 口处溢出。 图5-7 吹气法测量原理 1过滤器；2减压阀；3节流元件 4转子流量计；5测压仪表 压缩气体由气源提供，经减压阀控制，根据被测液位的范 围，将节流元件前的压力P1调节到某一数值上，由于减压阀的 作用，一般可做到保持P1的稳定。通过节流元件的调整，可调 节流元件后的压力P2，使液位升至最高点后仍有气泡从导管下 端敞口处溢出，由于P1的变化不大，且根据流体力学的原理， 当P20.528 P1时，可达到气源流量恒定不变的要求。 当正确调整好P1 、 P2后，在贮罐液位上升或下降时，致 使从导管下端溢出的气量也要随之减小或增加，导管内的压 力几乎与液封静压相等，所以由压力表P所显示的压力值即 可以反映出液位的高度H，且由于导管下端口总有气体溢出 ，所以导管下端口不易封堵。 （2）应注意的问题 a.合理选择吹气量，通常吹气流量均为 20L/h。 b.吹气量大有利于防堵，但耗气量也会增大。 5.2.3 差压式液位计 差压式液位计主要用于密闭有压容器的液位测量 。 如图： 1.电动型差压变送器的工作原理 变送器结构图原理依图示分析。 （动画）。最终的结论是变送器的输出电流I0与被测 差压p成正比。指出：采用差压变送器测量液位， 由于其安装位置不同，一般会存在零点迁移的问题 。 2、零点迁移问题 （1）无迁移 指出：无迁移情况下，一般变送器的安装高度与容器下部取压 位置在同一高度，且被测介质粘度较小，无腐蚀，无结晶，并 且气相部分不冷凝。 （动画） 有 当液位由 H=0变化到 时，有 P由0变 到 Pmax,变送器输出由4mA变到20mA。 现设对应液位的变化所要求的变送器量程 P为5000 Pa 。则变送器的输出特性曲线如下图。 （2）正迁移 正迁移的情况是，变送器的安装位置不与 被测液位的下限同高，而是正压室事先就有 一段液柱压力。有： （动画） 于是当 H=0时， ，如不对变送器调整，则在此况下 变送器输出大于 4mA。 当 时， ,同理变送器输出会大于 20mA 。 这种情况下，可以通过调整迁移弹簧 ，使变送器在 ， 时，其输出为 4mA。 在 ， 时，其输出为 20mA。 现设 P仍为 5000 Pa， ，则迁移后有曲线 b（见 上图），此即为正迁移。 正迁移：调整的压差是大于零的附加静压。 （3）负迁移 则 显然此况下，在 时有 ,变送器输出小于 4mA；在 时有 ,变送器输出小于20mA。 （动画） 调整迁移弹簧后，可使： ， 时，变送器输出为 4mA。 ， 时，变送器输出为 20mA。 设 P仍为 5000Pa， ，则有： 时， 时， 于是有曲线c（见前图），此即为负迁移。 负迁移，调整的压差P是小于零的附加静压。 小结：由上分析可知，所谓正、负迁移，实质上仅是通过迁移 弹簧改变了差压变送器的零点，它仅改变了变送器测量范围的 上下限，而量程的大小不会改变。 指出： 应注意： a)并非所有差压变送器都带迁移作用； b)差压变送器的迁移量大小一般是有限度的； c)安装差压变送器时应采用三阀组，以用于 保护和校验。 3、特殊介质的液位测量 （1）腐蚀性、易结晶或高粘介质 指出：这种工况的液位测量，一般常采用法兰式差压变送器。 简介法兰式差压变送器的结构 a)法兰有杆入式和单法兰 b)变送器有单法兰、双法兰。 【书】采用法兰式差压变送器测量 注：法兰式差压变送器测量液位 时，同样存在零点迁移问题。 迁移量仅与法兰的取压点位置有 关而与变送器的安装位置无关。 （此结论可由书中图例证明，证变送器放在最下1处和最上2处 的迁移量相同） 证：a)设变送器放在取压口1平行处（详图见书）。 有 所以 在 时，有 图5-10 法兰式差压变送器测液位 1法兰式测量头；2毛细管；3变送器 b)设变送器放在取压口2平形处（详图见书）。 有： 所以 在 时，有 所以与变送器的安装位置无关。 （2）流态化粉末状、颗粒状固态介质 在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化 床床层高度的测量。因为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一 般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量时，可以把它 们看作流体对待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测 差压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒 的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞，因此必须采用反吹风 系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。 图5-11 流化床反吹风取压系统 13针阀；4堵头；5限流孔板 5.3 电容式物位计 定义：电容式物位计是将物位变化转换成电容 变化进行物位测量的仪表。由电容物位传感器 和检测电容的电路两部分组成。 特点：适用于各种导电、非导电液体的液位货 粉末状料位的测量。由于结构简单，无可动部 件，故应用范围较广。 电容式物位计是根据圆筒形电容原理进行工作的。由 电容物位传感器和检测电容的电路组成。其实际上是 一种可变电容器，随着物位的变化，必然引起电容量 的变化，且与被测物位高度成正比，从而可以测得物 位。 电容式物位测量原理图 H 1.电容式物位计工作原理 电容的表达式： ：内、外电极之间 的介电常数。 实际物位测量时， 固定，采用改变 的方式进行测量。 如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为2的液体( 非导电性的)所浸没时，则必然会有电容量的增量C 产生。 由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的型式。 （1）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体 （如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相 互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。 （2）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电 容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中 间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一 个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导 电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正 常测量。 （3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采 用金属电极直接插入圆筒型容器的中央，将仪表地线与容器相连， 以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒型电容器。 所以应根据现场实际情况，即被测介质的性质（导电特性、粘 滞性）、容器类型（规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐） ，选择合适的电容物位计。 2 .非导电介质的液位测量 非导电介质测量原理图 当被测液位H=0时，电容器内、外电极 之间气体的介电常数为0，电容器的电 容量为： L H 当液位为某一高度H时，电容器可看作 为两部分电容的并联组合，有： （动画） 当液位变化时，引起电容的变化量为C=Cx-C0，将上面两式代入可得： 3.导电介质的液位测量 导电介质液位测量图 当测导电液体时，可以用包有一定 厚度绝缘外套的金属棒做内电极， 外电极为被测液体介质本身，这时 液位的变化是引起极板长度的变化。 设被测液体的介电常数为，电电极 被导电导电 液体浸没的高度为为H，则电则电 容器的电电容变变化量为为： 4.固体料位的测量 通常采用一根不锈钢金属棒与金属容器器壁构成电容器 的两个电极。金属棒作为内电极，容器壁作为外电极。 将金属电极棒插入容器内的被测物料中，电容变化量C 为为： 5.电容的检测方法 （1）交流电桥法 （2）谐振法 （3）脉冲宽度调制法 （4）充放电法 电容式液位计 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 电容式液位限位传感器 液位限位传感器 与液位变送器的区别在 于：它不给出模拟量， 而是给出开关量。当液 位到达设定值时，它输 出低电平。但也可以选 择输出为高电平的型号 。 液位限位传感器的 设定 智能化液位传感器的设 定方法十分简单： 用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。 设定按钮 智能化液位限位传感器的设定按钮 超限灯 正常工作 指示灯 设定按钮 电源 指示灯 5.4 非接触式物位测量 5.4.1 超声波物位计 也称为超声波液位计，超声波水位计，超声波料位计 。是一种优良的非接触的界面测量设备。适合石油、 化工、自来水、污水处理、水利水文、钢铁、煤矿、 电力、交通以及食品加工等行业。超声波物位测量凭 借其非接触方式以及抗腐蚀、无毒害、免维护、使用 寿命长、性价比高等优势在国内外得到越来越广泛的 应用。 一. 超声波物理基础 所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限 （20KHz以上频段）的弹性振动，这种振动以波 动的形式在介质中的传播过程形成超声波。它的 指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿 透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种 介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时， 能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越 高，其声场指向性就愈好。 超声波的波型分类 超声波的传播波型主要可 分为纵波、横波、表面波等几种 。 纵 波 横波 表面波 声波的分类 1.次声波 次声波是频率低于20赫兹的声波，人 耳听不到，但可与人体器官发生共振， 78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作 不协调，甚至导致心脏停止跳动。 2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。 3.超声波 蝙蝠 能发出和 听见超声 波。 蝙蝠依靠超声波捕食 超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。 超声波雾化器 超声波加湿器 压电陶瓷或磁致伸缩 材料在高电压窄脉冲作用 下，可得到较大功率的超 声波，可以被聚焦，能用 于集成电路及塑料的焊接 。 超声波塑料 焊接机 超声波金丝焊 接机 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在 遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和 折射现象，这一现象类似于光波。 便携式超声波 探鱼器 超声波在医学检查中的 应用 胎儿的 B超影像 超声波传感器的应用 当超声发射器与接收器分别置于 被测物两侧时，这种类型称为透射型。 透射型可用于遥控器、防盗报警器、接 近开关等。超声发射器与接收器置于同 侧的属于反射型，反射型可用于接近开 关、测距、测液位或物位、金属探伤以 及测厚等。 超声波传感器应用举例 超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续） 质量检查 紧固件的安装错误检测 叠放高度测量 超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续） 物件放置错误检测 超声波传感器应用举例（续） 透明塑料张力控制 机械手定位 超声波传感器应用举例（续） 纸卷直径检测 超声波传感器 应用举例（续） 平整度测量 超声波传感器应用举例（续） 超长距离检测 超声波传感器 应用举例（续） 流水线计数 超声波传感器 应用举例（续） 超声波物位计安装于容器上部在电子单元的控制下， 探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表 面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。 从超声波发射到被重新被接收，其时间与探头至被测 物体的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已 知的声速计算出被测距离。通过减法运算就可得出物 位值。由于温度对声速具有影响，所以仪表应测量温 度，以修正声速。 （动画） 二、超声波测量液位和物位原理 H=1/2vt 超声波物位计由于采用了先进的微处理器和独特的 EchoDiscovery回波处理技术，超声波物位计可以应用 于各种复杂工况。换能器内置温度传感器，可实现测 量值的温度补偿。 超声波换能器采用最佳声学匹配之专利技术， 使其发射功率能更有效地辐射出去，提高信号强度， 从而实现准确测量。 超声波液位计原理 1液面 2直管 3空气超声 探头 4反射小板 5电子开关 三、超声波测量的几种方法 可分为：液介式、气介式、固介式、双 探头式。 测量方案图见P74图2-4-6。 液介超声波物位计 液介超声波液位计是以被测液体 为导声介质，利用回波测距方法 来测量页面高度。该装置由超声 换能器和电子装置组成，用高频 电缆连接。时钟定时触发发射电 发出电脉冲，激励换能器发射超 声波脉冲。脉冲穿过外壳和容器 壁进入被测液体，在被测液体表 面上反射回来，再由换能器转换 成电信号送回电子装置。 超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气 传导型超声发射器和接收 器，根据超声波的往返时 间，就可测得液体的液面 。 超声波物位计的技术指标 1.量程。物位计的测量范围。 2.盲区：由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得 距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭 ，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量 盲区。盲区的大小与超声波物位计的型号有关。 盲区是反映了换能器好坏的重要指标。 比如盲区30cm，即在液面跟探头的距离小于30cm的 时候，将不能测量。 3.温度 温度范围大部分标称是-2060。因为大部分 用液晶显示的物位计，液晶屏的工作温度只能 在这个范围，超出这个范围，液晶显示都会出 现不正常现象。若不考虑液晶显示的限制，一 般可做到-40 80。超声换能器的工作温度很 难超过150 ，换能器的极限温度在100 。 4.压力 在负压的情况下，一般不推荐超声测 量。 5.腐蚀性 主要是考验探头的材质，用聚四氟 乙烯，可以耐大部分的强酸强碱。 超声波物位计安装要求： 换能器发射超声波脉冲时，都有一定的发射开 角。从换能器下缘到被测介质表面之间，由发射的超 声波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，因此安装 时应尽可能避开罐内设施，如：人梯、限位开关、加 热设备、支架等。 另外须注意超声波波束不得与加料料流相交。 安装仪表时还要注意：最高料位不得进入测量 盲区；仪表距罐壁必须保持一定的距离；仪表的安装 尽可能使换能器的发射方向与液面垂直. 超声波测量液位和物位 喇叭形 超声发生 器 超声波测厚原理 5.4.2 光电式物位计 光电式物位最简单的模式是：发光光源（如灯泡）放 在容器的一侧，另一侧相对光源处装置光敏元件，当 物位升高至物料遮挡光源时，光敏元件输出信号突变 ，仪表发出开关信号，进行报警或控制。 目前常用的光源发射器有激光器、发光二极管、 普通灯光等，光源的接收可由光敏电阻、光电二极管 、光电池、光电倍增管等多种光电元件来实现。在选 定某种光源器件后，再据此来选择接收元件，并与合 适的线路配合，组成物位计。 1. 传感器测量原理 光接收器件是光电式测量系统的关键部件 ，起着将光转换为电信号的作用。基于光电效 应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光 敏器件，按其转换原理可分为光电发射型、光 导型和光伏型。 （1）光导效应和光导型传感器 大多数半导体的电阻率，受到光照吸收光子的 能量后，会发生改变，使半导体的电阻值下降 而易于导电，这种现象称为光导效应。其原因 是半导体内部的带电粒子吸收了光的能量后， 使材料内部的带电粒子增加，从而使导电性增 强，光线越强，阻值越低。基于这一原理制造 的半导体光电器件有光敏电阻、光电二极管和 光电晶体管。 （2）光生伏特效应及光伏传感器 光照射引起PN结两端产生电动势的现象称为光生 伏特效应。当PN结两端没有外加电压时，在PN结势垒 区仍然存在着结电场，其方向是从N区指向P区，如图5 -24所示；当光照射到PN结上时，若光子的能量大于半 导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生电子空穴对 ，在结电场作用下，空穴移向P区，电子移向N区，电 子在N区积累和