自动检测技术及仪表控制系统课件(第七章)

1、第七章第七章 物位检测物位检测常用检测仪表常用检测仪表2其它检测方法介绍其它检测方法介绍3 3定义及检测方法分类定义及检测方法分类3 1物位检测方法物位检测方法v应用浮力原理检测物位应用浮力原理检测物位v应用静压原理检测物位应用静压原理检测物位v应用超声波反射检测物位应用超声波反射检测物位物位检测仪表物位检测仪表v差压式液位计差压式液位计v浮子式物位计浮子式物位计v核辐射物位计核辐射物位计v超声波液位计超声波液位计7.1 定义及检测方法分类 物位的定义：物位的定义： “物位物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。表面位置。 对应不同性质的物料又有

2、以下的定义。对应不同性质的物料又有以下的定义。 液位液位指设备和容器中液体介质表面的高低。指设备和容器中液体介质表面的高低。 料位料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。末状固体物料的堆积高度。 界位界位指相界面位置。指相界面位置。 物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。指示和控制的仪表，称物位检测仪表。7.1 定义及检测方法分类 物位检测仪表的分类：物位检测仪表的分类： 由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很由于被测对象种类繁多，检测的条件

3、和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。不同生产过程的测量要求。 物位检测仪表按测量方式可分为物位检测仪表按测量方式可分为连续测量连续测量和和定点测定点测量量两大类。两大类。 连续测量方式能持续测量物位的变化。连续测量方式能持续测量物位的变化。 定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物物位开关位开关。 按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮

4、力式、机械式、电气式等。浮力式、机械式、电气式等。7.1 定义及检测方法分类 1 1、直读式物位检测仪表、直读式物位检测仪表 采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。主要用于液位检测和压力较低的场合。 2 2、静压式物位检测仪表、静压式物位检测仪表 基于流体静力学原理，适用于液位检测。基于流体静力学原理，适用于液位检测。 容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质

5、密度不变时，通过测量参考点例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。的压力可测知液位。 这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。7.1 定义及检测方法分类 3 3、浮力式物位检测仪表、浮力式物位检测仪表 其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。液位。 这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。这类仪表有各种

6、浮子式液位计、浮筒式液位计等。 4 4、机械接触式物位检测仪表、机械接触式物位检测仪表 通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。位的测量。 这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。7.1 定义及检测方法分类 5 5、电气式物位检测仪表、电气式物位检测仪表 将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。测这些电量的变化可知物位。 6 6、其他物位检测方法

7、如声学式、射线式、光纤式仪、其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式仪表等。表等。物位检测仪表的分类和主要特征物位检测仪表的分类和主要特征续7.2 常用物位检测仪表 浮力式和静压式液位计：浮力式和静压式液位计： 浮力式液位计：浮力式液位计： 浮力式液位计有两类：浮力式液位计有两类： 恒浮力式：恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计浮球等液位计. . 变浮力式：变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的浮力不同来测定液位的高低的浮力不同来测定液位的高低. .7.2 常用物位检测仪表 恒浮力法测量液位

8、的原理：恒浮力法测量液位的原理：磁浮子液位计磁浮子液位计7.2 常用物位检测仪表 平衡时：平衡时： 浮标的重量浮标的重量- -浮力浮力= =平衡物的重量。平衡物的重量。 即即:W-F=G:W-F=G 当液位上升时：当液位上升时： 浮标浸没部分增加，浮力增大，浮标浸没部分增加，浮力增大，W-FG, W-F P P2 2 ，则变送器高低压室的压力分，则变送器高低压室的压力分别为：别为：7.2 常用物位检测仪表高低压室所感受的压差为高低压室所感受的压差为l与无迁移情况的相比较，总的差压减少了与无迁移情况的相比较，总的差压减少了 7.2 常用物位检测仪表 即相当于在低压室增加即相当于在低压室增加 了一

9、个恒定的静压了一个恒定的静压 由于它的存在，使得当由于它的存在，使得当 H =0 时，时， p= -（ h2 - h1 ）p2 g 此时变送器的输出必然小于此时变送器的输出必然小于 4mA ， 当当 H =Hmax 时，变送器的输出也达不到时，变送器的输出也达不到 20mA 。 为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系，就必须借助差压变送器的零点迁移功况的对应关系，就必须借助差压变送器的零点迁移功能来抵消这静压力的影响。能来抵消这静压力的影响。7.2 常用物位检测仪表 使得当使得当 p =-（ h2- h1）pg 时，变送器的输出

10、为时，变送器的输出为 4mA 。这种情况就是负迁移。这种情况就是负迁移。 针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围为为 0 5kPa ，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分别为别为+2kPa 和和 -2kPa ，则这台差压变送器零点迁移特，则这台差压变送器零点迁移特性曲线如图性曲线如图 所示。所示。 7.2 常用物位检测仪表 法兰式差压变送器法兰式差压变送器 当测量有腐蚀性或粘度大、含有颗粒、易凝固等液当测量有腐蚀性或粘度大、含有颗粒、易凝固等液体的液位时，为避免引压管被腐蚀和堵塞，有专门体的液位时，为避免引

11、压管被腐蚀和堵塞，有专门的的 法兰直接靠在容器壁上，通过隔离膜片来感受法兰直接靠在容器壁上，通过隔离膜片来感受容器内的压力，然后以硅油作为传递压力的介质，容器内的压力，然后以硅油作为传递压力的介质，经细管与变送器的测量室相通。采用硅油传递的好经细管与变送器的测量室相通。采用硅油传递的好处是它的体积膨胀系数小，凝固点低，适用于寒冷处是它的体积膨胀系数小，凝固点低，适用于寒冷天气和户外安装条件；常温下流动性好，无腐蚀性，天气和户外安装条件；常温下流动性好，无腐蚀性，性能稳定。性能稳定。 这种使用方式需要进行零点迁移。这种使用方式需要进行零点迁移。7.2 常用物位检测仪表 静压法测量的特点：静压法测

12、量的特点： 利用静压法测量液位，采用的压力变送器或差压变利用静压法测量液位，采用的压力变送器或差压变送器具有通用性，因为结构简单，安装方便，所以送器具有通用性，因为结构简单，安装方便，所以使用相当普遍。使用相当普遍。 注意：注意： 由于浮力法和静压法中都涉及到液体的重度，即液由于浮力法和静压法中都涉及到液体的重度，即液体的密度，所以仪表的读数受体的密度，所以仪表的读数受液体密度液体密度变化的影响，变化的影响，当液体的密度发生变化时，要对标尺进行修正。当液体的密度发生变化时，要对标尺进行修正。7.3 其它检测方法介绍 电容式物位计电容式物位计 电容式物位计是基于圆筒形电容器的原理而工作的，电容式

13、物位计是基于圆筒形电容器的原理而工作的，它将被测介质料位的变化转化成电容量的变化。它将被测介质料位的变化转化成电容量的变化。 通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出。输出。 实现方法实现方法 对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力（差压）传感器；对于不易在壁面开孔（常压容器）（差压）传感器；对于不易在壁面开孔（常压容器）或容器在地面以下的，可导用投入式压力传感器，或容器在地面以下的，可导用投入式压力传感器，将压力传感器投到容器的底部。通过电缆线传输压将压力传感器投到容器的底部。通过电缆线传输

14、压力信号力信号7.3 其它检测方法介绍RLHL17.3 其它检测方法介绍v大致可分成三种工作方式。大致可分成三种工作方式。7.3 其它检测方法介绍 (a)(a)适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。粉末的物位测量。 在这种应用中，器壁为电容的外电极，沿轴线插入在这种应用中，器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作为内电极。金属棒，作为内电极。 (c)(c)适用于立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液适用于立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。体的液位测量。7.3 其它检测方法介绍 (b)(b)适用于非金属容器，或虽为金属容

15、器，但非立式适用于非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，物料为非导电性液体的液位的测量。圆筒形，物料为非导电性液体的液位的测量。 在这种应用中，中心棒状电极的外面套有一个同轴在这种应用中，中心棒状电极的外面套有一个同轴金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容的中间介质为气体和液体物料。的中间介质为气体和液体物料。 这样组成的电容这样组成的电容C Cx x与容器的形状无

16、关，只取决于液与容器的形状无关，只取决于液位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位的测量。种电极不适于固体物位的测量。7.3 其它检测方法介绍 电容式物位计的特点：电容式物位计的特点： 可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点单，安装要求低等特点 但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。严重影响测量精度。 被

17、测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。当精度要求较高时，应采用修正措施。 电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常数的电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常数的变化的影响；其次是物位对电容器的电容量变化值很变化的影响；其次是物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电小，往往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电容测量比较困难容测量比较困难电容式料位计电容式料位计电容式液位计电容式液位计7.3 其它检测方法介绍 2 2、超声波物位仪表、超声波物位仪表 一般把超过一般把超过20k

18、Hz20kHz的声波称为超声波。声频越高，的声波称为超声波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。减也越大。 超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利用超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距质中的波速就能计算出

19、探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。离，从而确定物位的高度。7.3 其它检测方法介绍H为传播速度vvtH,217.3 其它检测方法介绍 超声波物位计的特点：超声波物位计的特点： 无可动部件，换能器的振幅小，寿命无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；长，可实现非接触式测量； 不受介质粘度的影响，并与介质的介不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；电常数、电导率、热导率等无关； 适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波和悬浮物，

20、而且液面不能有很大的波动；动； 测量精度受声速的影响（声速受温度测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。影响）。超声液位（物位）计超声液位（物位）计7.3 其它检测方法介绍 3 3、核辐射式物位仪表、核辐射式物位仪表 核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。散射等特性而设计制造的。 不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。射线的辐射强度随着

21、被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。 式中式中I I为穿过厚度为为穿过厚度为H H的物质的物质X X后的辐射强度；后的辐射强度；I I0 0为射为射入物质前的辐射强度；入物质前的辐射强度；为物质的吸收系数；为物质的吸收系数；H H为介为介质层厚度。质层厚度。 检测系统组成检测系统组成 射线源射线源 探测器探测器 电子线路电子线路 实现方法实现方法 放射源可以是一个点源，也可以做成放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有状的。

22、因此用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示多种方式，常用的如图所示射线料位计射线料位计7.3 其它检测方法介绍 核辐射式物位计的特点：核辐射式物位计的特点： 属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。种容器中液体或固体物料的物位测量。 可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。条件。 其放射性安全防护措施需按有关规范操作。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。7.3 其它检测方法介绍 4 4、微波物位计、微波物位计 微波物位计又称雷达物位仪，微波物位计运用了微波物位计又称雷达物位仪，微波物位计运用了 微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一 定的，所以可以通过测量微波从传感器定的，所以可以通过测量微波从传感器 传播至物料表面并返回到传感器所用的传播至物料表面并返回到传感器所用的 时间来计算出所测量的物位时间来计算出所测量的物位雷达液位计雷达液位计7.3 其它检测方法介绍微微 波波 超超 声声 波波波类型波类型电磁波电磁波机械波机械波反射特性反