第5章-物位检测

第五章物位检测,第一节浮力式液位计第二节差压式液位计第三节电容式物位计,物位-指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称,液位容器中的液体介质的高低料位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度,物位检测的作用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；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。,物位的基本概念,利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。当液位变化时，前者产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变，后者则发生浮力的变化。因此，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可以知道液位的高低。,恒浮力法液位测量示意图,测量原理,第一节浮力式液位计,一、恒浮力式,二、变浮力式,典型仪：扭力管浮筒液位计。杠杆2的左端垂直悬挂浮筒1；扭力管3及芯轴4垂直紧固于2右端；另一端为自由端，输出角位移；当液位低于浮筒下端时，浮筒全重作用于杠杆：F0WW浮筒的重力。此时扭力矩最大，扭力管产生最大的扭角(约为4)；当浮筒整个浸没，扭力矩最小，扭力管产生最小扭角(约为2)。,液位的测量及转换：,第二节差压式液位计,一、通过液柱静压的方法对液位进行测量敞口容器：多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度。,其关系为式中P测压仪表指示值H液位的高度液体的密度g重力加速度,容器下部的压力与液位高度及液面上部介质压力有关；差压值还受液体密度和仪表安装位置影响。,零点迁移问题压力、差压检测要求：取压口(零液位)与压力/差压仪表的入口在同一水平面，否则有附加静压差；实际安装时不能保证满足该要求。如测地下储槽，仪表安在地面；法兰式差压变送器，导压管中充满硅油，安装在任何高度，均有附加静压。,无迁移差压变送器正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，正压室与零液位等高；压力分别为P+和P-，则：,H0，P0，无需迁移。,当H=0时，正负压室的差压P=0，变送器输出信号为4mA当H=Hmax时，差压Pmax=gHmax，变送器的输出信号为20mA，,负迁移上方气体可凝；或介质有腐蚀性，为防腐，差变正、负室与取压点间装有隔离罐，并充满隔离液。其密度为，正、负压室所受压力为：,当H0，B0，有一固定值（输出I4mA）；要H0，输出I4mA，需消去B的作用零点迁移。迁移的量为B，故为负迁移。正迁移实际安装时，常不能保证变送器和零液位在同一水平面。,H0，C，有一固定值，使输出I4mA；要H0，I4mA，需消去C的作用。迁移量C0，故需正迁移。方法与负迁移相似。零点迁移仅改变了变送器测量范围的上、下限，而量程大小不会改变。,用迁移弹簧改变变送器的零点。,某差压变送器的测量范围为05000Pa，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。,一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。,正负迁移示意图,例1用差变测液位。1200kgm3，950kgm3，h11.0m，h25.0m，液位变化范围：03.Om。重力加速度g9.8ms2，求变送器的量程和迁移量。,解：液位在03.Om变化时，差压的变化量：可选差变的量程：040kPa。H0，有：需负迁移，迁移量为-34.24kPa。迁移后测量范围：34245.76kPa。若选用DDZ型仪表，则当I4mA时，H0；当I20mA时，H403.035.283.4m，即实际可测液位：03.4m。若要求H3.0m时，输出20mA，则还需量程迁移，使当35.28-34.241.04kPa时，输出I=20mA。,二、用法兰式差压变送器测量液位,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。,例题2、如图示，用差压变送器测密闭容器的液位。已知h1=50cm，h2=200cm，h3=140cm，被测介质的密度1=0.85g/cm3，负压管内的隔离液为水，求变送器的调校范围和迁移量。,解：仪表的量程P：,当液位最低时，变送器正、负压室的受力：,迁移量：,因P0，故为负迁移。,仪表的调校范围为：,-26577-9905.1Pa（-26577+16671.9）,P0,例题3、用双法兰式差压变送器测量某容器的液位，如图示。已知被测液位的变化范围为03m，被测介质密度900kg/m3，毛细管内工作介质密度0950kg/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升高或降低时，问对测量有何影响？,解：变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算，即液位为3米时，其压差为：,测量范围可选030kPa（实际可测03.4m)由图知：P=P+-P-=Hg-h20g当H=0时，Pmin=-h20g变送器需负迁移，迁移量为-h20g。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不变，迁移量不变，对测量无影响。,Pmax=Hg=39009.81=26487(Pa)=26.487(kPa),特殊液位测量:,第三节电容式物位计,1.测量原理,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和介质的介电常数的乘积成比例。,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。,2.液位的检测,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。,当液位上升为H时，电容量变为,电容量的变化为,导电液的液位测量,液位，两电极覆盖面积传感器的电容量；反之电容量；测量传感器的电容量大小可知液位。,当液位为零时,聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数Fm；L液位测量范围(可变电容器两电极的最大覆盖长度)m；容器内径m；d不锈钢棒直径m。,当液位为H时，电容量CH：,聚四氟乙烯的介电常数Fm；D聚四氟乙烯套管外径m。,D0D，且，忽略第二项。,当电极确定时，、D和d定值，则：,只要、D和d的数值稳定（不受压力、温度等因素的影响），即K为常数，电容变化与液位变化成线性。绝缘材料的介电常数较大，绝缘层厚度较薄，即Dd较小时，灵敏度较高。适于黏度小液体；黏度大，液位下降，介质黏附在电极套管黏附层起外电极作用虚假电容虚假液位。,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。,电容量变化与料位升降的关系为,例题分析,解：如果已知某厂生产的DDZ-型压力变送器的规格有：010，16，25，60，100（MPa）精度等级均为0.5级。输出信号范围为010mA。,例题分析,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,若选择测量范围为025MPa、准确度等级为0.5级,这时允许的最大绝对误差为,由于变送器的测量范围为025MPa，输出信号范围为010mA,故压力为12MPa时,输出电流信号为,例题分析,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p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)。,例题分析,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723MPa，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,输入压力为15MPa时,输出电流为,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。,例题分析,法兰式差压变送器测液位,2.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03m,被测介质密度=900kg/m3,毛细管内工作介质密度0=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,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,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-1kgs-2，即,例题分析,所以液柱压力用Hg计算时,只要H用m,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pmax为26.487kPa,经过圆整后,测量范围可选030kPa。,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,负压室所受的压力p2为,例题分析,因此，差压变送器所受的压差为,由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量为h20g。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。,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010mA,硫酸的最小和最大密度分别为min=1.32(g/cm3),max=1.82(g/cm3)图4-16流体密度测量示意图min=1.32(g/cm3),max=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。,例题分析,解：（1）若不考虑零点迁移,那么就要以max来计算差压变送器的测量范围。当=max=1.82g/cm3时,差压变送器所承受的差压为,将H=1m,max=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得,如果选择差压变送器的测量范围为02104Pa,则当=max=1.82g/cm3时,对应的变送器输出为,例题分析,当=min=1.32g/cm3时,其差压为,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。,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=max时，这时所对应的压差仍为1.785104Pa，所以在提高测量起始点的同时，测量上限却可以不改变，