化工仪表及自动化答案9-物位检测及仪表.pdf

Chap3Chap3Chap3Chap3检测仪表与传感器检测仪表与传感器检测仪表与传感器检测仪表与传感器 4 4 4 4 物位检测及仪表物位检测及仪表物位检测及仪表物位检测及仪表 一、概述一、概述一、概述一、概述 二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器 三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器 四、核辐射物位计四、核辐射物位计四、核辐射物位计四、核辐射物位计 一、概述一、概述一、概述一、概述 1.概念概念概念概念 2.物位测量的意义物位测量的意义物位测量的意义物位测量的意义 3.分类分类分类分类 1.1.1.1.概念概念概念概念 ：在固定容器中液体与上层气体的分界面。 ：在固定容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。 ：在固定容器中两种不同密度的液体的分界面。 液位液位计 物 位 料位料位计 仪 表 界面界面计 2.2.2.2.物位测量的意义物位测量的意义物位测量的意义物位测量的意义 可正确获知容器设备中所储物料的数量； 可监视或控制容器内的介质物位，使之保持在一定的工艺 要求的高度。 3.3.3.3.分类：（按工作原理）分类：（按工作原理）分类：（按工作原理）分类：（按工作原理） （1）直读式物位仪表：利用连通器的原理工作。 （2）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。 （3）浮力式物位仪表：利用浮子的高度随液位变化而改变， 或液体对浸沉于液体中的浮子（或沉筒）的浮力随液位高 度而变化的原理来工作的。 （4）电磁式物位仪表：把物位的变化转换为一些电量的变 化，通过测出电量的变化测出物位。 3.3.3.3.分类：（按工作原理）分类：（按工作原理）分类：（按工作原理）分类：（按工作原理） （5）核辐射式物位仪表：利用核辐射透过物体时，其强度随 物质层的厚度而变化的原理来工作。目前射线应用最多。 （6）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，测出这些变化即可测 出物位。 （7）光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工 作。 二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器 1.工作原理工作原理工作原理工作原理 2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 3.法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器 二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器 利用差压或压力变送器可以很方便地测量液位，且能输出 标准的电流或气压信号。 压力表式液位计 1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 差压式液位变送器工作原理：差压式液位变送器工作原理：差压式液位变送器工作原理：差压式液位变送器工作原理：是利用容器内的液位改变 时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。 液位H的测量差压p的测量 （1）敞口容器： p大 气 p表 压 H ppHg ppKpHHg =+ = 大气 表压大气 1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 （2）密闭容器：将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。 1 2 12 ppHg pp ppp HgKH =+ = = = 当被测介质的 密度已知，则差 压变送器测出的 差压与液位高度 成正比。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 （1）“无迁移”情形：在使用差压变送器测量液位时，一般 压差p与液位高度H之间的关系为： p=Hg。这就是无迁 移情形。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。 （即H=0时， p=0） 对对对对DDZDDZDDZDDZ型：型：型：型： H=0时， p=0，变送器输出I0=4mA； H=Hmax时， p=pmax ，变送器输出I0=20mA。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 （2）零点迁移问题：实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液 罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量 中，当H=0时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即 p0，这就是液位测量时的零点迁移问题。 （即H=0时， p0） 如：如：如：如：地下贮槽，为了读数和维护的方便，压力检测仪表不能 安装在所谓零液位处的地下，此时由于取压口（零液位） 与差压变送器的入口不在同一高度，会产生误加静压，使 得当H=0时， p0的情形。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 图3-41 负迁移示意图 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 图3-41 分析： 11210 2220 2120 maxmax212 1212 ax0 0 2 m 1 0 ( ()0 ) 4 ()20 phgHgp phgp HphhgImA HHpphhgpImA pppHghhg IH =+ =+ = = = = = 需要对差压 时，则； 时，则。 此时，仪表的输出 不能正确反映出液位的数值 。 变送器进行零点迁移， 0 max0 04 20 HImA HHImA = = 时，差压变送器输出； 时， 即使液位的零值和满量 使得： 程能与变送器输出 差压变送器输出 的上下限 。 相对应。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 （3）差压变送器零点迁移的方法：可调节变送器上的迁移 弹簧，使得当液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号 p0，但变送器的输出为最小值（对DDZ 型，即 I0=4mA）。 H=0时， 尽管p0，但仍使I0=4mA 迁移弹簧的作用，实质是改变差压变送器的零点。 零点迁移实际上是差压变送器零点的大范围调整，它改变 了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改 变量程的大小。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 （4）正、负迁移：在液位测量中，当被测液位H=0时，如果 差压变送器的输入信号p0，则为“正迁移”；反之如 果p0，则为“负迁移”。 2.2.2.2.零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题 分析： p0 Hh p0 正迁移示意图 3.3.3.3.法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器 法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器：测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及 粘度大、易凝固等液体的液位时，引压管线易于被腐蚀、 被堵塞，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压 变送器。 左图是双法兰式差压变左图是双法兰式差压变左图是双法兰式差压变左图是双法兰式差压变 送器测量液位示意图。送器测量液位示意图。送器测量液位示意图。送器测量液位示意图。 1-法兰式测量头 2-毛细管 3-变送器 三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器 1.测量原理测量原理测量原理测量原理 2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量 3.料位的测量料位的测量料位的测量料位的测量 1.1.1.1.测量原理测量原理测量原理测量原理 1.测量原理测量原理测量原理测量原理：在电容器的极板之间充以不同的介质时，由于 介电系数的不同，电容量的大小也会不同。测出电容量的 变化即可检测物位的高低。 HH H HC C C C 【引】电容式物位传感器是利用圆筒形电容器的电容值随物位 变化而变化的原理而工作的。 1.1.1.1.测量原理测量原理测量原理测量原理 d D L 1 2 1 2 2 ln L D d L 内电极 同心圆筒电容器的组成 外电极 ：两极板相互遮盖部分的长度 （圆筒电极的高度） ：中间介质的介电系数 D， ：外电极内径和内电外径d极 C= 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量A A A A （1 1 1 1）非导电介质：）非导电介质：）非导电介质：）非导电介质： 由金属棒做成的内电极和由 金属圆筒做成的外电极两部 分组成，外电极上有许多小 孔，使被测液体能自由流进 内外电极之间的空间，内外 电极之间用绝缘套绝缘。 1-内电极 2-外电极 3-绝缘套 4-流通小孔 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量B B B B 0 000 0 0 2 ln 2()2 ()2 0 2 lnlnlnln 2 () ln L D d LHHLH DDDD dddd H D d K H H +=+ = = ）液位时，仪表调整零点，此时： 式中，-空气的介电系数 ）液位上升到H时，电容分上下两段来计算： 0 0 C = C= CC C 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量C C C C 0 0 0 ()ln () ln 2 () ln K H D d D d H D d = 测量灵敏度与成正比，与成反比。 加大； 提高灵敏度的方法 减小，即使内、外电极距离 ： 近。 靠 0 CC C 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量D D D D 思考思考思考思考：仪表在某一起始液位（如h处)调零的情形？ 0 0 0 0 2()2 lnln 2()2() lnln 2 () ln Lhh DD dd LHhHh D K H d D H D d H H d + + + = ）液位为零时： 式中，-空气的介电系数 ）液位上升到 时： 0 0 C = C= CCC d D H h L 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量E E E E （2 2 2 2）导电介质：）导电介质：）导电介质：）导电介质： 此时电极要用绝缘物覆盖作 为中间电极，一般用紫铜或 不锈钢棒作为内电极，外套 塑料管或搪瓷作为绝缘层， 而导电液体和金属容器壁构 成外电极。 L是电极和容器的覆盖长 度； 1 、 2 、 3分别为空气、 液体和绝缘层的介电系数。 1 2 D0 D d H L 3 2.2.2.2.液位的测量液位的测量液位的测量液位的测量F F F F 1 0 31 0 31 0 0 2 ln 22() lnln 22 lnn 0 l L D d HLH DD dd H DD dd H D KH H + = = = ）容器内无液体（）时，内电极和容器壁组成电容器， 绝缘层和空气为介电层： ）液位高度为 时： 有液体部 分的电容 无液体部分的电容 若 0 0 C = C= CCC 1 3 3 2 ln H D d d ，且 ，则 C 3.3.3.3.料位的测量料位的测量料位的测量料位的测量 料位的检测料位的检测料位的检测料位的检测：可测量固体块状、颗粒体及粉料的料位。 一般用电极棒（内电极）及金属容 器壁（外电极）构成电容器的两极。 1-金属电极棒 2-容器壁 0 0 0 2 ln D d H D d KH = 式中，容器内径； 电极棒外径 （） C 四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计 1.1.1.1.原理原理原理原理 2.2.2.2.特点特点特点特点 【引】放射性同位素的辐射线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。若找出射线的透射强度与介质层厚度的关系，则测 出射线的透射强度，即可知介质层厚度。 核辐射式物位计是利用核辐射线在穿透物质时将会衰减 的现象来确定物位的。 四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计四、核辐射式物位计 0 H H H e IH 0 0 0 式中，介质对放射线的吸收系数 介质层厚度 入射线的强 液位或料位的 度 穿过介质后的射线强度 当I 和 不变时，I与就有 I 一一对应的关系。所以只要测 定通过介质后的射线强度I，就可知介质的厚度H。 高度H的 I I=I 入射强度为 的放射源，随介质厚度增加，其透射 线的强度为： I测量射线强度 的测量 1.1.1.1.原理原理原理原理 1.1.1.1.原理原理原理原理 左图是核辐射物位计示意 图。 1-1-1-1-辐射源辐射源辐射源辐射源：多选穿透能力较 强的射线源，射出强度 为I0的射线。 2-2-2-2-接受器接受器接受器接受器：检测透过介质后 的射线强度I. 2.2.2.2.特点特点特点特点 能透过钢板等各种物质，可完全不接触被测介质，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，还可测高温融熔金属 的液位。 可在高温、烟雾、尘埃、强光及强电磁场等环境下工作。 但放射线对人体有害，使用范围受到限制。 回顾回顾回顾回顾 液位、料位、界面的定义；液位、料位、界面的定义；液位、料位、界面的定义；液位、料位、界面的定义； 差压式液位变送器的原理；差压式液位变送器的原理；差压式液位变送器的原理；差压式液位变送器的原理； 零点迁移问题；零点迁移问题；零点迁移问题；零点迁移问题； 电容式物位传感器的原理；电容式物位传感器的原理； 核辐射式物位计的原理。核辐射式物位计的原理。 作业作业作业作业 Ex54.Ex54.Ex54.Ex54. 习题习题习题习题 Ex48.Ex48.Ex48.Ex48. （1）直读式物位仪表：利用连通器的原理工作。 （2）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。 （3）浮力式物位仪表：利用浮子的高度随液位变化而改变， 或液体对浸沉于液体中的浮子（或沉筒）的浮力随液位高 度而变化的原理来工作的。 （4）电磁式物位仪表：把物位的变化转换为一些电量的变 化，通过测出电量的变化测出物位。 习题习题习题习题 Ex48.Ex48.Ex48.Ex48.续续 （5）核辐射式物位仪表：利用核辐射透过物体时，其强度随 物质层的厚度而变化的原理来工作。目前射线应用最多。 （6）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，测出这些变化即可测 出物位。 （7）光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工 作。 习题习题习题习题 Ex49.Ex49.Ex49.Ex49. 差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的 静压也相应变化的原理而工作的。 当测量有压容器的液位时，即容器是受压的，则需将差压 变送器的负压室与容器的气相相连接，以平衡气相压力p变 化时对液位测量的影响。 习题习题习题习题 Ex50Ex50. . . .生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及 液位的原理，试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密 度的方案。 解： p0 H p2 p1 溢 出 孔 1 2 12 pHgp pp pppHg Hg p p =+ = = = 大气 大气 当 、 不变时， 与 成正比。 的测量的测量 习题习题习题习题 Ex50Ex50. . . .思考： 33 min 33 max 32 min 32 max 21.010/, 1.510/ 29.81.01019600 29.81.51029400 19600 29400 Hmkgm kgm mPa mPa PaPa = = = = min max 解： 若，被测液体的密度 。求差压变送器的差压变化范 围。（g取9.8N/kg） p=HgN/ p=HgN/ 范围：。 习题习题习题习题 Ex51Ex51. . . . 习题习题习题习题 Ex51Ex51. . . . 1021210 22101