自动检测精华浓缩版-第三章四节物位测量

物位测量第一节物位检测的主要方法和分类物位液体介质液面的高低两种液体介质的分界面的高低固体块、散粒状物质的堆积高度液位计界面计料位计物位计液位界面料位物位检测确定储存量物料平衡保证产量经济核算物位检测的主要方法静压式物位检测浮力式物位检测电气式物位检测声学式物位检测射线式物位检测物位检测的主要方法1．静压式物位检测根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此可利用差压来检测液位，这种方法一般只用在液位的检测。2．浮力式物位检测利用漂浮于液面上浮子随液面变化位置，或者部分浸没于液体中物质的浮力随液位变化来检测液位，前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，二者均用于液位的检测。3．电气式物位检测把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数，如电阻、电容等，随物位的变化则改变。这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测。4．声学式物位检测利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。液位和料位的检测都可以用此方法。5．射线式物位检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质因被其吸收而减弱，吸收程度与物位有关。物位检测的基本原理1．基于力学原理2．基于相对变化原理3．基于某物理量随物位的升高而增加原理敏感元件所受到的力（压力）的大小与物位成正比，它包括静压式、浮力式和重锤式物位检测等；当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。这种检测原理包括声学法、微波法和光学法等；例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。液位计种类作用原理主要特点静压式玻璃管液位计连通器原理结构简单、价格低廉，易损坏，读数不明显压力表式液位计液位高度与液柱静压成正比适用于敞口容器，使用简单压差式液位计基于液位升降时能造成液柱差的原理敞口容器或密闭容器都能使用，但要注意“零点迁移”问题浮力式浮标液位计浮标浮于液体中随液面变化而升降结构简单、价格低廉浮筒式液位计浮筒在液体中受到浮力而产生的位移与液位变化成正比结构简单、价格低廉电气式电容式液位计置于液体中电容，其值随液位高低而变化测量滞后小，能远距离传输，但z线路复杂，价格高电接点式液位计应用电极等电装置，当液面超过规定值时，发出电信号不能连续测量，用于要求不高的场合超声波液位计利用超声波在气体和液体中的衰减程度、穿透能力和辐射声阻抗等各不相同的性质非接触测量，准确性高，惯性小，但成本高液位检测仪表的种类及特点第二节静压式物位检测检测原理静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。若PA为大气压，上式变为：当被测介质密度为已知时，两点的压力差ΔP或B点的表压力P与液位高度H成正比，这样就把液位的检测转化为压力差或压力的检测，选择合适的压力（差压）检测仪表可实现液位的检测。实现方法直接用压力检测仪表对液位进行检测。方法是将压力仪表通过引压导管与容器底侧零液位相连。要求液体密度为定值，否则会引起误差。压力仪表实际指示的压力是液面至压力仪表入口之间的静压力，当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高差而引起的固定压力进行修正。被测对象为敞口容器容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。可以用测量差压的方法来获得液位差压检测法的差压指示值与液位高度有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关当这些因素影响较大时必须进行修正被测对象为密闭容器抵消了容器上部压力变化对测量的影响。引压导管易被腐蚀或堵塞，影响测量精度，应用法兰式压力（差压）变送器。敏感元件为金属膜盒，它直接与被测介质接触，省去引压导管，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与变送器的测量室相通，它们所组成的密闭系统内充以硅油，作为传压介质。为了毛细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管。对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。处理方法对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静压力时输出为“零”。量程迁移量程迁移无迁移负迁移正迁移Hh量程迁移无迁移保证正压室与零液位等高当H为零时，差压输出为零。差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准信号输出。量程迁移负迁移形成原因：加隔离罐或采用法兰式测压差。正压室：负压室：差压：当H=0时，差压的输出并不为零，而是-B。为使H=0时，差变的输出为4mA，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。量程迁移例如：已知液位高度变化形成的差压值为：所以可选择差压变送器量程为40kPa所以负迁移量为37.240kPa，即将差压变送器的零点调为-37.240kPa。迁移后差变的测量范围为-37.24~2.76kPa。量程迁移正迁移正压室：负压室：压差：当H=0时，差压输出并不为零，其值为其迁移量为正值，所以称为正迁移。综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，而量程范围不变。量程迁移例2如图所示采用双室平衡对锅炉汽包液进行测量，试求差压变送器的测量范围，并判断零点的迁移方向，计算迁移量。已知条件：量程迁移例3有两种密度分别是的液体置于闭口容器中，它们的液面经常变化。试考虑能否利用差压变送器来连续测量其界面，若可以利用差压变送器来测量，试问：1)仪表的量程如何选择？2)迁移量是多少？第三节浮力式物位检测浮力式物位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位。恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测包括浮标式、浮球式和翻板式等各种方法。浮球用不锈钢制作，安装在浮筒内，其上端连接有连杆，连杆顶端置有磁钢。当水位发生变化时，浮球带动连杆顶端磁钢在调整箱组件中非导磁的管道中上、下移动，当磁钢移动到上下限水银开关处，与水银开关上装有的磁钢相作用，带动水银开关动作，从而实现开关量控制。浮球式液位计浮球式液位计电缆式浮球液位计调整箱组件浮筒浮球连杆非导磁管下限水银开关磁钢上限水银开关变浮力式物位检测变浮力式物位检测方法中典型的敏感元件是浮筒，它是利用浮筒由于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒受到液位对它的浮力作用而向上移动。根据力平衡可得由于h>>Δx，所以有H=h，则即弹簧的位移量与液位成正比。浮筒的连杆上连接有一铁芯，随着浮筒的位移在差动变压器内上下移动输出位移信号。浮球式液位计浮筒液位计第四节电气式物位检测电气式物位检测方法是利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。根据电量参数的不同，可分为电阻式、电容式和电感式等。由两个长度L，半径分别为R和r的圆筒金属导体组成。当两圆筒间充以介电常数为ε1的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为：如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为ε2的液体所浸没，设被浸没的电极长度为H，此时的电容量为电容式当圆筒形电容器的几何尺寸L、R和r保持不变，且介电常数也不变时，电容器电容增量△C与电极被介电常数为ε2的介质所浸没的高度H成正比关系。另外，两种介质的介电常数的差值（ε2－ε1）越大，则△C也越大，说明相对灵敏度越高。当圆筒形电容器几何尺寸一定，电容器电容增量与液位高度H成正比。同时，两种介质的介电常数的差值越大，越大，灵敏度高。对于被测介质为导电性液体，则电极将被导电的液体短路。因此，电极要用绝缘材料覆盖。可导出：电容式物位检测的基本原理是将物位的变化转换为由插入电极所构成的电容器的电容量的改变。电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路组成。由于电容的变化量较小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。目前在物位检测中，常见的电容检测方法主要有交流电桥法、充放电法和谐振电路法等。电阻式工作原理基于液位变化引起电极间电阻变化，通过检测电阻变化反映液位的情况。两根电极由两根材料、截面积相同的，具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。则其阻值为电阻大小与液位高度成正比。电感式工作原理利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。上限线圈下限线圈浮子第五节声学式物位检测超声波性质（1）超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温度）有关。（2）声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的电波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。（3）声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。（4）当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为：式中IR、I0——反射和入射声波的声强；α、β——声波的入射角和反射角；

Z1、Z2——两种介质的声阻抗，其值为Z1=ρ1v1，Z2=ρ2v2

。在声波垂直入射时，α＝0，β＝0则，其反射系数变为假设声波从水传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为Z1＝1.44×106，Z2＝4×102，则得R＝0.999。说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。超声波检测原理声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为v，则有如下简单关系：模型演示（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中。（c）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端。采用自发自收单探头方式测量时的几种基本方案V的含义相同吗？基本方案采用一发一收双探头测量方式测量时的几种基本方案（d）双探头液介式如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为S，探头至液面的垂直高度为L，则一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所以在高液位时L值近似地与S相等，因此仍可用S公式计算L值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。采用一发一收双探头测量方式测量时的几种基本方案（e）双探头气介式如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为S，探头至液面的垂直高度为L，则一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所以在高液位时L值近似地与S相等，因此仍可用S公式计算L值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。采用一发一收双探头测量方式测量时的几种基本方案（f）双探头固介式采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传至液面，再经液体传至第二根固体，然后沿第二根固体传至接收探头。超声波物位计的接收和发射超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。因此，用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。换能器的核心是压电片，根据不同的需要，压电片振动方式有很多，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用的最多。在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。采用较高能量的超声波：可以增加声波在介质中传播的距离，适用于物位测量范围较大的检测系统；有利于提高检测系统的测量精度。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。具有较高能量的超声波在液体介质中传播易产生空化效应，大量空化气泡的形成将使超声波在介质中传播时被吸收；引起介质的温升效应，超声能量超高，温升也超高，易使介质特性发生变化，从而降低测量精度。措施：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。既减小了单位时间内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温升效应等以及节约仪器的能耗，后者可提高测量精度。超声波换能器除了采用压电材料外，还有磁致伸缩材料。在某些铁磁材料及其合金（如镍、锌铁合金、铝铁合金等）和某些铁氧体做成的磁性体棒中，若沿某一方向施加磁场，则随着磁场的强弱变化，材料沿这一方向的长度就会发生变化，当施加的交变磁场的频率与该磁性体棒的机械固有频率相等时，磁性体棒就会产生共振，其伸缩量加大，这种现象称为磁致伸缩效应，能产生这种效应的材料称为磁致伸缩材料。利用磁致伸缩效应可以来产生超声波。磁致伸缩材料在外力（或应力、应变）作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各种磁畴之间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化。这种由于应力使磁性材料磁性质变化的现象称为压磁效应，又称逆磁致伸缩效应。在磁致伸缩材料外加一个线圈，可以把材料的磁性的变化转化为线圈电流的变化，因此可用来接收超声波。此外，利用逆磁致伸缩效应还可以进行力、压力等参数的检测。补偿措施物位检测的精度主要取决于超声脉冲的传播时间和超声波在介质中的传播速度。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施。温度补偿

如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变化，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声波换能器附近安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。常用补偿方法

温度补偿；设置校正具设置校正具

在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成声速校正用的探头。校正探头到反射板的距离为已知的固定长度。由于校正探头到反射板的距离为已知，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间，则可得声波在介质中的传播速度为：因为校正探头和测量探头在同一介质中，两者的传播速度相等从而消除了声速变化引起的测量误差。液位计种类作用原理主要特点静压式玻璃管液位计连通器原理结构简单、价格低廉，易损坏，读数不明显压力表式液位计液位高度与液柱静压成正比适用于敞口容器，使用简单压差式液位计基于液位升降时能造成液柱差的原理敞口容器或密闭容器都能使用，但要注意“零点迁移”问题浮力式浮标液位计浮标浮于液体中随液面变化而升降结构简单、价格低廉浮筒式液位计浮筒在液体中受到浮力而产生的位移与液位变化成正比结构简单、价格低廉电气式电容式液位计置于液体中电容，其值随液位高低而变化测量滞后小，能远距离传输，但z线路复杂，价格高电接点式液位计应用电极等电装置，当液面超过规定值时，发出电信号不能连续测量，用于要求不高的场合超声波液位计利用超声波在气体和液体中的衰减程度、穿透能力和辐射声阻抗等各不相同的性质非接触测量，准确性高，惯性小，但成本高液位检测仪表的种类及特点第六节射线式物位检测放射性同位素在蜕变过程中会放射出α、β、γ三种射线。α射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。β射线是电子流，电离本领比α射线弱，而穿透能力较α射线强。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比α和β射线都强，但电离本领最弱。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，如位移、材料的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。实现方法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状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示模型演示检测原理当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，其变化规律为：式中：I0

、I为射入介质前和通过介质后的射线强度；μ为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。当射线源和被测介质一定时，I0和μ都为常数。测出通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度H。检测系统组成射线式物位检测系统主要由射线源、射线探测器和电子线路等部分组成。射线源主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透力较强的γ射线。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。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。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雷达液位计

在电磁波谱中将波长为1～1000mm的电磁波称为微波。微波的特点是:(1)在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；

(2)在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。

1.反射式微波液位计

利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液位定点控制。反射式微波液位计原理图

微波功率的测量通常可用热电或热阻等元件，再配合相应的测量电路，最后经数据采集和信号处理根据接收到的微波信号功率，显示和输出液位测量结果。 在测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收，因此可能会对测量结果产生较大的影响，对此应该引起足够重视。

2.调频连续波式物位计

图7-16是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。调频式微波物位计