华北理工自动检测技术讲义第5章 物位测量

第5章物位测量5.1概述物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。如液体介质液面的高低称为液位；液体-液体或液体-固体的分界面称为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。液位、界位及料位的测量统称为物位测量。物位测量的目的在于正确地测知容器或设备中储藏物质的容量或质量。它不仅是现代化工业生产过程中生产规模大、反应速度快，常会遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性或粘性较大等多种情况，对于物位的自动检测和控制更是至关重要。液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。为了满足生产过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很多，测量方法也各不相同，本篇将对常用的测量方法及典型的物位计进行介绍。5.1.1直读式液位计直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。5.1.2压力法压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系:式中，ρ——被测液体的密度(kg/m3)。下面图为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。(a)压力表式液位计(b)法兰式液位变送器(c)吹气式液位计对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中需消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图示出差压式液位计测量原理。一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为ρ2，被测液体密度为p1，一般都使ρ1>ρ2，由图得压力平衡方程:则:P1、P2——引入变送器正压室和负压室的压力(Pa)；H——液位高度(m);h1、h2——容器底面和工作液面距变送器高度(m)。这里Z0＝ρ2gh2-ρ1gh1即称为零点迁移量，它与差压计安装情况有关。一般的差压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使Z0＝0，这时差压计的读数直接反映液面高度H。5.1.3电学法电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。1.电阻式液位计电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。图为用于连续测量的电阻式液位计原理图。图中：1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥该液位计的两根电极是由两根材料、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。整个传感器电阻为式中H、h——电阻棒全长及液位高度(m)；ρ——电阻棒的电阻率(Ω*m)；A——电阻棒截面积(m2)。该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。2.电感式液位计电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。图为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。图中：1、3-上下限线圈；2-浮子3.电容式液位计电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器。还能用于连续测量。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。(1)检测原理在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如图所示。同心圆柱式电容器的电容量:式中：D、d——外电极内径和内电极外径(m)；ε——极板间介质介电常数(F/m)；L——极板相互重叠的长度(m)。液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。图中：1-内电极；2-外电极。(2)安装形式在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。图中：1-内电极；2-绝缘套。图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。图中：1、2-内、外电极；3-绝缘套；4-流通孔。以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，由于ε接近ε0，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。5.1.4超声波法超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。图为单探头超声波液位计。其中(a)为气介式，(b)为液介式。(c)为固介式。(a)气介式(b)液介式(c)固介式单探头超声波液位计由图看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为t，则：L是与液位有关的量，故测出便可知液位，的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。超声波液位测量有许多优点：(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度。另外，有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。5.1.5核幅射法不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0之间有如下关系：式中:μ—吸收系数，条件固定时为常数。变形为：因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，射线由盖革计数管吸收，每接收到一个粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中(a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；(b)为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。核辐射式液位计:1-放射源；2-接收器辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。5.1.6微波法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；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。通常微波发射天线倾斜一定的角度向液面发射微波束，波束遇到液面即发生反射，反射微波束被微波接收天线接收，从而测定液位，其原理如图所示。反射式微波液位计原理图微波接收天线接收到的微波功率为：式中H——两天线距料面垂直距离。由于发射功率Pi，波长λ天线增益GiGr都是保持稳定不变的，故上式可简化为：式中:K1——增益常数，决定于微波波长、发射功率及天线的增益；K2——距离常数，决定于天线安装的方法与位置，主要是距离。可见，只要测定了天线接收到的微波功率，液位H就测量了，即: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。也可用专门的微波检波管（如2DV检波二极管）检波成直流电流由微安表直接显示。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通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。调频连续波式微波物位计工作原理如图所示。调频式微波液位计原理示意图固态源频率变化规律为:式中:T——调制波周期；F——调制波频率；f0——固态源初始频率；f2——本振频率；Δf0——固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围；t——时间。回波频率为:式中:f1——回波频率；Δt——微波往返于被测对象之间的延迟时间Δt=2L/C，C为光速，L为被测距离；所以，差频频率Δf为:由上式整理得被测距离L为:从上式可以看出被测距离L与差频频率Δf成正比。当固态源的调制频率F和频偏Δf一定时，只要测出Δf，就可以计算得到L。当固态工作频偏Δf0=300MHz，调制频率F=1kHz,则有：即被测距离L每变化1m时，差频频率为4kHz。采用三角波双重调制可以克服调频式微波物位计的部分固有误差；加上采取其他措施，微波物位计的测量精确度可达±1%。测量范围一般为0.5--20m，最大可达几十米（由固态源发射功率大小决定）以上。5.1.7磁电法利用磁电转换原理进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出的新产品，图为磁致伸缩液位计原理图。磁致伸缩液位计原理图该磁致伸缩液位计由探测杆(内装有磁致伸缩线)，电路单元和浮子组成三部分组成。探测杆上端部的电子部件产生一个低压电流“询问”脉冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场，同时产生一个磁场沿波导线向下传播；探测杆外配有浮子，浮子随着液位变化沿测杆上下移动，由于浮子内有一组磁铁，也产生一个磁场，当电流磁场与浮子磁场两个磁场相遇时，波导线扭曲形成“返回”脉冲，精确测量“询问”脉冲到接受“返回”脉冲的时间，即便可计算得到液位的准确位置。目前国内市场商品化磁致伸缩液位计测量范围大（最大可达20多米），分辨力可达0.5mm，精度等级0.2～1.0级左右，价格相对低廉。是非粘稠、非高温液体液位测量一种较好和较为先进的测量方法。5.1.8光学法激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大为提高.激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。图为反射式液位检测原理图。1-激光发射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器反射式激光液位检测原理图激光发射器发出激光束以一定角度照射到被测液面上，经液面反射到接收器的光敏检测元件上。当液位在正常范围时，上、下液位接收器光敏元件均无接收到激光反射信号；当液面上升或下降到上下限位置，相应位置的光敏检测元件产生信号，进行报警或推动执行机构控制开始加液或停止加液。激光发射器有以红宝石为工作物质的固体激光器，也有氦－氖气体激光器及砷化镓半导体激光器；接收器可用光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电管、光电倍增管等各种光电元件。它们都能将光强信号转化为电信号。5.2料位检测方法由于固体物料的状态特性与液体有些差别，因此料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法，但这些方法在具体实现时又略有差别、本节将介绍一些典型的和常用的料位检测方法。5.2.1重锤探测法重锤探测法原理示意图如图5-20所示。重锤连在与电机相连的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控制下动作，从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置；当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构停转——反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。1-重锤；2-伺服电机；3-鼓轮5.2.2称重法一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的，因此可用称重传感器或测力传感器测算出料位高低。图称重式料位计的原理图。称重式料位计电极接触式料位计1-支承；2-称重传感器1-绝缘套；2、3、4=电极；5-信号器；6-金属容器壁5.2.3电磁法电阻式和电容式物位计同样适用于料位检测，但传感器安装方法与液位测量有些差别。1.电阻式物位计电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制，因此也称作电极接触式物位计。其测量原理示意图如图5-22所示。两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。接触电极式料位计在测量时要求物料是导电介质或本身虽不导电但含有一定水分能微弱导电；另外它不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物料的粘附而产生误信号。2.电容式料位计电容式料位计测量原理示意图如图所示。其应用非常广泛，不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质的物料，如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性等物料。但是由于固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极(也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长L0，它相对于料位为零时的电容变化量CL0为：主电极的电容变化量为Cx，则有:由于L0是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，而介质—因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。5.2.4声学法上一节介绍过利用超声波在两种密度相差较大的介质间传播时发生全反射的特性进行液位测量，这种方法也可用于料位测量。除此以外，还可用声振动法进行料位定点控制。图为音叉式料位信号器原理图，它是由音叉、压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发出信号。这种料位控制器灵敏度高，从密度很小的微小粉体到颗粒体一般都能测量，但不适于测量高粘度和有长纤维的物质。音叉式料位控制器5.2.5光学法光学法是一种比较古老的料位控制方法。一般只用来进行定点控制，工作方式采用遮断式。在储料容器一侧安装激光发射器，另一侧安装接收器，当料位未达到控制位置时接收器能够正常接收到光信号，而当料位上升至控制位置时，光路被遮断，接收器接收的信号迅速减小，电子线路检测到信号变化后转化成报警信号或控制信号。与普通光相比，激光仍具有光的反射、透射、折射、干涉等特性，但它能量集中，光强度大，因此物位控制范围大，目前已达20m。同时激光单色性强，不易受外界光线干扰，能用于强烈阳光及火焰照射条件下，甚至在1500℃的熔融物表面(如熔融玻璃)上亦能正常工作。激光光束散射小，方向性好，定点控制精度高的特点。光学法测量料位最怕在粉料不断升降过程中对透光孔和接收器光敏元件的粘附和堵塞,因此光学法不宜用于粘性大的物料，对此必需认真对待。5.2.6微波法遮断式微波料位计控制器原理框图图为定点式微波料位计原理示意图。图中的振荡器为一高频振荡器，可用速调管、磁控管或微波固体元件构成。