华北理工自动检测技术课件第5章 物位测量

第5章物位测量本章介绍了物位的基本概念，以及物位测量的特点，详细分析了一些典型物位计的工作原理，介绍了它们的优缺点、应用场合及使用的注意事项。返总目录实例返总目录教学目录：概述直读式液位计浮力式液位计静压式液位计电容式物位计超声波式物位计核辐射式物位计5.15.25.35.45.55.65.7返总目录5.1概述5.1.1物位测量的一般概念5.1.2物位测量的工艺特点和主要问题重点：物位测量的基本概念。重点：液位测量的工艺特点。难点：料位测量的工艺特点。5.1.3物位测量仪表的分类返本章目录5.1.1物位测量的一般概念

物位:储物在容器中的积存高度。即液位、料位和界位的位置统称为物位。对物位进行测量、报警和自动调节的仪表叫做物位测量仪表。其中，测量液位的仪表叫液位计；测量料位的仪表叫料位计；测量界位的仪表叫界位计。返本节目录返本章目录5.1.2物位测量的工艺特点和主要问题1.液位测量的工艺特点

液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象。大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大，或含有大量杂质、悬浮物等。返本节目录返本章目录2.料位测量的工艺特点物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因此料面是不平的,难以确定料位高度。物料进出时，又存在着滞留区（由于容器结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区），影响到物位最低位置的测准。储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响对物料储量的计算，而后者则在振动或压力、湿度变化时物位也随之变化。3.界位测量中最常见的问题是界面位置不明显，浑浊段的存在也影响测准。5.1.2物位测量的工艺特点和主要问题返本节目录返本章目录5.1.3物位测量仪表的分类物位测量仪表的种类很多，而且还在不断发展。按其工作原理可归纳为以下几种：

直读式物位测量仪表、浮力式物位测量仪表、

静压式物位测量仪表、电磁式物位测量仪表、

电容式物位测量仪表、超声波式物位测量仪表

核辐射式物位测量仪表等。此外，还有声学式、称重式、重锤式、旋翼式等。

返本节目录返本章目录5.2直读式液位计直读式液位计是一种简单而常用的液位测量仪表。其中最简单的就是直接用直尺插入介质中来测量液位，另外就是用玻璃液位计进行测量。重点：玻璃液位计的原理、结构、特点。难点：玻璃液位计的分类，以及使用注意事项。返本章目录5.2直读式液位计玻璃液位计的工作原理：按照连通器液柱静压平衡的原理工作的。优点：结构简单、价格便宜，一般用在温度及压力不太高的场合就地指示液位的高低。

缺点：不能测量深色或粘稠的介质的液位，另外玻璃易碎，且信号不能远传和自动记录。玻璃液位计按照结构可以分为玻璃管式和玻璃板式液位计两种。返本章目录当用玻璃液位计进行精确测量时应注意：应使容器和仪器中的介质具有相同的温度，以免因密度不同而引起示值误差。玻璃液位计管径不宜太小，以免因毛细现象而引起示值误差。应尽量减小连通管上的流动阻力，以减小液位快速变化时产生的动态误差。为了改善仪表的动态性能，也不能把连通管上的阀门省掉。当玻璃管或玻璃板一旦发生损坏时，可利用连通管上的阀门进行切断，以免事故扩大。5.2直读式液位计返本章目录5.3浮力式液位计

工作原理：基于液体浮力原理而工作的。浮力式液位计分为浮子式和浮筒式液位计两种。优点：不容易受到外界环境的影响；浮子或浮筒直接受浮力推动，比较直观、可靠，结构简单、维修方便等。

缺点：由于具有可动部件，故容易受摩擦而影响它的灵敏度和增大误差，而且可动部件易被污垢、锈蚀卡死而影响可靠性。另外，由于浮筒或浮子要垂直或横伸于容器中，故所占空间较大。返本章目录5.3.1浮子式液位计重点：各种浮子式液位计的特点、原理、结构和使用。难点：各种浮子式液位计的使用。5.3浮力式液位计5.3.2浮筒式液位计重点：各种浮筒式液位计的特点、原理和结构。难点：浮筒式液位计的校验。返本章目录5.3.1浮子式液位计浮子式液位计的特点：它的浮子由于受到液体浮力作用而漂浮于液面上，并随液位的变化而升降，即浮子的位移正确地跟随液位而变化。浮子式液位计中的浮子始终漂浮在液面上，其所受浮力为恒定值。

返本节目录返本章目录1.钢丝绳（或钢带）式浮子液位计5.3.1浮子式液位计W－F＝G返本节目录返本章目录5.3.1浮子式液位计杠杆浮球式液位计分为内浮式和外浮式。使用时若有沉淀物或凝结物附在浮球上，要重新调整平衡锤的位置，校正零位。这类仪表变化灵活，容易适应介质的温度、压力、粘度等条件。但受机械杠杆长度的限制，测量范围较小。2.杠杆浮球式液位计返本节目录返本章目录5.3.1浮子式液位计翻板由极薄的导磁金属制成，每片宽10mm，垂直排列，并各自能绕框架上的小轴旋转。翻板的一面涂有红漆，另一面涂银灰漆。3.翻板式液位计返本节目录返本章目录5.3.1浮子式液位计翻板式液位计工作原理动画演示返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计浮筒式液位计的检测元件是浸没于液体中的浮筒。浮筒所受浮力随位移发生变化。此浮力变化再以力或位移变化的形式，带动电动或气动元件发出信号给显示仪表以显示液位，也可以实现液位的报警或调节。这种液位计主要由变送器和显示仪表两部分组成。浮筒的长度就是仪表的量程，一般为300～2000mm。返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计1.带有差动变压器的浮筒式液位计

Cx＝W－AρgH返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计2.扭力管式浮筒液位计

原理：将浮筒所受浮力的变化转换成机械角位移。返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计

3.浮筒式液位计的校验

（1）挂重法（又称干法）挂重法校验浮筒式液位计，是将浮筒取下后，加上与各校验点对应的某一砝码重力来校验的。该重力为浮筒重力（包括挂链重力）与液面在该校验点时浮筒所受浮力之差。返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计例5-1设一浮筒式液位计中浮筒的重力G1＝14.41N，挂链重力G2＝0.46N，浮筒的外径D＝13mm，浮筒的长度L＝4600mm，液相介质的密度ρ1=0.85g/cm3，气相介质的密度ρ2=0.00165g/cm3，用挂重法校验时所用托盘重力G3＝2.59N，现求：当校验点为全量程的0%、50%、100%时，应分别加多重的砝码？解：当液位为50%时，浮筒所受浮力F50为所以，应加砝码重力为W50＝G1＋G2－G3－F50＝14.41＋0.46－2.54－2.59＝9.74N返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计（2）水校法（又称湿法）这是现场常用的方法。当被测介质是水时，可直接用水校验，若不是水，也可通过换算用水代校。浮筒的指示重力（即浮筒重力与所受浮力的差值）相同，指示值相同。用水代校时浮筒应被水浸没的相应长度为在校验满量程时，浮筒应被水浸没的长度为返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计例5-2已知浮筒的长度为300mm，水的密度为1.0g/cm3，被测液体的密度为0.82g/cm3，如何用水校法进行校验？解：用水代校时，浮筒应被水浸没的最大长度为校验时再将246分为五等分，调整液位计使相应输出为全量程的20%、40%、60%、80%、100%即可。应用浮筒液位计测量两种液体的界位时，用水代校的方法与上述基本相同。返本节目录返本章目录5.3.2浮筒式液位计

适用范围：

适用于测量范围在200mm以内，密度在0.5～1.5g/cm3的液体液面连续测量测量范围在1200mm以内，密度差为0.1～0.5g/cm3的液体界面的连续测量。

真空对象、易汽化的液体宜选用浮筒式仪表。返本节目录返本章目录5.4静压式液位计

静压式液位计：通过测静压力或静压差来测量液位的仪表。静压式液位计的工作原理：容器中盛有液体或固体物料时，物体对容器的底部或侧壁会产生一定的静压力。当液体的密度均匀，或固体颗粒及物料的密度与疏密程度均匀时，此静压力与物料的物位高度成正比。测出这个静压力的变化就可知道物位的变化。在测量液面上部空间气相压力有波动的密闭容器的液位时，则采用测量差压的方法。返本章目录5.4静压式液位计静压式液位计是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的。如图所示，根据流体静力学原理可得A、B两点之间的压力差为Δp＝pB－pA＝ρgH

返本章目录5.4静压式液位计5.4.1压力计式液位计5.4.2差压式液位计5.4.3法兰式压力变送器的应用5.4.4静压式液位计的零点迁移5.4.5静压式液位计的特点及选型重点：各种静压式压力计的原理、特点、应用。难点：零点迁移。返本章目录5.4.1压力计式液位计压力计式液位计是根据测压仪表测量液位的原理制成的，用来测量敞口容器中的液位高度。测压仪表通过取压导管与容器底部相连，当液体密度ρ为常数，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。返本节目录返本章目录5.4.1压力计式液位计压力计式液位计的特点：

优点：比较简单，而且测量范围不受限制，信号可以远传。

缺点：精度受到压力表精度的限制，而且只适用于敞口容器的测量，当液体密度发生变化时，会引入一定的误差。如果被测介质具有腐蚀性，应在仪表与被测液体之间加装隔离罐。但是应注意隔离液与被测液体之间不能发生互溶现象。注意：当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高度差引起的固定压力进行修正。返本节目录返本章目录5.4.2差压式液位计用压力式液位计测量密闭容器的液位时，压力表的示值包含了液面上部的气相压力，而此压力不一定是定值，所以用这种液位计测量液位时会引起较大的误差。为消除气相压力的影响，需采用差压式液位计。返本节目录返本章目录5.4.3法兰式压力变送器的应用法兰式差压变送器的法兰直接与容器上的法兰相连接，作为敏感元件的测量头（金属膜盒）经毛细管与变送器的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的密闭系统内充有硅油，作为传压介质，毛细管外套以金属蛇皮管保护，法兰测头的结构形式分为平法兰和插入式法兰两种。返本节目录返本章目录法兰式差压变送器适宜于测量腐蚀性、结晶性、粘稠性和含有悬浮物的液体的液位和界位测量。法兰式差压变送器缺点：比普通的差压变送器贵，而且有的毛细管内的充灌液很容易渗漏掉。反应比普通的差压变送器迟缓，特别是天冷的时候，仪表的灵敏度更低。法兰式液位计的测量范围还受毛细管长度的限制。因此，使用哪一种液位计进行测量，要视具体的情况而定。5.4.3法兰式压力变送器的应用返本节目录返本章目录5.4.4静压式液位计的零点迁移

无论是压力检测法还是差压检测法都要求取压口（零液位）与压力（差压）检测仪表的入口在同一水平高度上，否则就会产生附加静压误差。

1.无迁移两个不同形式的液位测量系统中，将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，作为测量仪表的差压变送器的输入差压Δp和液位H之间的关系都可以用Δp＝pB－pA＝ρgH表示。

当H＝0时，差压变送器的输入Δp=0，差压变送器的输出也为0（下限值），相应地显示仪表指示为0，这时不存在零点迁移问题。返本节目录返本章目录5.4.4静压式液位计的零点迁移无迁移液位测量系统1－容器2－变送器3－液位零面返本节目录返本章目录5.4.4静压式液位计的零点迁移

2.正迁移差压变送器在液位基准面下方h处，这时，作用在差压变送器正、负压室的压力分别为

p1＝ρg(H+h)+p0

p2＝p0差压变送器的差压输入为Δp＝p1－p2＝ρg(H+h)H=0时，Δp=ρgh>0

返本节目录返本章目录

3.负迁移如图所示的液位测量系统，气相导压管中充满的不是气体而是冷凝水（其密度与容器中的水的密度近似相等）。这时，差压变送器差压输入为5.4.4静压式液位计的零点迁移返本节目录返本章目录

负迁移示意图则第二节差压式液位计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。

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3.负迁移如图所示的液位测量系统，气相导压管中充满的不是气体而是冷凝水（其密度与容器中的水的密度近似相等）。这时，差压变送器差压输入为5.4.4静压式液位计的零点迁移Δp＝p1－p2＝ρg(H－H0)H=0时，

Δp=－ρg

H0<0返本节目录返本章目录迁移

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。5.4.5静压式液位计的特点及选型1.静压式液位计的特点差压式仪表的性能稳定、精度高，是应用最广泛的一种仪表。利用差压式液位计测量液位具有如下特点：检测元件不占容器空间，而只需在容器侧壁上开两个引压孔。检测元件无可动部件，安装方便，使用可靠。采用法兰式结构还可以解决黏度大、易结晶、有悬浮物的介质液位的测量。在冬季使用时，须采用保温措施，以防止隔离罐、导压管及仪表内的液体冻结，影响正常的测量。返本节目录返本章目录5.4.5静压式液位计的特点及选型2.静压式液位计的选型腐蚀性、结晶性、粘稠性、易汽化和含悬浮物的液体，宜选用平法兰式差压式液位计。高结晶、高粘性、结胶性和沉淀性液体，宜选用插入式法兰差压式液位计。对于在环境温度下，气相可能冷凝，液相可能汽化，或气相有液体分离的对象，在使用普通差压式液位计进行测量时，应视具体情况分别设置隔离器、分离器、汽化器、平衡容器等部件，或对测量管线保温、伴热。用差压式液位计测量锅炉汽包液面时，所采用的双室平衡容器应为温度补偿型的。返本节目录返本章目录5.5电容式物位计电容物位计：将物位的变化转换成电容量的变化来进行物位测量的仪表。

组成：传感器、电容检测两大部分。电容式物位计适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。返本章目录5.5电容式物位计5.5.1导电介质用电容式物位计5.5.2非导电介质用电容式物位计重点：不同介质用电容式物位计的原理、特点与使用。难点：导电介质用、非导电介质用电容式物位计的比较。5.5.4油箱油量检测系统5.5.3固体物料用电容式物位计返本章目录5.5.1导电介质用电容式物位计D与d的值越接近，则仪表的灵敏度越高。

返本节目录返本章目录在测量黏性导电介质时，由于介质沾染电极相当于增加了液位的高度（因为介质是作为电容的一个极板）。这个增加高度ΔH是一个虚假液位，它大大影响了仪表的精度，甚至使仪表不能工作。为了消除虚假液位的影响，通常采用如下方法：采用与被测介质亲和力小的材料做电极套管，以减小液体的沾染。较常用的材料有聚四氟乙烯或聚四氟丙稀套管。采用隔离型电极。5.5.1导电介质用电容式物位计返本节目录返本章目录5.5.2非导电介质用电容式物位计若被测介质是粘性非导电液体，其测量结果也会受到虚假液位的影响，但一般很小，可以忽略。返本节目录返本章目录5.5.3固体物料用电容式物位计因为固体摩擦较大，容易“滞留”，所以一般不用双层式电极。对于非导电固体料位，可采用以电极棒和容器壁为两电极、以被测物料作为电介质的电容器来测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为

对于像钢筋水泥料仓的料位测量，用钢丝绳及仓库钢筋作为容器的两极，以测量非导电物料的料位。钢丝绳对地及钢筋用绝缘材料加以绝缘。返本节目录返本章目录5.5.3固体物料用电容式物位计返本节目录返本章目录5.5.3固体物料用电容式物位计电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：电极必须垂直安装，安装前要校直。注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。当被测介质改变后，需重新调整仪表。当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。返本节目录返本章目录5.5.4油箱油量检测系统其主要组成部分是电容式液位传感器、电桥、放大器、两相电机、减速机构和显示装置等。

返本节目录返本章目录5.6导电式液位计重点：导电式液位计、太阳能热水器水位报警器的工作原理。难点：导电式液位计的工作原理。返本章目录5.6超声波式物位计5.6.1超声波的特性5.6.2超声波物位计的特点及其分类重点：超声波物位计的原理、特点及其应用。难点：声速校正方法5.6.3声速校正的方法返本章目录5.6.1超声波的特性1.超声波的分类纵波：横波：表面波：2.超声波的传播速度超声波可以在气体、液体及固体中传播，传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，而且还与介质所处的状态有关。3.声波的反射与折射返本节目录返本章目录5.6.2超声波物位计的特点及其分类超声波物位计的优点：可以定点和连续测量，能很方便地提供遥测或遥控所需要的信号；测量装置不需要防护；超声波测量技术可选用气体、液体或固体作为传声媒质，有较大的适应性；没有可动部件，安装维护较方便；超声波不受光线、粘度的影响等；超声波物位计可以做到非接触测量，可测范围广；超声波换能器寿命长。超声波物位计的缺点：换能器本身不能承受高温；声速受到介质的温度、压力等影响；电路复杂、造价较高；超声波物位计不能测量有气泡和悬浮物的液位，被测液面有很大波浪时，在测量上会引起超声波反射混乱，产生测量误差。返本节目录返本章目录5.6.2超声波物位计的特点及其分类

1.定点式超声波物位计常用的定点式超声波物位计有声阻尼式、液介穿透式和气介穿透式三种。

（1）声阻尼式液位计

工作原理：利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著差别这一特性来判断测量对象是液体还是气体，从而测定是否到达检测换能器的安装高度。返本节目录返本章目录

工作原理：利用超声换能器在液体中和气体中发射系数的显著差别来判断被测液面是否到达换能器的安装高度。优点：结构简单，不受被测介质物理性质的影响，工作安全可靠。5.6.2超声波物位计的特点及其分类（2）液体介质穿透式超声波液位计返本节目录返本章目录

（3）气体介质穿透式超声波物位计

将两换能器相对安装在预定高度的一直线上，使其声路保持畅通。当被测物位升高遮断声路时，接收换能器收不到超声波，控制器内继电器动作，发出相应的控制信号。由于超声波在空气中传播，故频率选择得较低（20kHz～40kHz）。

适用场合：粉状、颗粒状、块状或其他固体料位的发讯和报警。

优点：结构简单、安全可靠、不受被测介质物理性质的影响，适用范围广。5.6.2超声波物位计的特点及其分类返本节目录返本章目录

2.连续式超声波物位计

（1）液体介质超声波液位计

（2）气体介质超声波物位计

5.6.2超声波物位计的特点及其分类原理：以被测介质上方的气体为导声介质，利用回声测距测量物位。原理与液介式超声波物位计相似。返本节目录返本章目录

（3）超声波界位计

工作原理：利用超声波反射时间差法可以检测液液相界面位置。两种不同的液体A、B的相界面在h处，液面高度已知为h1，超声波在A、B两种液体中的传播速度分别为v1和v2。超声波换能器安装在容器的底部。5.6.2超声波物位计的特点及其分类返本节目录返本章目录5.6.3声速校正的方法

只要知道超声波在媒质中的传播速度，便可以根据传播时间来确定液位。但是声速还与媒质中的成分、温度和压力等因素有关。一般用设置校正具的方法对声速进行校正。校正具是在传声媒质中相隔固定距离安装一个超声探头（校正探头）和反射板组成的测量装置。返本节目录返本章目录若在测量时，声速沿高度方向是不同的，如沿高度方向被测介质密度分布不均匀或有温度梯度时，可采用浮壁式声速校正具。

超声波物位测量的测量范围可从毫米数量级到几十米以上。测量精度在不加校正具时为1%，加校正具后精度为0.1%。5.6.3声速校正的方法返本节目录返本章目录5.7核辐射式物位计5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点5.7.2利用核辐射式物位计测量物位的方法重点：核辐射式物位计原理、种类、使用。难点：核辐射式物位计使用。5.7.3核辐射式物位计的使用与防护返本章目录5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点

核辐射：放射性同位素的原子核在核衰变中放出各种带有一定能量的粒子或射线的现象。

核辐射放射出的射线有α、β、γ三种射线。其中，α射线由带正电的α粒子组成，β射线由带负电的β粒子组成，γ射线由中性的光子所组成。γ射线与α射线和β射线相比受物质的吸收较小，能穿过几十厘米厚的钢板或其他固体物质，所以γ射线在物位检测中的应用较多。

返本节目录返本章目录5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点只要能测知穿过介质后的射线强度I，那么介质的厚度即物位的高度H就可求出。

不同的介质吸收射线的能力是不同的，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。当射线穿过物质时，会被物质的原子散射和吸收而损失掉一部分能量。射线在穿过物质层后，其能量强度随物质层的厚度呈指数规律衰减，可表示为返本节目录返本章目录

核辐射物位计组成：放射源、接收器和显示仪表。核辐射物位计原理框图5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点返本节目录返本章目录γ射线物位计具有如下重要特点：可以从容器、罐等密闭装置的外部以非接触的方式进行测量。不受温度、湿度、压力、粘