《现代检测技术及仪表》课件第7章 物位检测及仪表

7.1.1物位的定义

物位通指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下定义。（1）液位指设备和容器中液体介质表面的高低。（2）料位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。（3）界位指相界面位置。容器中两种互不相容的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面；液-液、液-固相界面的位置简称界位。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。7.1物位的定义及物位检测仪表的分类7.1.2物位检测仪表的分类（1）直读式物位检测仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。（2）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。（3）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。（4）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位的测量。（5）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。（6）其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式仪表等。7.2常用物位检测仪表

静压式物位检测仪表浮力式物位检测仪表其他物位检测仪表7.2.1静压式物位检测仪表静压式检测方法的测量原理如图7-1所示。将液位的检测转换为静压力的测量。图7-1静压式液位计原理图设容器上部空间的气体压力为选定的零液位处压力为则自零液位至液面的液柱高H

，所产生的静压差可表示为：当被测介质密度不变时，测量差压值ΔP或液位零点位置的压力Pb，即可以得知液位。（7-1）1.压力和差压式液位计对于敞口容器，pa为大气压力，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，也可以在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映相应的液柱静压，如图7-2所示。对于密闭容器，可用差压计测量液位。其设置见图7-3，差压计的正压侧与容器底部相通，负压侧连接容器上部的气空间。由式7-1可求出液位高度。图7-2压力计式液位计示意图图7-3差压式液位计示意图1)

零点迁移问题在使用差压变送器测液位时，一般来说，其压差与液位高度之间有式（7-1）的关系。这就属于一般的零点“无迁移”情况，当H=0时，ΔP=0，作用在正、负压室的压力相等。H=Hmax，ΔP=ΔPmax，测量范围是,量程为。（1）负迁移在实际液位测量时，液位H与压差ΔP的关系不那么简单。如图7-4所示，为防止容器内液体或气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在差压变送器正、负压室与取压点之间安装有隔离灌，并充有隔离液。若被测介质密度为ρ1，隔离液密度为ρ2

,则(7-2)(7-3)(7-4)，有零点迁移，且属于“负迁移。图7-4负迁移测量液位原理图

图7-5差压变送器的正负迁移示意图将式（7-4）与式（7-1）相比较，就知道这时压差减少了-(h2-h1)ρ2g。也就是说，当H=0时，ΔP=-(h2-h1)ρ2g，对比无迁移情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定数值为。假定采用的是DDZ-Ⅲ差压变送器，其输出范围为4-20mA的电流信号，在无迁移时，H=0，ΔP=0，这时变送器的输出I0=4mA；H=Hmax，ΔP=ΔPmax，这时变送器的输出I0=20mA。差压变送器的输出电流I与液位H成线性关系，如图7-5表示了液位H与差压ΔP以及差压ΔP与输出电流ΔI之间的关系。图7-5差压变送器的正负迁移示意图但是有迁移时，根据式（7-4）可知，由于有固定差压的存在，当H=0时，变送器的输入小于0，其输出必定小于4mA；当H=Hmax时，变送器的输入小于ΔPmax=其输出必定小于20mA。为了使仪表的输出能正确反映出液位的数值，也就是使液位的零值和满量程能与变送器输出的上、下限值相对应，必须设法抵消固定压差(h2-h1)ρ2g的作用，使得当H=0时，变送器的输出仍回到4mA，而当H=Hmax时，变送器的输出能为20mA。采用零点迁移的办法就能够达到此目的。即调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差(h2-h1)ρ2g的作用。因为要迁移的量为负值，因此称为负迁移，迁移量为-B。从而实现了差变输出与液位之间的线性关系，见图7-5曲线b所示。此时变送器的测量范围是,量程为图7-6差压变送器的正负迁移示意图（2）正迁移由于工作条件不同，有时会出现正迁移的情况，如图7-6所示。由图可知：

（7-5）

由此可得正、负压室的压差为：

（7-7）（7-6）当H=0时，ΔP=+C，即正压室多了一项附加压力C，这时变送器输出应为4mA。画出此时变送器输出和输入压差之间的关系，就如同图7-5曲线c所示。

此时变送器的测量范围是,量程为2）用法兰取压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，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如图7-6所示。作为敏感元件的测压头1（金属膜盒），经毛细管2与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所图7-6

法兰式液位计示意图1-法兰测压头；2-毛细管；3-变送器组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，并使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。

法兰式差压变送器按其结构形式的不同又分为单法兰式及双法兰式两种。容器与变送器间只需一个法兰将管路接通的称为单法兰差压变送器，而对于上端和大气隔绝的闭口容器，因上部空间与大气压力多半不等，必须采用两个法兰分别将液相和气相压力导致差压变送器，如图7-6所示，这就是双法兰差压变送器。图7-7吹气式液位计2.吹气式液位计吹气式液位计原理如图7-7所示。将一根吹气管插入至被测液体的最低位（液面零位），使吹气管通入一定量的气体（空气或惰性气体），使吹气管中的压力与管口处液柱静压力相等。用压力计测量吹气管上端压力，就可测得液位。由于吹气式液位计将压力检测点移至顶部，其使用维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。用压力计或差压计检测液位时，液位的测量精度取决于测压仪表的精度，以及液体的温度对其密度的影响。7.2.2浮力式物位检测仪表1.浮子式液位计浮子式液位计是一种恒浮力式液位计。作为检测元件的浮子漂浮在液面上，浮子随着液面的变化而上下移动，其所受浮力的大小保持一定，检测浮子所在位置可知液面高低。浮子的形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等，其结构要根据使用条件和使用要求来设计。以图7-8所示的重锤式直读浮子液位计为例。浮子通过滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力相平衡，以维持浮子处于平衡状态而漂在液面上，平衡重锤位置即反映浮子的位置，从而测知液位。若圆柱形浮子的外直径为D、浮子浸入液体的高度为h、液体密度为ρ。则其所受浮力F为：

（7-6）

此浮力与浮子的重量减去绳带向上的拉力相平衡。当液位发生变化时，浮子浸入液体的深度将改变，所受浮力亦变化。浮力变化ΔF与液位变化ΔH的关系可表示为：

（7-7）图7-8浮子重锤液位计1-浮子；2-滑轮；3-平衡重锤由于液体的黏性及传动系统存在摩擦等阻力，液位变化只有达到一定值时浮子才能动作。按式(7-7)，若ΔF等于系统的摩擦力，则式(7-7)给出了液位计的不灵敏区，此时的ΔF为浮子开始移动时的浮力。选择合适的浮子直径及减少摩擦阻力，可以改善液位计的灵敏度。2.浮筒式液位计这是一种变浮力式液位计。作为检测元件的浮筒为圆柱形，部分沉浸于液体中，利用浮筒被液体浸没高度不同引起的浮力变化而检测液位。图7-9为浮筒式液位计的原理示意图。浮筒由弹簧悬挂，下端固定的弹簧受浮筒重力而被压缩，由弹簧的弹性力平衡浮筒图7-9浮筒式液位计1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器的重力。在检测液位的过程中浮筒只有很小的位移。设浮筒质量为m，截面积为A，弹簧的刚度和压缩位移为c和x0，被测液体密度为ρ，浮筒没入液体高度为H，对应于起始液位有以下关系：

（7-8）

当液位变化时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。达到新的力平衡时则有以下关系：

(7-9)由式(7-8)和式(7-9)可求得：

（7-10）上式表明，弹簧的变形与液位变化成比例关系。容器中的液位高度则为：

（7-11）

通过检测弹簧的变形即浮筒的位移，即可求出相应的液位高度。检测弹簧变形有各种转换方法，常用的有差动变压器式、扭力管力平衡式等。图7-9中的位移转换部分就是一种差动变压器方式。在浮筒顶部的连杆上装一铁芯，铁芯随浮筒而上下移动，其位移经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出，从而给出相应的液位指示。7.2.3其他物位检测仪表1.电容式物位计电容式物位计的工作原理基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。这种物位计的检测元件是两个同轴圆筒电极组成的电容器，见图7-10(a)，其电容量为：

（7-12）若将物位变化转换为L或ε1的变化均可引起电容量的变化，从而构成电容式物位计。当圆筒形电极的一部分被物料浸没时，极板间存在的两种介质的介电常数将引起电容量的变化。设原有中间介质的介电常数为ε1，被测物料的介电常数为ε2，电极被浸没深度为H，如图7-10（b）所示，则电容变化为：(a)(b)图7-10电容式物位计的测量原理图

（7-13）则电容量的变化ΔC为：

(7-14)测量电容变化量即可得知物位。电容式物位计可以测量液位、料位和界位，主要由测量电极和测量电路组成。根据被测介质情况，电容测量电极的型式可以有多种。当测量不导电介质的液位时，可用同心套筒电极，如图7-11所示；当测量料位时，由于固体间磨损较大，容易“滞留”，所以一般不用双电极式电极。可以在容器中心设内电极而由金属容器壁作为外电极，构成同心电容器来测量非导电固体料位，如图8-12所示。图7-11非导电液体液位测量1-内电极；2-外电极；3-绝缘套图7-12非导电固体料位测量1-金属棒内电极；2-金属容器外电极

电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。但是不适合于以下情况：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等。2.超声式物位计超声波在气体、液体及固体中传播，具有一定的传播速度。超声波在介质中传播时会被吸收而衰减，在气体中传播的衰减最大，在固体中传播的衰减最小。超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗（声速与介质密度的乘积）差别较大的相界面，几乎为全反射。从发射超声波至收到反射回波的时间间隔与分界面位置有关，利用这一比例关系可以进行物位测量。回波反射式超声波物位计的工作原理，就是利用发射的超声波脉冲将由被测物料的表面反射，测量从发射超声波到接收回波所需的时间，可以求出从探头到分界面的距离，进而测得物位。根据超声波传播介质的不同，超声式物位计可以分为固介式、液介式和气介式。它的组成主要有超声换能器和电子装置，超声换能器由压电材料制成，它完成电能和超声能的可逆转换，超声换能器可以图7-13超声液位检测原理采用接、收分开的双探头方式，也可以只用一个自发自收的单探头。电子装置用于产生电信号激励超声换能器发射超声波，并接收和处理经超声换能器转换的电信号。

图8-13所示为一种液介式超声波物位计的测量原理。置于容器底部的超声波换能器向液面发射短促的超声波脉冲，经时间后，液面处产生的反射回波又被超声波换能器接收。则由超声波换能器到液面的距离H可用下式求出：

（7-15）式中c—超声波在被测介质中的传播速度。只要声速已知，可以精确测量时间t，求得液位。超声波在介质中的传播速度易受介质的温度、成分等变化的影响，是影响物位测量的主要因素，需要进行补偿。通常可在超声换能器附近安装温度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响。还可使用校正器，定期校正声速。超声式物位计的构成型式多样，还可以实现物位的定点测量。这类仪表无机械可动部件，安装维修方便；超声换能器寿命长；可以实现非接触测量，适合于有毒、高黏度及密封容器的物位测量；能实现防爆。由于其对环境的适应性较强，应用广泛。3.核辐射式物位计核辐射式物位计是利用放射源产生的核辐射线（通常为γ射线）穿过一定厚度的被测介质时，射线的投射强度将随介质厚度的增加而呈指数规律衰减的原理来测量物位的。射线强度的变化规律为：

（7-16）

图7-14是辐射式物位计的测量原理示意图，在辐射源射出的射线强度和介质的吸收系数已知的情况下，只要通过射线接收器检测出透过介质以后的射线强度，就可以检测出物位的厚度。核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表，适用于高温、高压、强腐蚀、剧毒等条件苛刻的场合。核射线还能够直接穿透钢板等介质，可用于高温熔图7-14核辐射物位计测量示意图1-射线源；2-接收器融金属的液位测量，使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。但由于射线对人体有害，因此对射线的剂量应严加控制，且须切实加强安全防护措施。

4.物位开关进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，并发出相应的开关量信号。针对不同的被测对象，物位开关有多种型式，可以测量液位、料位、固—液分界面、液—液分界面，以及判断物料的有无等。物位开关的特点是简单、可靠、使用方便，适用范围广。利用全反射原理亦可以制成开关式光纤液位探测器。光纤液位探头由LED光源、光电二极管和多模光纤等组成。一般在光纤探头的顶端装有圆锥体反射器，当探头未接触液面时，光线在圆锥体内发生全反射而返回光电二极管；在探头接触液面后，将有部分光线透入液体内，而使返回光电二极管的光强变弱。因此，当返回光强发生突变时，表明测头已接触液面，从而给出液位信号。图7-15给出光纤液位探测器的几种结构型式。图7-15(a)所示为Y形光纤结构，由Y形光纤和全反射锥体以及光源和光电二极管（a）(b)(c)图7-15光纤液位探测器等组成。图7-15(b)所示为U形结构，在探头端部除去光纤的包层，当探头浸入液体时，液体起到包层的作用，由于包层折射率的变化