自动检测技术--物位测量(及课后答案).ppt

7 7 物位物位测测测测量量 超声波物位测量7.4 浮力式液位测量7.1 静压式液位测量7.2 电容式液位测量 7.3 主要内容： 雷达物位测量 7.5 几个概念： 在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗 粒状物质的堆积高度叫料位。 测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位 计，测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面 计。 在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时 只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位 测量的仪表称为物位开关。 一、概述 物位：指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。 物位测量的目的：正确地测量容器或设备中储藏物质的容 量或质量。 物位测量的意义：计量物料消耗和产量，保证连续生产和 设备安全的重要参数。 按其工作原理分为 直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。 差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的 原理而工作。 浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的 原理工作。 电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如 电容。 核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚 度而变化的原理。 光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作。 声波式物位仪表：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 变化就可测知物位。根据工作原理分为声 波遮断式、反射式和阻尼式。 玻璃管液位计 原理：根据连通器原理，从玻璃管或玻璃 板上的刻度读出液位的高度。 优点：结构简单；读数直观，精确可靠； 维修方便，价格低廉。 缺点：只能就地指示，信号不能远传。 直读式物位仪表 7.1 浮力式液位测量 7.1.1 测量原理 （1）恒浮力法液位测量 液位上升时，浮子被浸没 的体积增加，浮力F增加，浮 子向上运动，直到重新满足平 衡关系为止，浮子停留在新的 液位高度上。 其实质是将液位的变化转 换为机械位移的变化。 分析： 1. 被测介质温度或成分的变化会引起介质密度的变化，从 而使h发生变化，引起测量误差。 2. 只有F大到能够使浮子动作时，才能反应出液位的变 化，产生仪表的不灵敏区。 增加浮子直径D可减小仪表不 灵敏区，提高测量精度。 不灵敏区 小，抗波 浪性差 抗波浪性好 ，但精度差 ，不灵敏区 较大 抗波浪性较好 ，不灵敏区较 小，易加工， 使用广泛 (2)变浮力法液位检测 初态： 末态： c弹簧刚度；x弹簧压缩位移 变浮力法测量液位原理：将液位的变化转变为力的变化， 然后再将力的变化转变为机械位移 初态： 末态： 上两式相减： 浮筒产生的位移与液位变化成比例 原理：根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步 移动的原理而工作。 7.1.2 恒浮力式液位计 （1）磁浮子式液位计（浮球式液位计） 测量要求： 1. 用于温度、粘度较高而压力不太高的 密闭容器； 2. 仅适合窄范围液位的测量 使用要求： 1. 要避免浮球脱离，保证浮球，链杆与转动轴之间的连 接切实可靠； 2. 浮球表面有附着物时，要重新调整零位，一经调好， 平衡重物便不能在随意移动。 磁浮子舌簧管液位变送器 舌簧管 1.下端封闭的不锈钢管 2.条形绝缘板 3.舌簧管 4.电阻 5.佛珠形浮子 6.环形永磁铁氧体 基于浮力和静磁场原理：浮球中的磁体和传感器（磁簧开 关）作用，使串连入电路的元件（如定值电阻）的数量发 生变化，进而使仪表电路系统的电学量发生改变。 磁浮子舌簧管液位变送器 基于浮力和静磁场原理 结构原理：根据浮力原理和磁性耦合作用研制 而成。当被测容器中的液位升降时，液位计主 导管中的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢 通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红、白翻 柱翻转180，当液位上升时，翻柱由白色转 为红色，当液位下降时，翻柱由红色转为白色 ，指示器的红、白界位处为容器内介质液位的 实际高度，从而实现液位的指示。 特点：1、测量范围大，不受贮槽高度限制。2 、结构简单，安装方便，维护费用低。3、耐 腐蚀、无需电源、防爆。4、适合容器内液体 介质的液位、界位的测量。除现场指示，还可 配远传变送器、报警开关、控制开关，检测功 能齐全。 （2）磁翻板液位计 7.1.3 变浮力式液位计 扭力管式浮筒液位计 作为液位检测元件的浮筒垂直地悬挂在杠杆的一端，杠杆 的另一端与扭力管芯轴的一端垂直地固结在一起，并由固定在 外壳上的支点所支撑。扭力管的另一端通过法兰固定在仪表外 壳上。芯轴的另一端为自由端，用来输出角位移。 扭力管液位计当液位低于浮筒时，浮筒的全 部重量作用在杠杆上，因而作用在扭力管上的扭 力力矩最大，扭力管带动芯轴扭转的角度最大(朝 顺时针方向)，这一位置就是零液位。当液面高于 浮筒下端时，作用在杠杆的力为浮筒重量与其所 受浮力之差。因此，随着液位升高，浮力增大而 扭力矩逐渐减小，扭力管所产生的扭角也相应减 小(朝逆时针方向转回一个角度)。在液位最高时 ，扭角最小，即转回的角度最大。这样就把液位 变化转换成芯轴的角位移，再经传动及变换装置 将角位移转换为电信号远传或显示、记录。 优点：耐高温、耐高压，测量精度高 、 可靠性好、调整方便 、测量范围广、经久耐用。可 用于易燃、易爆场合。 缺点：对于粘度大的介质，反应变化 比较慢 。 7.2 静压式液位测量 容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关： 为介质的密度，对于固体颗粒， 应理解为堆积密度 由于物料（液体）上方的自由空间有压力p0,则根据静力学 原理，有 7.2.1 测量原理 差压液位变送器原理图 压力表式液位计 当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将 差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也 可以在容器底部安装压力表，如上图所示。 注意：需注意测压仪表的基准点是否与最低液位一致 。 此法适用于粘度小，洁净液体的液位测量 7.2.2 压力式液位计 用吹气法测量 在测量具有腐蚀性、高黏度或含有悬浮颗粒的液体的液位时 ，可用吹气法进行测量，如图所示。在敞口容器中插入一根导管 ，压缩空气经过滤器，减压阀，节流元件，转子流量计，最后从 导管下端敞口处逸出，当导管下端有微量气泡逸出时，导管内的 气压几乎与液封静压相等。因此，由压力表所指示的压力值即可 反映出液位高度H。当液位上升或下降时，液封压力随之升高或 降低，致使从导管逸出的气量也要随之减少或增加。由于节流元 件的稳流作用，供气量是恒定不变的，则导管内的压力势必随液 封压力的升降而升降。因此压力计5可以随时指示出液位的变化 。如果需要将信号远传，可以采用压力或差压变送器代替压力计 进行检测发讯。 在气路中，选择阻力较大的节 流元件，只要节流元件前的压 力P1变化不大，根据流体力学 原理，当满足P20.528P1的条 件时，就可以达到气源流量恒 定不变的要求 优点：普及范围广,容易校准。 要研究的问题：要研究的问题： 1. 1. 测量原理测量原理 2. 2. 零点迁移问题零点迁移问题 3. 3. 实例分析实例分析 7.2.3 差压式液位计 在密封容器中，容器下部液体的压力除与液位高度有 关外，还与液面上部的介质压力有关。可用差压变送 器来测液位。 1.1.测量原理测量原理 液位高度H差压 2.2.零点迁移问题零点迁移问题（难点（难点+ +重点）重点） 无迁移无迁移 零点迁移的实现： 调节零点迁移弹簧 产生初始力矩 零点迁移弹簧 调整零点迁移弹簧，将变送器的测量输入从零起点迁移到 由于 故称之为差压变送器的正迁移。 由于 ，故称之为差压变送器的负迁移 25 P/KPa I0/mA 4 20 07-23 负迁移负迁移 正迁移正迁移 负迁移 正迁移 无迁移 改变差压变送器的零点，其量程不发生变化 使H0 时，变送器输出为4mA 2 P/KPa I0/mA 5 4 20 07-23 负迁移负迁移 正迁移正迁移 零点迁移的目的： 零点迁移的实质： 变送器量程可选为：040kPa 3. 3. 实例分析实例分析 已知： ， ，液位变化范围 02.5米，试选择变送器的量程和 迁移量。 解：解： 重要结论：差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器 因此，变送器需要进行负迁移，迁移量为37.24 kPa （1）选择变送器的量程 （2）确定变送器的迁移量 小结： (2)实质： 1. 测量原理： (1)实现: 2. 零点迁移的目的： ？ ？ ？ ？ 差压式液位变送器 图3-44 法兰式差压变送器测量液位示意图 1隔离法兰；2毛细管；3变送器 当被测介质粘度很大或具有腐蚀性以及含有结晶颗粒 时，应在差压变送器导压管入口处加装隔离法兰，在法 兰膜盒，毛细管和测量室组成的封闭系统内充有硅油， 作为传压介质。 思考题： 迁移量是多少？ 变送器在上下法兰间的位置 是否影响测量结果？ 7.3 电容式液位测量 1.1.测量原理测量原理 电容器的组成 1内电极；2外电极 两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量C C 当当 D D 和和 d d 一定时，电容量一定时，电容量 C C 的大小与的大小与 极板的长度极板的长度 L L 和介质的介电常数和介质的介电常数的乘的乘 积成比例。积成比例。 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。 将电容传感器（探头）插入被测物料中 ，电极浸入物料中的深度随物位高低变 化，必然引起电容量的变化，从而可以 检测出物位。 7.3.1 导电液体的液位测量 在液体中插入一根带绝缘套管的电极 。由于液体是导电的，导电容器和液体 可看作为电容器的一个电极，插入的金 属电极作为另一电极，绝缘套管为中间 介质，三者组成圆筒形电容器。当液位 变化时，就改变了电容器两极覆盖面积 的大小，液位越高覆盖面积就越大，电 容器的电容量就越大。 测量原理：利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位 的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进 行液位测量的。 设聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数为0，液 位测量范围为L，容器内径为D0，不锈钢棒直径为d，当液 位H=0，容器内实际液位低于非测量区h时，电容量为 式中：:聚四氟乙烯的介电常数; D:聚四氟乙 烯套管外径 当液位高H时，电容量为 则，电容变化量为 故只要，D,d数值稳定，被测液位就与电容变化 量呈线性关系。 一般，容器内径D0要远远大于聚四氟乙烯套管外径D，聚 四氟乙烯的介电常数为要大于聚四氟乙烯套管和容器内气 体的等效介电常数0，即 有 7.3.2 非导电液体的液位测量 利用被测液体液位变化时，可变电容传感器两极之间 充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化这一 特性进行液位测量的。 当测量较稀的非导电液体，如轻 油、某些有机液体以及液态气体的液 位时，可采用一个光电极（内电极） ，外部套上一根金属管（外电极）， 两者彼此绝缘，以被测介质为中间绝 缘物质构成同轴套筒形电容器，如图 所示。绝缘垫上有小孔，外套管上也 有孔和槽，以便被测液体自由地流进 或流出。 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 由两个同轴圆柱极板组成的电容器，当液位为零时，两电极 间介质是空气，初始电容为 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 。 当液位上升为H 时，电容量变为 电容量的变化为 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与空气介电系 数0不等的原理进行工作，（-0）值越 大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小 ，仪表越灵敏。 结论结论 优点：结构简单、可靠；精确度高；检测端消耗电 能小，动态响应快；维护方便，寿命长。 缺点：被测液体的介电常数不稳定会引起误差。一 般用于调节池、清水池的测量。 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。 1金属电极棒；2容器壁 左图所示为用金属电极棒插入容器来测量 料位的示意图。 电容量变化与料位升降的关系为 料位检测 当测量粉状非导电固体料位和黏滞性非导电液体液位 时，可采用光电极直接插入圆筒形容器的中央，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 缘物质构成圆筒形电容器，其测量原理与上述相同。 7.4 超声波物位测量 原理：利用声波阻断和声波反射原理测量物位。 优点：无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属 于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响。 缺点：精度比较低，测试容易有盲区。不可以测量压力容 器，不适合真空、蒸汽或液面有泡沫的情况。 不能 测量易挥发性介质。 7.4.1 测量原理 设超声探头至物位的垂直距离为，由发射到接收所经历 的时间为，超声波在介质中传播的速度为，则 对于一定的介质v是已知的，只要测出时间t就可以确定距 离H，即得知被测物位的高度了。 7.4.2 测量方法 根据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式； 根据探头的工作方式，有自发自收的单探头方式和收发分 开的双探头方式。 （a）液介式，探头固定在液体中最低处， 探头发出的超声脉冲在液体中，由探头传至 液面，反射后再从液面返回到同一探头而被 接收。测量所用的时间即可知液位高度。 （b）气介式，探头安装在最高液位之上的 气体中，测量气体中声波传播所用的时间即 可知液位高度。 （c）固介式，将一根传声的固体棒插入液体 中，上端要高出最高液位，探头安装在传声 固体的上端，测量固体中声波传播所用的时 间即可知液位高度。 (d)(e)(f)为双探头方式 放射性同位素的辐射射入一定厚度的介质时，部分粒子因 克服阻力与碰撞动能消耗被吸收，另一部分粒子则透过介 质。射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱， 其关系为 核辐射物位计示意图 1辐射源；2接受器 I I0 0 表示进入物料之前的射线强度；表示进入物料之前的射线强度；表示物料的表示物料的 吸收系数；吸收系数；H H为物料的厚度；为物料的厚度；I I为穿过介质后的射为穿过介质后的射 线强度。线强度。 不同介质吸收射线的能力不一样。固体 吸收能力最强，液体次之，气体最弱。 当放射源与被测介质固定后，介质的厚 度与通过介质的射线强度就成一一对应 关系。 7.5核辐射物位计 特点特点 核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表 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。 使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于射线对人体有害，因此射线的剂量应严 加控制，且须切实加强安全防护措施 (工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计) 雷达物位计 原理：通过放射源发出射线，穿过被测物料后由探测器 接收其辐射强度的改变。 优点：采用非接触式测量，不受槽内液体的密度、浓度 ，挥发度等物理特性的影响。 缺点：价格昂贵。仪表需要设置的参数较多，一旦出现 问题，通常很难查出是什么原因造成的。如果天 线本身不慎沾上介质会报错。如有结晶结冰现象 会报错等。 石油、化工部门有许多大型储罐，由于高度与直径 都很大，如果液位变化12mm，就会有几百公斤到几 吨的差别，所以液位的测量要求很精确。 同时，液体的密度会随温度发生较大的变化，而大 型容器由于体积较大，各处温度很不均匀，因此即使 液位（体积）测得很准，也反映不了罐中正式的储量 是多少。 利用称重式液罐计量仪，就能解决上述问题。 称重式液罐计量仪 图3-49 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 称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理设计。设计。 罐顶压力p1与罐底压力p2分 别引入下波纹管1和上波纹 管2.两波纹管的有效面积相 等，差压产生的总作用力作 用与杠杆系统，使其失去平 衡，于是通过发讯器、控制 器、接通电机线路，使可逆 电机旋转，并通过丝杠6带 动砝码5移动，直至由砝码 作用于杠杆的力矩与差压引 起的测量力作用于杠杆的力 矩平衡时，电机才停止转动 。 杠杆平衡时 由于 代入上式得 如果液罐是均匀截面 得 L2与液罐内介质的总质量储量M0成正比，而与介质密度无关。 说明： 1.如果储罐横截面积随高度而变化，一般是预先制定好表格， 根据砝码位移量就可以查得储存液体的质量。 2.由于砝码移动距离与丝杠转动圈数成比例，丝杠转动时，经 减速带动编码盘8转动，因此编码盘的位置与砝码位置式对应 的，编码盘发出的编码信号到显示器，经译码和逻辑运算后 就可