化工测量仪表课件(液位)

第二篇物位测量概述第一章浮力式液位计第二章静压式液位计第三章电容式物位计第四章非接触式测量物位计本章小结5/27/20231概述测量的目的1.(计量)正确地测知容器中介质的容量或质量，进行成本核算;2.(监控)对物位高度进行显示报警或联锁控制，保证连续生产和设备安全。物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。液位:

液体介质与气体介质的分界面；界位:

液体—液体或液体—固体的分界面；料位:

固体粉末或颗粒状物质的堆积高度。返回5/27/20232第一章浮力式液位计第一节测量原理第二节恒浮力式液位计第三节

变浮力式液位计返回5/27/20233第一节测量原理应用浮力原理恒浮力法：利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化；变浮力法：利用浮子浮力随液位浸没高度而变化。返回恒浮力原理下一页5/27/20234一、恒浮力法液位测量

Ｗ－Ｆ＝Ｇ（2-1-1）W—浮子重量；F—浮子所受浮力；G—平衡重物的重量。返回浮子的定位能力是指浸没浮子高度的变化量△H所引起的浮力变化量△F=ρgA△H,则得表达式为原理示意下一页上一页5/27/20235二、变浮力法液位测量

C—弹簧刚度；

x—弹簧压缩位移；A—浮筒的截面积；H—浮筒被液体浸没的高度；ρ—被测液体密度；

g—重力加速度。液位升高ΔH，则浮筒上移动Δx，此时返回（2-1-5）上一页5/27/20236第二节恒浮力式液位计浮球式液位计磁翻转式液位计浮子钢带式液位计返回5/27/20237一、浮球式液位计

W—浮球的重力；G—平衡重物的重力；F—浮球所受的浮力；

l1

—转轴到浮球中心垂直距离；

l2

—转轴到重物中心垂直距离。返回下一页1.结构原理5/27/202382.使用（1）连杆与转动轴等部件之间的连接必须牢固。（2）零位一经调好不得随意移动平衡重物。（3）用于温度、粘度较高而压力不高的密闭容器的窄液位测量。P≤4MPa,T≤450℃,ρ≥0.55g/cm3,

H≤1200mm。返回上一页5/27/20239二、磁翻转式液位计返回每个翻板或翻球的翻转直径为10mm。5/27/202310三、浮子钢带式液位计返回在钉轮轴上安装转角传感器或变送器，可实现液位信号的远传。钢带的线位移变为钉轮的角位移，适用于大型储罐。宽液位测量，测量范围为0～20M，F—浮子产生的浮力；W—浮子本身的重量；T—恒力弹簧对浮子的拉力。整个系统平衡时应满足

T=W-F

（2-1-7）5/27/202311第二章静压式液位计

第一节测量原理第二节压力式液位计第三节差压式液位计

返回5/27/202312若容器为敞口容器，PA为大气压，则上式可写为：第一节测量原理根据流体静力学原理可知，A、B两点的压差为

任何一点液体压力等于表面压力加上液体密度与重力加速度及液柱高度的乘积。通过测量P或ΔP来实现液位高度H的测量。返回（2-2-2）（2-2-1）5/27/202313第二节压力式液位计下一页返回一、用测压仪表测量压力表或压力变送器与容器底部相连，由压力值可知液位的高度。只有测压仪表的安装位置与最低液位一致时，式（2-2-2）才成立。否则需对其进行修正。测量粘稠、易结晶或含有颗粒液体的液位时，可采用法兰式压力变送器差压变送器测量5/27/202314第三节差压式液位计返回一、零点迁移问题二、特殊介质液位、料位的测量5/27/202315一、零点迁移问题返回1．无迁移被测介质粘度较小、无腐蚀、无结晶，且气相部分不冷凝，变送器与容器下部取压位置同高度。H=0→Hmax

，ΔP=0→ΔPmax

,变送器输出：I=4～20mA。

设对应液位高度所要求的变送器量程ΔPmax=5000Pa,变送器特性曲线如图2-2-7曲线a所示。迁移示意图下一页安装示意图5/27/2023162．正迁移H=0ΔP=hρg

>0I>4mA；H=Hmax

ΔPmax=Hmaxρg

+hρgI>20mA设变送器量程ΔPmax=5000Pahρg

=2000PaH=0ΔP=2000Pa调零点迁移使I=4mA；H=Hmax

ΔPmax=5000+2000=7000PaI=20mA。返回下一页上一页调整的压差是大于零的附加静压，则称正迁移。安装示意图5/27/2023173．负迁移下一页上一页负压侧与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐H=0ΔP=-hρg<0I<4mA；H=Hmax

ΔPmax=Hmaxρg-hρg变送器输出仍小于20mA。设变送器的量程ΔPmax=5000Pa,hρg

=7000Pa。

H=0ΔP=-7000Pa，调整零点迁移，使输出I=4mA；H=Hmax

ΔPmax=5000-7000=-2000Pa，输出I=20mA。调整的压差是小于零的附加静压，则称负迁移。返回5/27/202318正、负迁移的实质是通过迁移作用改变差压变送器的零点，

H=0,I=

4mA;H=Hmax,I=

20mA，实现输出与液位正常对应关系。如何判断正负迁移、计算迁移量、迁移后的测量范围？1.分别计算正负压室两侧的静压P1、P2,求得压差ΔP=P1-P2，2.令被测液位H=0

即:ΔPH=0=迁移量D

其值为正则是正迁移；为负则是负迁移。3.差压变送器量程:L=Hmaxρg4.迁移后的测量范围：D～L+D

零点迁移仅改变了变送器测量范围的上、下限，而量程大小不变。上一页返回同理上述方法还可用于两种液体的界位测量。安装示意图5/27/202319二、特殊介质液位、料位的测量

1.腐蚀性、易结晶或高粘介质

下一页法兰式差压变送器有单法兰、双法兰、插入式、平法兰等结构形式返回工作原理与差压式完全相同。双法兰差压变送器的迁移量只与取压位置和介质密度有关,与变送器的安装位置无关。5/27/2023202.流态化粉末状、颗粒状固态介质

上一页返回采用吹气法用差压变送器进行测量。反吹管线压降为ΔP，则:P2=P+ΔP因反吹风气量很小，ΔP可忽略不计，

P2≈P为了保证测量精度，必须保证反吹气量恒定，需要P1稳定，并满足P2≤0.528P1反吹风系统5/27/202321迁移示意图返回5/27/202322第三章电容式物位计

第一节电容式物位传感器第二节

电容的检测方法

第三节射频导纳物位计返回5/27/202323第一节电容式物位传感器测量原理测量非导电介质的液位测量导电介质的液位固体料位的测量返回5/27/202324一、测量原理返回一般固定R和r，采用改变ε或L的方式进行。圆筒形电容器：5/27/202325二、测量非导电介质的液位H=0H=H返回非导电液位测量ε0—气体的介电常数；εx

—被测液体的介电常数5/27/202326三、测量导电介质的液位返回H=0，相当于两电容串联R′—外电极的半径；R—绝缘套管的外半径；r—内电极的外半径；ε0—气体的介电常数；ε——绝缘材料的介电常数；εx

—被测液体的介电常数下一页导电液位测量5/27/202327此方法不能适用于粘滞性介质ε——绝缘材料的介电常数。H=H

时，相当于两电容并联：（2-3-5）返回上一页5/27/202328四、固体料位的测量返回非导电固体物料的料位：内电极——不锈钢金属棒，外电极——容器壁。εx

—固体的介电常数；

R—容器壁内径；其它参数相同。若测量导电的固体料位，金属棒内电极加上绝缘套管，测量原理同导电液位测量。同理，电容物位计还可测量导电和非导电液体之间及两种介电常数不同的非导电液体之间的分界面。5/27/202329第二节电容的检测方法电桥法谐振法脉冲宽度调制法返回5/27/202330一、电桥法图a、b平衡条件图c平衡条件返回5/27/202331二、谐振法返回谐振回路:L2、C2和Cx组成。

Cx变化，使谐振回路的阻抗变化，工作点沿着特性曲线的直线区变化，即输出电流I变化。据等效电路可求得电容Cx两端电压C=C2+

Cx，则谐振频率改变C2使输出电流为谐振电流的50-70%,保证输出与被测电容之间的单值线性关系。5/27/202332三、脉冲宽度调制法返回5/27/202333用于导电高粘度介质的物位测量。返回第三节射频导纳物位计将测量传感电极的电容变化变为测量传感电极的复数阻抗变化，从而排除挂料的影响。一、射频导纳的基本原理射频导纳：用高频无线电波测量系统的导纳。物料的横截面积>>挂料层的横截面积，且被测物料具有导电性，则物料的电阻可略。物料当作电容的一个极板，物位以下的电容变化仍可用式（2-3-5）来表达。下一页5/27/202334但挂料层的电阻很大，不能忽略。挂料层可等效为：一条由无穷多个无穷小的电容和电阻组成的传输线。据电化学实验可得结论：若导电挂料足够长，则挂料和电极形成的以电极绝缘层为介质的电容容抗XC挂，与挂料部分所表现出来的电阻R数值上是相等的。即测得的电容为：

Cx=C+C挂C——真实物位的电容；C挂——导电挂料所表现出的电容。由射频导纳原理，导电挂料的电阻R包含了挂料电容，可得C挂，则C=Cx－C挂，得到C可知H。返回上一页5/27/202335二、射频导纳物位计的组成返回5/27/202336第四章非接触式测量物位计

第一节核辐射物位计第二节超声波物位计第三节射频导纳物位计

第四节雷达液位计

返回5/27/202337第一节核辐射物位计测量原理

物位测量方法

返回5/27/202338一、测量原理测量原理图返回放射性同位素能放射出α、β和γ射线，透射某些物质。γ射线受物质吸收较少，穿透能力强。透射强度随通过介质厚度的增加而减弱。射线强度按指数规律衰减，其关系为

I=I0e-μH

μ—介质对射线的吸收系数；

H

—介质层的厚度；

I—穿过介质后的射线强度。当放射源选定，被测介质不变时，则I0与μ都是常数。下一页5/27/202339测量原理图返回上一页5/27/202340二、物位测量方法返回图a定点测量:可实现定点控制。准确性高。图b自动跟踪测量:准确性高，测量范围宽。图c倾斜定点测量：测量范围窄，一般300～500mm。下一页5/27/202341图d放射源多点组合图e接收器多点组合，图f两者并用用于较大范围物位测量，可改善线性关系。返回上一页物位计测量范围：0～3000mm，用于高温、低温、高压容器的高粘度、剧毒、强腐蚀或易燃易爆介质的物位测量。使用时必须采取严格的防范措施。5/27/202342第二节超声波物位计测量原理物位测量方法返回5/27/202343一、测量原理返回

超声波：频率高于可听频率极限(20KHz以上频段)的弹性振动，以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。声波在穿过介质时会被吸收而衰减，气体吸收最强衰减最大，液体次之，固体吸收最少衰减最小。声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射波的强弱决定于两介质的声阻抗，声阻抗差别越大，反射波越强。声阻抗即介质的密度与声速的乘积。根据发射声波至接收反射回波的时间间隔与物位高度间的关系，可进行物位的测量。下一页5/27/202344返回压电式换能器产生超声波是基于某些晶体的压电效应及其可逆性能。在压电晶体上作用外力，在其相对两面会产生异性电荷。用导线将两电极连接，会有电流流过。外力消失，被中和的电荷又会立即分开，形成与原方向相反的电流。若的外力是交变的，则一压一松就可产生交变电场。正压电效应：下一页上一页在晶体两端面电极上加交变电场，沿着晶体厚度方向会产生与交变电压同频率的机械振动，向附近发射声波。逆压电效应：5/27/202345返回上一页设超声探头至物位的垂直距离为H，由发射到接收所经历的时间为t，超声波在介质中传播的速度为V，则存在如下关系若介质V已知，测得时间t即可确定距离H，即得知被测物位高度。测量原理图5/27/202346二、物位测量方法返回根据传声介质不同:分气介式、液介式和固介式；根据探头工作方式:分单探头和双探头方式。相互组合可得不同的测量方法。

（一）基本测量方法利用声速特性采用回声测距的方法.图a液介式测量图b气介式测量：图c固介式测量：图d双探头液介式图e双探头气介式下一页5/27/202347图f双探头固介式超声波→第一根固体→液体

↓接收探头←第二根固体v

—固体中的声速；vH

—液体中的声速；d—两根传声固体的间距。当v、vH已知，d固定，则可根据测得的t求得H

。返回上一页下一页5/27/202348（二）设置校正具方法声波传播速度与介质的密度有关，密度是温度压力的函数,故必须对声速进行校正。1.固定校正具方法(1)液介式校正具若声脉冲在介质中的传播速度为v0

，从校正探头到反射板的往返时间为t0，则测量原理图因为v0=v适当选择时间单位，使t0在数值上等于L0，则t=H

返回上一页（2）气介式双探头固定校正具(图2-4-8所示，略）下一页5/27/2023492.活动校正具方法采用浮臂式倾斜校正具测量可达±1mm精度3.固定距离标志方法每隔一定距离装一个小反射体。声脉冲每遇到小反射体就有一个米标志波反射回来，传到液面时，还有较强的液面波反射。接收信号中鉴别出各个米标志波和液面波脉冲H=h1+h2h1—以米为单位的液位数值；h2—小于1米的零数段。返回上一页5/27/202350第四节雷达液位计返回一、工作原理及组成二、特点及适用范围5/27/202351返回一、工作原理及组成1．工作原理t=2h/c光速c=30000km/s，它不受介质环境的影响，传播速度稳定。当测得延迟时间t则可获得高度h。雷达系统不断地发射线性调频信号，可得到发射信号频率与反射信号频率之间的差频△f，差频正比于延迟时间t，即正比于h。类似超声波气介式的测量方法。测量以光速c传播的超高频电磁波，发射及反射之间的延时t来确定天线与反射面之间的高度（空高h）。下一页5/27/202352返回上一页

2．雷达液位计的组成5/27/202353二、特点及适用范围返回计算电磁波到达液面并反射回接受天线的