化工仪表及自动化课件

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器内容提要概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计磁致伸缩式液位计光纤式液位计称重式液罐计量仪物位测量仪表的选型2内容提要概述2一、概论几个概念液位料位液位计界位计测量物位的两个目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表3一、概论几个概念液位料位测量物位的两个目的按其工作二、差压式液位变送器1.工作原理图3-39差压液位变送器原理图图3-40压力表式液位计4二、差压式液位变送器1.工作原理图3-39差压液位变送器原将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此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，如图3-40所示。5将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此当被测容器

使用差压式液位计测量液位时，若安装位置条件不同，将造成液位H与压差ΔP之关系不像式ΔP=ρgH那么简单，可能存在仪表零点迁移问题。2.零点迁移问题6使用差压式液位计测量液位时，若安装位置条件不同图无迁移测量安装图（1）无迁移7图无迁移测量安装图（1）无迁移7在使用差压变送器测量液位时，差压计的正压室取压口正好与容器的最低位（H=0）处在同一水平位置上。液位H与压差ΔP之关系为(1)H=0，ΔP=0，变送器输出为起点值(2)H=Hmax，ΔP=ΔPmax，变送器输出为满量程(3)H=0～Hmax，ΔP在0～ΔPmax之间线性变化此时，无需对差压变送器的零点进行迁移（1）无迁移8在使用差压变送器测量液位时，差压计的正压室取压口液位H与压差（2）正迁移图正迁移测量安装图119（2）正迁移图正迁移测量安装图119当仪表安装高度与容器最低液位不在同一水平位置时，如图3-34所示，这时正负压室的压力差为：正压室：负压室：正、负室压差为：

式中，—差压计正压室到液位起点处的垂直高度。（2）正迁移10当仪表安装高度与容器最低液位不在同一水平位置时，由式可知，当H=0时，>0。对比无迁移情况，相当于在正压室多了一项压力，其固定压差为，此即为正迁移，这样在液位在0～变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉正压室的固定压差的作用。（2）正迁移11由式可知，当H=0时，

方法：在变送器中加一调零迁移弹簧，迁移弹簧的作用是将变送器的测量从起点迁移到某一正数值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。（2）正迁移12方法：在变送器中加一调零迁移弹簧，迁移弹簧的作用（3）负迁移在实际测量中，有时为了不让被测容器内的液体或气体进入变送器而造成导压管线结晶、堵塞、腐蚀仪表，或为了保持负压室凝液高度恒定，常在变送器的正、负压室与取压点间分别加装隔离罐，并充以密度为的中性隔离液，如图所示。时正负压室的压力差为：13（3）负迁移在实际测量中，有时为了不让被测容器内的液图负迁移测量安装图（3）负迁移14图负迁移测量安装图（3）负迁移14（3）负迁移正压室：负压室：正、负室压差为：由式可知，当H=0时，－<0。对比无迁移情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定压差为，此即为负迁移，这样在液位在0～变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉负压室的固定压差的作用15（3）负迁移正压室：15（3）负迁移

方法：调整负迁移弹簧，其作用是将变送器的测量从起点迁移到某一负数值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。16（3）负迁移方法：调整负迁移弹簧，其作用是将变送器的测量迁移弹簧的作用

改变变送器的零点。迁移和调零

都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移

同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。17迁移弹簧的作用改变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输图3-42正负迁移示意图举例

某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，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。

18图3-42正负迁移示意图举例某差压变送器的测量范围3.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，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。

193.用法兰式差压变送器测量液位为了解决测量具有腐蚀性毛细管充满硅油，传递压力信号，将压力传递到压差变送器单法兰式

双法兰式

法兰式差压变送器按其结构形式图3-44法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器20毛细管充满硅油，传递压力信单法兰式双法兰式法兰式差压三、电容式物位传感器1.测量原理图3-45电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量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ε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。

21三、电容式物位传感器1.测量原理图3-45电容器的组成1—2.液位的检测3-46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222.液位的检测3-46非导电介质的液位测量1—内电极；2—

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ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）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23电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介

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24棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯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。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图3-47料位检测253.料位的检测用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的优点

电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。

缺点

需借助较复杂的电子线路。

应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。26优点电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点需借四、核辐射物位计放射性同位素在蜕变过程中会放射出α、β、γ三种射线。γ射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短，不带电荷，它在物质中的穿透能力最强。

由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，物位检测是其中一个典型的应用示例。

27四、核辐射物位计放射性同位素在蜕变过程中会放射出α射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（3-63）。（3-63）图3-48核辐射物位计示意图1—辐射源；2—接受器检测系统组成(1)辐射源在物位检测中一般需要射线穿透的距离长，因此常采用穿透能力较强的γ射线。（2）探测器射线探测器的作用是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。（3）电子线路将探测器输出的脉冲信号进行处理并转换为统一的标准信号。28射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（

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。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。特点29适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结五、磁致伸缩式液位计30五、磁致伸缩式液位计30测量原理：测量时液位的头部（罐的上部）发出电流“询问脉冲”，此脉冲同时产生以磁场，沿着波导管内的感应线向下运行，在液位计管外配有浮子，浮子可随液位，沿侧杆上下移动，浮子内藏有一组磁铁，并产生一个磁场，两个磁场相遇时产生一个新的变化磁场，随之产生新的“返回脉冲”。测出“询问脉冲”和“返回脉冲”的周期即可知道液体的位置。31测量原理：31优点：可动部分只有浮子，维护工作量小、安装比较简单、精度比较高，连续反应液位变化缺点：信号微弱，需要特种材料及工艺灵敏的电路，制造难度较大，价格昂贵32优点：32六、光纤式液位计1、全反射型光纤液位计光纤传感器具有高的灵敏度、电绝缘性好、防爆性能。原理：光的全反射结构：液位敏感元件、传输光信号的光纤、光源和光电检测单元图全反射型光纤液位传感器结构原理33六、光纤式液位计1、全反射型光纤液位计光纤传感器具有高的灵敏光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。34光的反射、折射当一束光线以一定的入射角光的全反射当增大入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角大于θc时，入射光线将发生全反射。35光的全反射当增大入射角时，进入介质2的折射光与各种装饰性光导纤维36各种装饰性光导纤维36光纤的结构37光纤的结构37光纤传感器外形38光纤传感器外形38图光纤中的全反射39图光纤中的全反射39

全反射型光纤液位计有两根光纤。一根光纤与光源耦合，称发射光纤；另一根光纤与光电元件耦合，称接受光纤。棱镜的角度满足以下条件：当棱镜外为空气时，光线全反射；当棱镜外为液体时，全反射条件被破坏。由于液体和空气的折射率相差很大，致使反射的光强明显减弱，因此便可判断液位的高度。这是一个定点式的光电传感器。40全反射型光纤液位计有两根光纤。401.液位计探头在空气中发生全反射：光强度=入射光强度2.探头在液层Ⅰ中发生折射：光强度=折射光+反射光反射到光电元件的光强减弱3.探头在液层Ⅰ-Ⅱ中因折射率不同，临界角变化：反射到光电元件的光强变化4.探头进入不同介质，送至光电元件的信号发生变化，由此确定液面的位置411.液位计探头在空气中发生全反射：光强度=入射光强度2.探1.将光纤端部加工成棱形，棱形的角度要保证该传感元件在空气中时发生全反射。2.在实际应用中，光源一般采用氦氖激光器，光纤采用粗光纤。3.光纤端头研磨要陡一些，以利于附着的液体立即落下，便于下次测量。光纤液位计用途易燃易爆液体的液面报警；不同介质分界面的测定；监控液位，防止液体的泄漏。421.将光纤端部加工成棱形，棱形的角度要保证该传感元件在空气中浮沉式光纤液位计是一种复合型液位测量仪表，由普通的浮沉式液位传感器和光信号检测系统组成，主要包括机械转换部分、光纤电路和电子仪表电路等三部分。2、浮沉式光纤液位计图浮沉式光纤液位计工作原理1-计数齿盘2-钢索3-重锤4-浮子5-光源6-光纤7-分束器8-计数齿盘9-透镜10-光电元件43浮沉式光纤液位计是一种复合型液位测量仪表，由普通的浮机械转换部分由浮子4、重锤3、钢索2及计数齿盘1组成。其作用是将浮子随液位上下变动的位移转换成计数齿盘的转动齿数。当液位上升时，浮子上升而重锤下降，经钢索带动计数齿轮顺时针方向转动相应的齿数；反之，液位下降，则计数齿盘逆时针方向转动相应的齿数。通常液位高度变化一个单位，齿盘转过一个齿。44机械转换部分由浮子4、重锤3、钢索2及计数齿盘1组成。其作用光纤光路部分由光源5、光纤6、等强度分束器7、两组光纤光路和两个相应的光电检测单元10等组成。两组光纤分别安装在齿盘的上下两边，每当齿盘转过一个齿，上下光纤光路就被切数据一次，各自产生一个相应的光脉冲信号。由于两组光纤光路的光脉冲信号在时间上有一个很小的相位差，这样，就可辨别齿盘是顺时针转动还是逆时针转动。45光纤光路部分由光源5、光纤6、等强度分束器7、两组光纤光路和电子电路部分由光电转换及放大电路、逻辑控制电路、可逆计数器及显示电路等组成。光电转换及放大电路——将光脉冲信号转换为电脉冲信号并加以放大。逻辑控制电路——对两路信号进行辨别。浮沉式光纤液位计可用于液位的连续测量，易燃易爆介质的液位测量。46电子电路部分由光电转换及放大电路、逻辑控制电路、可逆计数器及七、称重式液罐计量仪该计量仪既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。称重仪根据天平原理设计。杠杆平衡时由于（3-64）代入（3-64）（3-65）