《过程检测及仪表》-第3章

3.1物位测量概述3.1.1基本概念在工业生产过程中，常遇到大量的液体物料和固体物料，它们占有一定的体积，堆成一定的高度。把生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位；把料斗、堆场仓库等储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度和表面位置称为料位；两种互不相溶的物质的界面位置称为界位。液位、料位以及界位总称为物位。物位测量的目的有两个：一是通过物位测量来确定容器中的原料、产品或半成品的数量，以保证连续供应生产中各个环节所需的物料或进行经济核算；另一个是通过物位测量，了解物位是否在规定的范围内，以使生产过程能正常进行，保证产品的质量、产量和安全生产。下一页返回3.1物位测量概述3.1.2物位检测仪表的种类物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位、界位来分可分为：(1)测量液位的仪表玻璃管（板）式、称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）、静压式（压力式、差压式）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、放射性式、激光式及微波式等；(2)测量界位的仪表浮力式、差压式、电极式和超声波式等；(3)测量料位的仪表重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射形式等。上一页返回3.2差压式液位检测仪表

差压式液位计是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。差压式液位计有以下几个特点：①检测元件在容器中几乎不占空间，只需在容器壁上开一个或两个孔即可；②检测元件只有一两根导压管，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠；③采用法兰式差压变送器可以解决高黏度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题；④差压式液位计通用性强，可以用来测量液位，也可以用来测量压力和流量。3.2.1基本测量原理差压法液位测量原理如图3.1所示。下一页返回3.2差压式液位检测仪表

上一页下一页返回测得差压：△P=P2-P1=HρgH=△P/ρg式中△P——差压；P0——罐的操作压力；ρ——介质密度；H——液位高度。3.2差压式液位检测仪表

只要确保气相管内无冷凝液，P1＝P0，在密度稳定时测得的差压完全代表了液位的高度H。差压变送器的输出特性曲线如图３．２所示。3.2.2带有正负迁移的差压法液位测量原理带有正负迁移的差压法液位测量适用于气相易于冷凝的场合，如图３．３所示。图中ρ1为气相冷凝液的密度，h1为冷凝液的高度。当气相不断冷凝时，冷凝液会自动从气相口溢出，回流到被测容器而保持高度h1不变。当液位在零位时，变送器负端已经受到h1ρ1犵的压力，这个压力必须加以抵消，这称为负迁移。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪表

负迁移量：

SRt=h1

ρ1g（3-2）带有正负迁移的差压变送器输出特性曲线如图3.4所示。当测量液位的起始点从H0开始，变送器的正端有H0ρg的压力要加以抵消，这称为正迁移。正迁移量：SR0=H0ρg（3-3）这时变送器总迁移量为：SR=SR1-SR0=h1

ρ1g-H0ρg（3-4）

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在有正负迁移的情况下仪表的量程为：△P=H1ρg(3-5)“迁移”只是同时改变了仪表的量程上下限，而不改变量程的大小。当被测介质有腐蚀性、易结晶时，可选用带有耐腐蚀膜片的双法兰式差压变送器，迁移量及仪表的量程的计算仍然可用上面的公式来计算，不过，ρ１为毛细管中所充的硅油的密度，h1为两个法兰中心高度之差。3.2.3静压式液位计的应用１．压力式液位计的应用使用时应注意：①当压力表与取压点和取压点与液位零点不在同一水平位置时，应考虑零点迁移。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪②如果被测介质黏稠或易结晶，为避免导压管阻塞，可采用把测量元件直接装于容器上的法兰式压力变送器，原理如图3.5所示。③如果被测介质具有强腐蚀、高黏度或含有悬浮颗粒等特性时，可采用吹气式液位计测量。测量原理如图3.6所示。在敞口容器中插入一根导管５，压缩空气经过滤器１、减压阀２、节流元件（调节阀）３、转子流量计４，最后由导管的下端逸出。压缩空气P1的压力根据被测液位的范围，由减压阀控制在某一数值上，P２的压力通过调整节流元件保证液体上升到最高点时，仍由微量的气泡从导管的下端逸出。由于节流元件后的压力P１变化不大，当满足P２≤０．５２８P１的条件时，可以达到气源流量恒定不变的要求。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪正确选择吹气量是使用吹气式液位计的关键，通常吹气流量约为２０Ｌ／ｈ，吹气流量可由转子流量计进行显示。当液位上升或下降时，导管下端的压力（又称液封压力）也会升高或降低，致使从导管下端逸出的气量也随之减少或增加。导压管内的压力几乎与导管下端的压力（液封压力）相等，因此，由压力表６显示的压力即可反映出液位的高度H。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪式中PM———压力表６的表压。２．差压液位计的应用使用时应注意：①当差压计与取压点和取压点与液位零点不在同一水平位置时，应对其因位置高度差而引起的固定压力进行修正，即进行零点迁移。②如果被测介质黏稠或易结晶，可采用法兰差压变送器。法兰式差压变送器测量液位如图3.7所示，变送器与设备通过法兰相连，法兰式测量头中的敏感元件金属膜盒，经毛细管５与变送器１的测量室相通，由膜盒、毛细管、测量室组成的封闭系统内充有硅油，通过硅油传递压力，毛细管的直径较小（一般内径为０．７～１．８ｍｍ），在毛细管的外部套有金属蛇皮保护管，具有可挠性，单根毛细管长度一般在５～１１ｍ之间选择，安装也比较方便，且省去引压导管，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪法兰差压变送器分为两大类：单法兰式和双法兰式。不同的结构形式的法兰可使用于不同的场合。选择原则如下：（１）单法兰，用于检测介质黏度大、易结晶、沉淀或聚合引起阻塞的场合。（２）双法兰，被测介质腐蚀性较强、且负压室又无法选用适用的隔离液时，可采氟双法兰式差压变送器。对于强腐蚀性的被测介质，可用氟塑料薄膜粘贴在金属膜表面上防腐。３．差压式液位计的安装利用压力（差压）原理测量液位，实质上是压力或差压的测量。因此，压力式液位计或差压式液位计的安装规则基本上与压力表、差压计的要求相同。压力表的安装前面已作介绍，这里主要介绍液位检测中差压（压力）变送器的安装。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪法兰差压变送器分为两大类：单法兰式和双法兰式。不同的结构形式的法兰可使用于不同的场合。选择原则如下：（１）单法兰，用于检测介质黏度大、易结晶、沉淀或聚合引起阻塞的场合。（２）双法兰，被测介质腐蚀性较强、且负压室又无法选用适用的隔离液时，可采氟双法兰式差压变送器。对于强腐蚀性的被测介质，可用氟塑料薄膜粘贴在金属膜表面上防腐。３．差压式液位计的安装利用压力（差压）原理测量液位，实质上是压力或差压的测量。因此，压力式液位计或差压式液位计的安装规则基本上与压力表、差压计的要求相同。压力表的安装前面已作介绍，这里主要介绍液位检测中差压（压力）变送器的安装。上一页下一页返回3.2差压式液位检测仪（１）差压计引压导管的安装取压口和差压计之间必须由引压导管连接，才能把被测压力正确的传递到差压计的正、负测量室。引压管的安装的要求如下：①引压导管因按最短距离敷设，它的总长度不应超过５０ｍ，但不得小于３ｍ。管线的弯曲处应该是均匀的圆角，拐弯曲率的半径不小于管外径的１０倍。②引压导管的管路应该保持垂直或与水平之间不小于１∶１０的倾斜度，并加装气体、凝液、微粒的收集器和沉淀器等，定期进行排出。③引压导管应既不受外界的影响，又要注意保温、防冻。④对有腐蚀作用的介质，为了防腐，应加装充有中性隔离液的隔离罐；在测量锅炉汽包水位时，则应加装冷凝罐。上一页返回3.3浮力式液位计

浮力式液位计可分为两种：一种是维持浮力不变的，即恒浮力式液位计。它们的感测元件在液体中可以自由浮动，因而液面变化时，感测元件就随液面的变化而产生机械位移，借此就可进行液位测量；另一种为变浮力式液位计，如沉筒式液位计就是一例。它是利用液面变化时，感测元件因浸没在液体中的体积变化而受到不同的浮力来进行液位测量。浮力式液位计，由于结构简单、造价低廉，因而在工业生产中应用也比较广泛。3.3.1浮子式液位计浮子式液位计测量原理图如图３．１０所示。当液位升高时，浮子上浮，钢带靠指示仪表中预紧发条的拉力收入表体，以保持浮子质量、浮力与发条拉力相平衡，指示仪表指示出液位值，变送器发出正比于液位的信号。下一页返回3.3浮力式液位计

按其变送器构造可分为：（１）钢带齿轮机构加电动变送器，可进行就地液位指示及变送４～２０ｍＡ直流信号。（２）钢带齿轮机构、有编码孔的钢带和带有读码装置的变送器，可进行就地液位指示，变送器输出脉冲信号到二次仪表进行指示。浮子（钢带）液位计结构简单，价格便宜。由于浮子随液位的位移要通过钢带经导轮传入变送器，钢带受温度膨胀影响，精度不高，只能做工业测量用。3.3.2浮球式液位计对于温度、黏度较高，而压力不太高的密闭容器内液体的液位测量，一般可采用带杠杆的浮球式液位仪表。浮球式液位计如图3.11所示，这种仪表由于受机械杠杆长度的限制，所以量程通常较小。上一页下一页返回3.3浮力式液位计

浮球式液位计分内浮球式和外浮球式两种，都是一个以转动轴３为支点的力矩平衡系统，浮球１（也称浮子）是金属（—般为不锈钢）空心球。通常，当浮球一半浸没在液面时，通过调整平衡重物４的位置，使系统的力矩平衡，当液位上升时，浮球被浸没的体积增加，所受浮力增大，破坏了原来的力矩平衡状态，平衡重物使杠杆２作顺时针方向转动，浮球位置抬高，直到浮球一半浸没在液面时，重新回到杠杆的力矩平衡为止，浮球停在新的平衡位置上。如果在转动轴的外侧安装指针，便可以由输出的角位移指示液位的高低。内浮式直接将浮球安装在容器内部，适用于直径较大的容器，对于直径较小的容器，可采用外浮式，如图3.11(b)所示，它是在容器外部做一个浮球室，与容器连通，外浮式便于维修，但它不适用于黏稠或易结晶、易凝固的液体。上一页下一页返回3.3浮力式液位计

内浮球式的特点则与此相反。必须指出：浮球式液位计必须用轴、轴套、盘根等结构才能既保持密封，又能将浮球的位移传送出来，因此，摩擦、润滑及介质对浮球的腐蚀等问题均需很好考虑，否则，可能造成很大的测量误差。在安装检修时，必须十分注意所有部件连接是否牢固，以免浮球脱落，造成严重事故。在使用时，如果液体中含有沉淀物或凝结的物质附着在浮球表面时，要重新调整平衡重物的位置，调整好零位。除了在转动轴的外侧安装指针，也可以将这个位移转换成标准信号进行远传，即浮球液位变送器，浮球液位变送器结构如图3.12所示，一般采用４～２０ｍＡ、标准二线制传输方式。它具有结构简单、调试方便、可靠性好、精度高、体积小的特点。常直接安装在各种储槽设备上。特别适用于热重油，如温度≤４５０℃，压力≤４．０ＭＰａ的黏稠脏污介质、沥青、含蜡等油品以及易燃、易爆、有腐蚀性介质的液位连续测量，被广泛用于石油、化工、冶金、医药等工业领域。上一页下一页返回3.3浮力式液位计

3.3.3浮筒式液位计浮筒液式位计是基于变浮力原理工作的，按浮筒装在设备上的位置来分，装在设备内的，即将浮筒直接置入被测容器内部的称内浮筒，装在设备外的称外浮筒，它的外壳通过法兰盘接到被测液体的容器，浮筒式液位计结构如图3.13所示。浮筒５一般是由不锈钢制成的空心长圆柱体，垂直地悬挂在被测介质中，质量大于同体积的液体重量，重心低于几何中心，使浮筒总是保持直立而不受液体高度的影响。它在测量过程中位移极小，也不会漂浮在液面上，故也称沉筒。浮筒悬挂在杠杆４的一端，杠杆的另一端与扭力管３、芯轴２的一端垂直地连接在一起，扭力管的另一端固定在仪表外壳１上。扭力管３是一种密封式的输出轴，它一方面能将被测介质与外部空间隔开；另一方面又能利用扭力管的弹性扭转变形把作用于扭力管一端的力矩变成芯轴的角位移（转动）。浮筒式液位计不用轴套、填料等进行密封，故它能测量最高压容器中的液位。上一页下一页返回3.3浮力式液位计

当液位在零位时，扭力管受到浮筒质量所产生的扭力矩（这时扭力矩最大）作用，当液位上升时，浮筒受到液体的浮力增大，通过杠杆对扭力管产生的力矩减小，扭力管变形减小，在液位最高时，扭角最小（约为２°），通过杠杆，浮筒略有上升，浮力减小，最终达到扭矩平衡。扭力管扭角的变化量（也就是芯轴角位移的变化量），与液位成正比关系，即液位越高，扭角越小。变送器将这转角转换成４～２０ｍＡ直流信号，这个信号正比于被测液位。需要说明的是，浮筒式液位计的输出信号不仅与液位高度有关，还与被测介质的密度有关，因此在密度发生变化时，必须进行密度修正。实际使用时安装如图3.14所示（外浮筒）。沉筒的长度就是可以测量液面的最大范围。沉筒液位计还可用于测量两种重度不同的液体分界面。测量范围在３００～２０００ｍｍ之间。上一页下一页返回3.3浮力式液位计

3.3.4磁翻板式液位计如图3.15所示为磁翻板式液位计。在与设备连通的连通器４内，有一个自由移动的带磁铁的浮子２。连通器一般由不锈钢管制成，连通器外一侧有一个铝制翻板支架３，支架内纵向均匀安装了多个磁翻板１。磁翻板可以是薄片形，也可以是小圆柱形。支架长度和翻板数量随测量范围及精度而定。翻板支架上有液位刻度标尺。每个磁翻板都有水平轴，可以灵活转动，翻板的一面是红色，另一面为白色。每个磁翻板内都镶嵌有小磁铁，磁翻板间小磁铁彼此吸引，使磁翻板总保持垂直，即红色朝外或白色朝外。上一页返回3.3浮力式液位计

当磁浮子在旁边经过时，由于浮子内较强的磁场对磁翻板内小磁铁的吸引，就会迫使磁翻板转向。若从图3.15（ａ）箭头方向看过去，磁浮子以下翻板为红色，磁浮子以上翻板为白色，图中Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三块翻板表示正在翻转的情形。这种液位计须垂直安装，连通器４与被测容器７之间应装连通阀６，以便仪表的维修、调整。磁翻板式液位计结构牢固，工作可靠，显示醒目；利用磁性传动，不需电源，不会产生火花，宜在易燃易爆的场合使用。其缺点是当被测介质黏度较大时，磁浮子与器壁之间易产生粘贴现象，严重时，可能使浮子卡死而造成指示错误并引起事故。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

雷达液位计如图3.16所示，是近些年来推出的一种新型的液位测量仪表，其特点是采用了全固体状的雷达测距技术；整个仪表无移动部件，无任何零件与容器内的介质接触；控制单元采用了数字处理技术；测量准确度高；维护保养的工作量很少。雷达液位计具有耐高温、耐高压的特点，属于非接触的测量方式，使安装使用简易方便，当采用反射波测量液位时，其测量精度几乎不受被测介质温度、压力、相对介电常数及易燃易爆恶劣工况的限制。其较高的可靠性使它成为灌区液位检测的首选仪表。下一页返回3.4雷达液位测量系统

3.4.1工作原理雷达液位计的工作原理是超高频电磁波经天线向被探测容器液面发射电磁波，碰到液面后反射回来，仪表检测出发射波与回波的时差，从而计算出液面高度。（１）典型的脉冲雷达测距原理由振荡器产生的脉冲雷达信号被送往检测系统，检测器同时向液面发出脉冲雷达信号，并接收由液面反射回来的脉冲雷达信号，由此应产生一个时间差。即：上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

式中D———雷达天线至液面距离；C———雷达在介质中的传播速度，C为光速(3×108ｍ/s)；Δt———发射雷达和接收反射回雷达的时间差。但是，根据上述原理，要准确地测出Δt必须制作高分辨率的时间检测器。因此，将脉冲雷达直接用于测距是难以实现的。（２）连续调频法雷达测距连续调频法的工作原理示意图如图3.17(a)所示。雷达液位计主要由微波信号源、发射器、探测器、接收器、混频器及数字信号处理器等组成。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

微波信号源：是一个压控振荡器，产生连续调频信号，其调频信号由数字信号处理器提供；发射器：将调频信号放大后驱动探测器（即天线）工作；探测器即天线：其作用是发射、接收微波，天线分为喇叭形和直线与波导管连接两种形式；接收器：接收由液面反射的微波（也称回波），再转换成电信号，并放大；混频器：将发射的调频信号和接收到调频信号进行混频，得到其差频信号；数字信号处理器：微波信号源调制信号（一般是三角波或锯齿波），将差频信号转换为液位信号，还可提供计算机的通信信号等。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

微波源是工作在５～９．５ＧＨｚ的压控振荡器，它由数字信号处理器提供的三角波控制，三角波的周期为2t，输出连续的调频信号，发射信号的频偏为Δf，如图3.17(b)中的实线所示，经发射器发送到天线，同时给混频器作本振信号，由天线接收到反射信号，如图（ｂ）中的虚线所示，它滞后于发射信号Δt，再经接收器送往混频器，产生差频信号Δfd频率，如图3.17(c)所示，差频信号再送到数字信号处理器处理，最后得到物位的高度。反射信号滞后于发射信号Δt和差频信号Δfd的关系，如图3.18所示，由相似三角形原理可知：上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

即：设天线与地面的距离为d，微波的传播速度为C，则：将式（3-7）代到式（3-8）中，得：可见，当微波的传播速度犆、三角波的周期２犜、发射信号的频偏为Δ确定后，天线与液面的距离与差频信号Δfd成正比。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

3.4.2雷达液位计的构成和特点（１）雷达液位计的构成雷达液位计由一次仪表和二次仪表组成（以ＢＬ－３０为例）。①一次仪表。一次仪表装在设备顶部，由电子部件、波导连接器、安装法兰及喇叭形天线组成。电子部件由振荡器、调制器、混频电路、差频放大器、Ａ／Ｄ转换器及接线端子盒等组成。②二次仪表。二次仪表为盘装型，由Ａ／Ｄ转换、计算单元、显示单元及电源部分组成。一次仪表与二次仪表之间用一根多芯屏蔽专用电缆连接，其作用是向一次仪表供电，并将Ａ／Ｄ转换信号送至二次仪表。（２）雷达液位计的特点雷达液位计具有以下特点：上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

①精度高。该变送器的雷达采用频率调制信号，其抗干扰能力很强，精度也较高，最大测量误差为±２ｍｍ，分辨率为１ｍｍ。②安全可靠。该雷达变送器为阻火防爆型，适用于任何存在爆炸性混合气体的场所使用。工作电压为１１０ＶＡＣ，频率为５０～６０Ｈｚ。③易安装。由于变送器无任何可移动部件和接触介质的零件，因而只需在容器顶部直接固定安装即可。3.4.3雷达液位计的使用（１）安装不可安装于罐顶的中心位置，否则干扰会导致信号丢失。不可安装于料口的上方，建议距离：由罐内壁到安装短管的外壁应大于罐直径的１／６，无论如何，雷达距离罐壁应大于３０ｃｍ，如图３．１９所示，露天安装时建议安装不锈钢保护盖，以防直接的日照或雨淋。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

①信号波束内应避免安装任何装置。②喇叭天线必须伸出接管，否则应使用天线延长管。若天线需要倾斜或垂直于罐壁安装，可使用４５°或９０°的延伸管。③安装后，外壳可旋转３５０°以便于操作显示以及端子接线。④可用的测量范围取决于天线尺寸、介质反射率、安装位置及最终的干扰反射。考虑到腐蚀和黏附的影响，测量范围的终值应距离天线的尖端至少５０ｍｍ。（２）使用①由于雷达液位计发射的微波沿直线传播，在液面处产生反射和折射时微波有效的反射信号强度被衰减，当相对介电常数小到一定值时，会使微波有效信号衰减过大，导致雷达式液位计无法正常工作。为避免上述情况的发生，被测介质的相对介电常数必须大于产品所要求的最小值，否则需要用导波管。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

②雷达液位计发射的微波传播速度犆决定于传播媒介的相对介电常数和磁导率，所以微波的传播速度不受温度变化的影响。但对高温介质进行测量时，需要对雷达液位计的传感器和天线部分采取冷却措施，以便保证传感器在允许的温度范围内正常工作；或使雷达天线的喇叭口与最高液面间留有一定的安全距离，以免高温介质对天线的影响。由于微波的传播速度仅与相对介电常数和磁导率有关，所以雷达液位计可以在真空或受压状态下正常工作。但是当容器内压力高到一定程度时，压力对雷达测量将带来误差。③使用导波管和导波天线，主要为了消除有可能因容器的形状而导致多重回波所产生的干扰影响，或是在测量相对介电常数较小的介质液面时，用来提高反射回波能量，以确保测量准确度。当测量浮顶罐和球罐的液位时，一般要使用导波管，当介质的相对介电常数小于制造厂要求的最小值时，也需要采用导波管。上一页下一页返回3.4雷达液位测量系统

④易挥发性气体和惰性气体对雷达液面计的测量均没有影响。但液体介质的相对介电常数、液体的湍流状态、气泡大小等被测物料特性对微波信号的衰减，应引起足够的重视。当介质的相对介电常数小到一定值时，雷达波的有效反射信号衰减过大，导致液位计无法正常工作，因此被测介质的相对介电常数必须大于产品所要求的最小值。上一页返回3.5电容式物位计

电容式物位计是电学式物位检测计之一，直接把物位变化量转换成电容的变化量，然后再变换成统一的标准电信号，传输给显示仪表进行指示、记录、报警或控制。3.5.1工作原理电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒是电容器原理进行工作的，结构形式如图3.20所示。电容器由两个相互绝缘的同轴圆柱极板，即内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电介质时，两圆筒间的电容量为：下一页返回3.5电容式物位计

式中L———两极板相互遮盖部分的长度；D———圆筒形外电极的内径；d———圆筒形内电极的外径；ε———中间介质的介电常数，ε＝ε0εP，其中ε0＝8.84×10-12Ｆ／ｍ为真空（和干空气的值近似）介电常数，εP为介质的相对介电常数。由式可知，只要ε、L、D、d中任何一个参数发生变化，就会引起电容C的变化。在实际应用中D、d、ε是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低。上一页下一页返回3.5电容式物位计

3.5.2UYB-11A型电容液位计图3.21所示为ＵＹＢ—１１Ａ型电容液位计的外形。这种液位计用来测量导电液体的液位，由不锈钢电极套上聚四氟乙烯绝缘套管构成，这时不锈钢棒作为一个电极，导电液体作为另一个电极，聚四氟乙烯绝缘套管作为中间的填充介质，这三者构成一圆柱形电容器。如图3.22所示。上一页返回3.6超声波物位计声波可以在气体、液体、固体中传播，并有一定的传播速度。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。声波在穿过不同密度的介质分界面处还会产生反射。超声波物位计就是根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度成比例的原理来检测物位。工业生产中应用的超声波物位计可分为气介式、液介式、固介式三种。3.6.1超声波物位计的主要特点（１）超声波物位无可动部分，探头的压电晶片虽振动，但振幅很小，结构简单，寿命长。下一页返回3.6超声波物位计（２）仪表不受湿度、黏度的影响，并与介质的介电系数、电导率、热导率等无关。（３）可测范围广，液体、粉末、块体（固体颗粒）的物位都可测量。（４）检测元件（探头）不接触被测介质，因此，此表适用于强腐蚀性、高黏度、有毒和低温物位和界位测量。（５）此表的缺点是检测元件不能承受高温，声速又受介质的温度、压力的影响，有些被测介质对声波吸收能力很强，故应用有一定的局限性。另外，此表电路复杂，造价较高。上一页下一页返回3.6超声波物位计3.6.2检测原理当声波从一种介质向另一种介质传播时，在密度不同、声速不同的分界面上传播，方向会发生改变，即一部分被反射，一部分折射进入相邻介质内。假设两种介质的密度分别为ρ1、ρ2，声波在两种介质中的传播速度分别为u1、u2，反射波的声强为IR，入射波的声强为IB，则存在以下关系：上一页下一页返回3.6超声波物位计式中α———入射角；ρ1u1和ρ2u2———分别为两种介质的声阻抗。当声波垂直入射时（α＝β＝0），其反射率为：在声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。因此，当置于容器底部的探头向液面发射短促的声脉冲波时（参看图3.23），经过时间狋，探头便可接收到从液面反射回来的回波声脉冲。若设探头到液面的距离为犎，声波在液体中的传播速度为狌，则有以下关系：上一页下一页返回3.6超声波物位计

对于一定的液体来说，速度狌是已知的，因此，只要声速C一定，便可以用测量时间的方法来确定出H的大小。上一页返回3.7光导式液位计光导式液位计在钢带式液位计的基础上运用了光导技术，通过在连接钢带上打孔编码，用光电变送器转换为数字编码信号输出，又称为编码钢带液位计，适用于任何防爆场所。3.7.1基本结构光导式液位计采用钢带式液位计的机械检测部分作为一次仪表，信号传输转换部分有投光光纤、受光光纤和安装于容器下的光机转换器，在控制室装有计算机、光发射器和光接收器等。其结构框图如图3.24所示。编码钢带光导式液位计的结构如图3.25所示，其钢带上标有刻度，并打有按格雷码编码的小孔（有孔表示１，没有孔表示0）。格雷码的特点是相邻的两组编码只有一位取值不同，对光电检测电路的设计及钢带的制作要求不高，抗干扰能力强。下一页返回3.7光导式液位计3.7.2工作原理当容器内液位发生变化时，钢带随浮子上下移动，由于钢带上冲有小孔，光源由控制室发出后经过投光光纤传输到容器下部的光机变换器，穿有“格雷码孔”的钢带处于通光或不通光的状态，因而在受光回路中产生了相应的脉冲信号，完成了机械位移到光信号的转换。在光机变换器中有一反射膜片，受光光纤通过反射膜片将光脉冲信号传输到控制室中的光接收器。在光脉冲的照射下，光敏管产生脉冲电流，完成了从光到电的转换过程，计算机根据发回的脉冲信号对信息进行甄别、纠错，并由软件根据液位的高低对钢带自重进行自动补偿，减小系统的测量误差，最后进行Ｄ／Ａ转换，输出４～２０ｍＡ的电流，从而显示容器内液位的数值。上一页下一页返回3.7光导式液位计3.7.3特点光导式液位计采用红外光电技术及格雷码带，具有抗磁场干扰和雷电干扰的特点，可以不带电进入现场，因而消除了在含有可燃混合气体的区域可能产生电火花的危险性。这种光导技术能量消耗极低，传输距离远，并可节约大量金属导线，无复杂的齿轮传动机构，寿命长，系统运行平稳可靠。上一页返回3.8磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计是一种高精度超长行程绝对位置的测量仪器，采用磁致伸缩原理，不但可以测量各种介质的液位，还可以测量运动物体的直线位移。3.8.1基本结构磁致伸缩液位计结构示意图如图3.26所示，由磁致伸缩液位传感器、显示仪表组成。有的传感器，在保护管外，安装两个磁性浮子，一个漂浮在液面之上；另一个处于两种液体的分界面处，可以同时测量液位和界位。例如在检测储油罐时，选用磁致伸缩液位计，可以同时测量油水界面高度和液位总高度。与单纯测液位的传感器的区别就是信号处理器，需要测量两个浮子传回来的前后两个张力脉冲的时间差。在大致相同或较低的成本下，磁致伸缩液位计比其他液位测量仪表可以提供更高的精度，获得更佳的经济效益。磁致伸缩液位计，除浮子外无其他可动元件，纯电子信号处理，工作比较可靠。此外，磁致伸缩液位计无须定期维修或重新标定，安装成本较低。下一页返回3.8磁致伸缩液位计3.8.2工作原理磁致伸缩液位计采用磁致伸缩原理，其原理图如图3.27所示，其核心元件是外形细长的“磁致伸缩管”。磁致伸缩管是由软磁性材料制成的薄壁毛细管，外径０．７ｍｍ，内径０．５ｍｍ，又称波导管。磁致伸缩管外套一个不导磁的不锈钢保护管，也称测杆（图中未画出），内穿一条用于产生脉冲磁场的铜导线，下部安装信号检测线圈。保护管外可移动的永久磁铁是被测目标。脉冲发生器给铜导线通入１０Ｈｚ左右的脉冲电流，称为电流询问脉冲，在波导管周围产生脉冲磁场，此磁场与磁铁的磁场相互作用，使磁场分布改变，交汇处形成螺旋磁场，对软磁性波导管产生瞬时扭力，导致波导管产生伸缩，使波导管产生张力脉冲波，并以固定的速度（约２８３０ｍ／ｓ）沿波导管向上、下传播。上一页下一页返回3.8磁致伸缩液位计由于波导管在张力脉冲波向上、下传播时，波导管的伸缩会“携带”螺旋磁场的轴向分量沿波导管轴向移动，返回的张力脉冲波磁场会在检测线圈上产生感应电压脉冲，即返回脉冲。返回脉冲信号由检测电路进行处理，通过测量电流询问脉冲与返回脉冲之间的时间差来精确地确定被测液位。而沿电流方向向下传播的张力脉冲波，通过阻尼器衰减掉，以确保在波导管的末端不会产生反射，干扰正常的“返回脉冲”。由于测量两脉冲间的时间间隔可以非常精确，因此可获得高精度（一般分辨率小于１ｍｍ）、低重复性（一般重复性小于或等于满量程的０．００２％）、宽量程（可达３０ｍ）等优良性能。如果将永久磁铁由一浮子携带，即可测量液位。磁致伸缩液位（位移）传感器的不足之处是有较大的盲区，一般上盲区小于或等于８０ｍｍ，下盲区小于或等于１０ｍｍ。上一页下一页返回3.8磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计有以下特点：（１）可同时连续测量液面、界面和多点温度，能测量含泡沫、强腐蚀性和易挥发性的液体。（２）精度高，可达０．０１％ＦＳ，全量程误差不超过１ｍｍ，重复性高达０．０２５ｍｍ。（３）仪表全集成化设计，简单可靠，无须维护，仪表无须重新校准即可投入使用。（４）测量受波导管、保护管限制，最大测量值可达３０ｍ。（５）适应性强，工作温度－４０℃～１５０℃，工作压力小于２ＭＰａ。上一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校

训练目标（１）掌握电动浮筒式液位变送器的结构和工作原理；（２）掌握浮筒式液位计的使用及调校方法。

训练装置（准备）（１）YJ-4可调稳压电源（０～３０Ｖ）一台；（２）UTD系列电动浮筒液位变送器一台；（３）０～２０ｍＡ标准电流表一块；（４）砝码一套，托盘一个；（５）可调电阻箱一台。训练装置接线如图3.28所示。旋开变送器的前盖，按图3.28接线。将稳压电源电压调整为２４Ｖ±０．１Ｖ，电阻箱模拟负载电阻调整为２５０Ω±０．１Ω。下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校

训练原理UTD系列电动浮筒液位变送器结构原理如图3.29所示。当浮筒不受外力作用时，浮筒与应力传感器通过杠杆保持平衡。当浮筒浸入液体中受到一个向上的浮力F1时，通过杠杆的作用，使应力传感器受到一向下的力F2，根据力平衡原理：应力传感器电流与所受力的关系为：上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校由此可知：转换电流I与浮筒所受的浮力F1成线性关系。不管是干校法，还是灌水法，只要保证校验液位下对杠杆的力与实际液位下的力相同即可完成校验。干校法调试步骤（要领）①计算所挂砝码的质量值mH。测界位，零点时，砝码质量满度时，砝码质量测液位，零点时，砝码质量m0=M满度时，砝码质量上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校②零点调试。在杠杆的下端挂上零点值砝码m0，调零点调整螺钉使输出为４ｍＡ。③满度调试。在杠杆的下端挂上满度值砝码mL，调量程调整螺钉使输出为２０ｍＡ。由于量程、零点会互相影响，需要反复调整零点、量程，使零点和量程分别稳定在４ｍＡ和２０ｍＡ。④线性调试。将量程范围内所需挂重的砝码值平均分成四份，按式（１）分别计算出每份砝码值。上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校每个调试点输出电流与挂重砝码对应关系如表3.1所示。有时计算出的砝码质量不是整数，为了校验方便，应取砝码的整数值代入式（２）内，而让输出的电流值为小数。式中mｎ———每个调试点的砝码质量；In———mｎ所对应的电流输出值。水校法调试步骤（要领）①将变送器置于工作状态，将下连通阀关闭。在排污阀引一根透明软管以观察浮筒室的水位。上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校当介质密度小于水的密度时，按下式计算出注水高度。考虑到水的密度ρｗ≈１g／cm3，则可得如下结论：式中ρ1、ρ2———分别为重相、轻相液体的密度（单位g／cm3）；L———浮筒的长度。上一页下一页返回测界位，零点时，注水高度满度时，注水高度测液位，零点时，注水高度满度时，注水高度技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校②零点调试。测液位时，将测量室内的清水排除，调零点处调整螺钉，使输出为４ｍＡ；测界位时，从排污阀向测量室内注入清水至h0处，调零点处调整螺钉，使输出为４ｍＡ。③满度调试。零点调整好后，向测量室内注入清水至h100处，调整量程并调整螺钉，使输出为２０ｍＡ。重新按零点与满度调试步骤反复调整几次，使零点和满度分别稳定在４ｍＡ和２０ｍＡ。④中间各点调试。取量程范围的２５％、５０％、７５％分别做出标记，所对应的输出电流为８ｍＡ、１２ｍＡ、１６ｍＡ。注意：①当介质密度比重大于水，则取量程内的某一点作为上限调试点，调试前首先计算出该点对应的水位高度L（L应接近H，且L≤H）和该点在量程内对应的电流值犐。调试时，调上限旋钮使输出电流为该点在量程内对应的电流值。上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校例：量程７５０ｍｍ，介质比重为１．２；现取水位为６００ｍｍ处为上限调试点，则对应水位高为L＝６００×１．２＝７２０（ｍｍ），该点对应的电流为：按零点调试方法调试零点，满度调整则在水位为７２０ｍｍ处调上限旋钮，使输出为１６．８ｍＡ，反复调整几次使零点和满度分别稳定在４ｍＡ和１６．８ｍＡ。②测界位时，若重介质密度大于水的密度，则取L与0Lm之间的某一点作为满量程调试点，其余调试方法同测液位。水校法无法调试两种介质密度都大于水的情况。上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校③现介绍测界位时的零点迁移方法。ＵＴＤ系列电动浮筒液位变送器在实际测界位使用过程中，浮筒的吊杆和力臂杠杆均浸在轻介质中，因此会产生一定的浮力，这浮力是一个常数，它产生的附加电流也是一个常数，它对调好的量程无任何影响，只是导致零点略高于已调好的零点值（４ｍＡ），这个附加电流值很小，若要求测量精度不高，就无须进行零点迁移，若测量精度较高，须将此附加电流迁移掉。零点迁移方法具体步骤如下：ａ．将测量室内全部充满轻介质，使浮筒上端各部件全部浸在轻介质中，调整下限旋钮，使电流为４ｍＡ即可。ｂ．将重介质充到正好淹没浮筒，浮筒上面充满轻介质，调下限旋钮，使电流输出为２０ｍＡ。上一页下一页返回技能训练３UTD系列电动浮筒液位变送器的调校ｃ．在可以观察到的任一界面上，调整下限旋钮，使输出电流与该点界面对应的电流值相同即可。ｄ．当介质密度大于水时，取量程内的某一点作为上限调试点。调试前首先计算出该点对应的水位高度L（L应接近H，即L≤H）和该点在量程内对应的电流值I。调试时，调量程并调整螺钉使输出电流为该点在量程处内对应的电流值。上一页返回技能训练４CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的调校训练目标（１）掌握ＣＴＳ-ＤＬＱ型射频电容式物位变送器的结构和工作原理；（２）掌握ＣＴＳ-ＤＬＱ型射频电容式物位变送器的使用及调校方法。训练装置（准备）（１）ＹＪ-４稳压电源（０～３０Ｖ）一台；（２）ＣＴＳ-ＤＬＱ型射频电容式物位变送器一台，如图3.30所示；（３）０～２０ｍＡ标准电流表一块。上一页下一页返回技能训练４CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的调校训练原理用电容法可以测量液体、固体块状、颗粒体及粉料的料位。如图3.31所示可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量物位。电容容量变化与料位升降的关系为：式中D、d———分别为容器的内径和电极的外径；ε、ε0———分别为物料和空气的介电系数。电容物位计首先将液位的变化转换为电容容量的变化，再经转换电路转换为４～２０ｍＡ的电流信号输出。上一页下一页返回技能训练４CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的调校训练步骤（要领）（１）端子图和元件分布及其功能如图3.32所示。（２）校验接线图旋开变送器的前盖，按图3.33接线。（３）投运方法本界面变送器必须用水（不能用油水混合物）作物料，进行空仓和满仓两次标定以后才能正常运行，可先标定空仓，再标定满仓，也可先标定满仓，再标定空仓，过程如下：附标定清除法：如果进行了不满意的标定，想清除，可按下“清除＋空仓”键至“空仓标定指示灯”闪亮，清除原空仓标定数据；按下“清除＋满仓”键至“满仓标定指示灯”闪亮，清除原满仓标定数据。上一页下一页返回技能训练４CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的调校（４）检验方法①把物位变送器放桌上，在端子３、４上执接上毫安表，通电预热１０分钟。②按下“清除＋空仓”键至“空仓标定指示灯”闪亮；再按下“清除＋满仓”键至“满仓标定指示灯”闪亮。③按下“空仓键”至“空仓标定指示灯”变长亮。④用手握住探极不放，同时按下“满仓键”至“满仓标定指示灯”变长亮。此时输出电流约为２０ｍＡ。放开握住探极的手，电流约４ｍＡ。说明物位变送器功能正常。⑤按下“清除＋空仓”键至“空仓标定指示灯”闪亮；再按下“清除＋满仓”键至“满仓标定指示灯”闪亮，清除原标