测量仪表基础知识

王烽测量仪表基础知识流量测量仪表压力测量仪表温度测量仪表物位测量仪表流量测量仪表流量就是单位时间内流经某一截面的流体流量。流量可用体积流量或者质量流量来表示，其单位分别用m3/h、和kg/h等。流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值。旋转活塞流量计

流量检测方法概述工业上常用的流量仪表可分为两大类。一类是速度式流量计，以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如压差式流量计、电磁流量计、涡街流量计等；另一类是容积式流量计，它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量的依据。如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等。椭圆齿轮流量计工作原理：如图A、B为带有半月形容器的互相啮合的齿轮，当流体介质流到流量计时，会产生前后压差P1、P2，此时容器A充满介质，而容器B则排出液体；在下一周期，容器B充满介质，而容器A则排出液体。这样，通过测量A、B的旋转频率即可求得液体的体积流量。特点：适用于洁净的、黏度较高的液体，并要求较准确计量的场合。腰轮流量计腰轮流量计的测量原理和椭圆齿轮流量计相同，只是轮子的形状略有不同。双齿轮流量计差压式流量计差压式流量计是一种由节流装置与差压变送器配套测量流体流量的流量计。常用的节流装置有孔板、喷嘴、文丘里管。差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压变送器所组成。差压式流量计常用节流装置的优缺点：具有结构简单、便于加工、工作可靠、使用寿命长等优点。但缺点也很明显，测量精度低、压损大等。流量值和压差都相等时，喷嘴比孔板的截面比小，在这种情况下，喷嘴测量精度较高，直管段长度也短。在加工制造和安装方面，以孔板为最简单，喷嘴次之，文丘里管最复杂，其成本也与此相同。节流现象以孔板为例，介绍流量的测量原理。节流装置包括节流件和取压装置。流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。标准节流装置有：孔板、喷嘴、文丘里三种。孔板装置及压力、流速分布图节流基本方程式流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。可以看出，流量与压力差ΔP的平方根成正比。

标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压变送器，由差压变送器检测压差值以便显示出流量的数值。安装示意图图中：1—节流装置；2—引压导管；3—差压变送器；4—贮液罐；5—排放阀测量气体流量时的连接图转子流量计转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计，是以流体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。由一段向上扩大的圆锥管和密度大于被测介质密度、且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成。当流体自下而上地流经一个上宽下窄的锥形管时，垂直放置的转子（浮子）因受到自下而上的流体作用力而移动。当此作用力与浮子的重力相平衡时，浮子即静止在某个高度。浮子静止的高度可反映流量的大小。以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。转子流量计的工作原理图涡轮流量计涡轮流量计是以动量守恒原理为基础的。在管道中安装一个可以绕轴旋转的叶轮或涡轮，当流体冲击叶轮或涡轮时产生动力，相对于轴心形成动力距。旋转角速度随着动力距的变化而变化，即流量随着动力距的变化而变化。涡轮流量计是典型的速度式流量计。1.高精确度，一般可达±1%R、±0.5%R，高精度型可达±0.2%R；2.重复性好，短期重复性可达0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得到极高的精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计；3.适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强；4.可获得很高的频率信号（3-4kHz），信号分辨力强；5.范围度宽，中大口径可达1:20，小口径为1:10；6.结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大；7.适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表；8.专用型传感器类型多，可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器，例如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等；9.可制成插入型，适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便。漩涡流量计涡街旋涡流量计通常称它为旋涡流量计，又称卡门旋涡流量计，它是利用流体自然振荡的原理制成的一种旋涡分离型流量计。当流体以足够大的流速渡过垂直于流体流向的物体时，若该物体的几何尺寸适当，则在物体的后面，沿两条平行直线上产生整齐排列，转向相反的涡列。涡列的个数，即涡街频率，和流体的流速成正比。因而通过测量旋涡频率，就可知道流体的流速，从而测出流体的流量。主要分两种：一是使流体产生自然振动的旋涡流量计；另一种是使流体产生强制振动的旋进式旋涡流量计。漩涡流量计1.旋涡发生体用铝合金制成，具有一定角度的螺旋叶片，它固定在壳体收缩段前部，强迫流体产生强烈的漩涡流。⒉壳体本身带有法兰，并有一定形状的流体通道，根据不同的工作压力，壳体材料可采用铸铝合金或不锈钢。

⒊智能流量计积算仪

由温度、压力检测模拟通道、流量检测数字通道以及微处理单元、液晶驱动电路和其它辅助电路组成，并配有外输信号接口。

4.温度传感器以Pt100铂电阻为温度敏感元件，在一定温度范围内，其电阻值与温度成对应关系。漩涡流量计5.压力传感器以压阻式扩散硅桥路为敏感元件，其桥臂电阻在外界压力作用下会发生预期变化，因此在一定激励电流作用下，其两个输出端的电位差与外界压力成正比。6.压电晶体传感器安装在靠近壳体扩张段的喉部，可检测出漩涡进动的频率信号。⒎消旋器固定在壳体出口段，其作用是消除旋涡流，以减小对下游仪表性能的影响。漩涡流量计涡街视频靶式流量计靶式流量计在管道中心垂直于流体流动的方向上安装一个圆形的靶，流体经过时由于受阻必然要冲击圆盘形的靶，靶上所受的作用力与流体流速流量之间存在一定的关系。通过力矩转换的方式测出靶上受到的作用力，便可以求出流体流量。数字靶式流量计即通过这个原理将作用力转换为电流信号进行显示记录或控制。靶式流量计特点：

耐高温高压，大口径管道，性能可靠

智能化结构设计，具有参数设定标校及故障提示功能

六位液晶显示，可显示瞬时流量，累积流量

具有上下限报警以及脉冲输出功能

指示表头可以轴向360°旋转

具有温度补偿和软件修正功能

质量流量计在工业生产过程中，有时需要测量流体的质量流量，如化学反应的物料平衡、热量平衡、配料等，都需要测量流体的质量流量。质量流量是指在单位时间内，流经封闭管道截面处流体的质量。用来测量质量流量的仪表统称为质量流量计。质量流量计

科氏力质量流量计是目前应用较多，发展较快的一种直接式质量流量计，是美国Micromotion公司首先开发出来的，所以也称Micromotion流量计。科氏力质量流量计的整个测量系统，一般由传感器、变送器及数字式指示累积器等三部分组成。传感器是根据科里奥利(coiohs)效应制成的，由传感器、电磁驱动器和电磁检测器三部分组成。质量流量计传感管的结构种类很多，有的是两根U形管，有的是两根Ω形管，有的是两根直管等等。电磁驱动器使传感器(如U形传感器)以其固有频率振动，而流量的导入使U形传感管在科氏力的作用下产生一种扭曲，在它的左右两侧产生一个相位差，根据科里奥利效应，该相位差与质量流量成正比。质量流量计电磁检测器把该相位差转变为相应的电平信号送入变送器，经滤波、积分、放大等电量处理后，转换成与质量流量成正比的4—2mA模拟信号和一定范围的频率信号两种形式输出。综上可知，科氏力质量流量计与温度、压力、密度和粘度等参数的变化无关，无需进行任何补偿，故称为直接式质量流量计。质量流量计质量流量计视频电磁流量计电磁流量计是电磁感应定律的具体应用，当导电的被测介质垂直于磁力线方向流动时，在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一个感应电动势Ｅz。感应电势Ez与被测介质的体积流量Q成正比。输出的Ez是一个微弱的交流信号，其中包含有各种干扰成分．而且信号内阻变化高达几万欧姆．因此，要求转换器是一个高输入阻抗．且能抑制各种干扰成分的交流毫伏转换器，将感应电势转换成4～20MADC统一信号．以供显示、调节和控制，也可送到计算机进行处理。基于法拉第电磁感应原理:U=LxBxvL=Diameterofsensor传感器直径B=Magneticflux磁场强度V=velocity

流速激励线圈Coil电极Electrodes不锈钢内壳Stainlesssteelpipe内衬Liner电极反馈线Magneticreturnpath电磁流量计基本结构电磁流量计的特点与应用1、电磁流量计的特点：1）测量导管内无可动部件和阻流体，因而无压损，无机械惯性，所以反应十分灵敏。2）测量范围宽，量程比一般为10：1，最高可达l００：1。流速范围一般为1～6m／s，也可扩展到0.5～1０ｍ／s。流量范围可测每小时几十毫升到十几万立方米。测量管径范围可从2ｍｍ到2400ｍｍ，甚至可达3000ｍｍ。3）可测含有固体颗粒、悬浮物(如矿浆、煤杨浆、纸浆等)或酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的液体体积流量；也可测量脉动流量；并可进行双向测量。Ez与Q成线性关系，故仪表具有均匀刻度，且流体的体积流量与介质的物性(如温度、压力、密度、粘度等)、流动状态无关，所以电磁流量计只需用水标定后，即可用来测量其他导电介质的体积流量而不用修正。电磁流量计的特点与应用2、电磁流量计也有其局限性和不足之处：1）、使用温度和压力不能太高。具体使用温度与管道衬里的材料发生膨胀、变形、变质的温度有关，一般不超过120℃，最高使用压力取决于管道强度、电极部分的密封状况以及法兰的规格等，一般使用压力不超过1．6Mpa。2）、应用范围有限。电磁流量计不能用来测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。3）、当流速过低时，要把与干扰信号相同数量级的感应电势进行放大和测量是比较困难的，而且仪表也易产生零点漂移。因此，电磁流量计的满量程流速的下限一般不得低于0.3m／s。4）、流速与速度分布不均匀时，将产生较大的测量误差。因此，在电磁流量计前必须有一个适当长度的直管段，以消除各种局部阻力对流速分布对称性的影响。超声波流量计测量原理设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为u，传播距离为L；当声波与流体流动方向一致时(即顺流方向)，其传播速度为（c+u)；声波传播方向与流体流动方向相反(即逆流方向)时，其传播速度为(c-u)；在相距为L的两处分别放置两组超声波发生器与接收器(T1、R1)和(T2、R2)，当T1顺方向．T2逆方向发射超声波时．超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间分别为t1和t2：超声波流量计由于在工业管道中，流体的流速比声速小得多，即c>>u。，因此两者的时差为：由此可知，当声波在流体中的传播进度c已知时，只要测出时差

便可求出流速u，进而就能求出流量Q。利用这个原理进行流量测量的方法称为时差法。此外还可以用相差法、频差法等。发送信号顺流逆流检测窗口接收信号传输时间时间差外贴式超声波流计的主要特点优点：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失，能用于任何液体，特别是具有高粘度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资；量程比较宽，可达5:l输出与流量之间呈线性等优点。缺点：当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响声的传播，降低测量精度；超声波流量计实际测定的流体流速，当流速分布不同时，将会影响测量精度，故要求变送器前后分别应有10D和5D的直管段；此外，它的结构较复杂，成本较高。温度测量仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温际有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。温度测量仪表的分类温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高，但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，故需要一定的时间才能达到热平衡。所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。热电偶温度计热电偶测温基本原理：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如下图所示。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流；这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。如图所示，热电偶一端将A、B两种导体焊在一起，置于温度t的被测介质中，称为工作端；另一端称为自由端，放在温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得温度值。热电偶温度计热电偶两端的热电势差可以用下式表示：式中

Et——热电偶的热电势；——温度为t时工作端的热电势；——温度为t0时自由端的热电势。当自由端温度t0值恒定时，热电势只与工作端的温度有关，即当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径大小无关，只与热电极材料的成分及两端的温度有关。因此，用各种不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标淮热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作对它的结构要求如下：

·组成热电偶的两个热电报的焊接必须牢固；

·两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

·补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

·保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延长热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠０℃时对测温的影响。冷端补偿有几种方法：分别为冷端温度校正法、仪表机械零点调整法、补偿电桥法和冰浴法。热电阻温度计在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低温区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。热电阻的结构形式和热电偶温度传感器相类似，工业上常用的热电阻主要有普通装配式热电阻和铠装热电阻两种型式。普通通装配式热电阻是由感温体、有锈钢外保护管、接线盒以及各种用途的固定装置级成，安装固定装置有固定外螺纹、活动法兰盘、固定法兰和带固定螺栓锥形保护管等形式。热电阻的结构形式铠装热电阻外保护套管采用不锈钢，内充高密度氧化物绝缘体，具有很强的抗污染性能和优良的机械强度。与前者相比，铠装热电阻具有直径小、易弯曲、抗震性好、热响应时间快、使用寿命长的优点。对于一些特殊的测温场合，还可以选用一些专业型热电阻，如，测量固体表面温度可以选用端面热电阻，在易燃易爆场合可以选用防爆型热电阻，测量震动设备上的温度可以选用带有防震结构的热电阻等。铠装热电阻热电偶（阻）的安装热电偶和热电阻在设备中的安装方法和测量误差如下图所示。安装时要注意机械强度，特别是高温中保护管的变形。另外，为了避免保护管的热损失对元件温度的影响，需要考虑流向和保护管的外形、插入长度、保温、隔热等问题。热电偶（阻）的响应速度虽然铠装热电偶比安装保护管的热电偶响应速度快，但是，使用安装了保护管的热电偶，能够增加强度、耐腐蚀、防热以及易于维护。在热导率大的水中和热导率小的空气中，响应速度是不同的。下图为带不锈钢保护管的具有代表性的响应速度的示例，保护管内径和外径的不同不会对响应时间有影响。防止保护管因卡曼振动而破裂的措施在管道中插入保护管时，下游会产生旋涡。该旋涡称为卡曼旋涡，会导致保护管发生卡曼振动，当振动频率与保护管的固有振动频率一致时，会发生共振，导致保护管破裂以及温度检测元件断线。在流体为液体且流速非常快的情况下，必须防止共振发生。计算保护管自身的固有频率和卡曼旋涡频率，选择保护管长度和外形尺寸时，需使卡曼旋涡频率低于保护管的固有频率。有时候也可以降低流速。该运算涉及到包含流体质量和黏度等数值的应力计算，比较复杂，可参考以下简易计算公式。压力测量仪表压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制。但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。压力测量方法概述

在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号Pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号Pq表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差，称为表压力，用符号Pb表示。即Pb=Pj-Pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值(即负压力)．此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号Pt表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。压力传感器压力传感器是压力检测系统的重要组成部分。由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。压电式压力传感器压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比，即：式中q—压电量(电荷数)p—外部施加的压力；η—压电常数。这种压力传感器的特点是：体积小，结构简单，不得外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。其测量范围可从。0～700Pa到0～70MPa，精确度可达0.1%。压电式传感器的结构如图所示。图中，由受压薄壁筒给出预载力，并将一挠性材料制成非常薄的膜片进行密封。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在环境温度一定的条件下，这样就避免了因温度变化所造成的预载力变化而引起测量误差。压阻式压力传感器压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（如加速度计）。压阻效应

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。压阻式压力传感器的结构传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。电容式压力（差压）变送器电容式压力变送器是应用最广泛的一种压力变送器，其原理十分简单。一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为：

C=εs/d（ε为平行平板间介质的介电常数，d为极板的间距，s为极板的覆盖面积）改变其中某个参数，即可改变电容量。由于结构简单，几乎所有电容式压力变送器均采用改变间隙的方法来获得可变电容。可变电容由压力腔上的膜片和固定在其上的绝缘电极所组成，当感受到压力变化时，膜片要产生微微的翘曲变形，从而改变了两极的间距，这时检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度补偿。传感器输出与被测压力成正比的直流电压或电流信号。电容式压力变送器的初始电容值较小，一般为几十皮法，它极易受到导线电容和电路的分布电容的影响，因而，必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微小变化。可以说，一个好的电容式传感器应该是可变电容设计和信号处理电路的完美结合。电容式压力（差压）变送器压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化，重置测量范围，工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。物位测量仪表在工业生产过程中，常遇到大量的液体物科和固体物料，它们占有一定的体积，堆成一定的高度。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；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叫作界位；液位、料位以及相界面总称为物位；对物位进行测量的仪表被称为物位检测仪表。物位测量方法概述物位测量的主要目的有两个：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，以便使生产过程正常进行，保证产品的质量、产量和生产安全。物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位、界面来分可分为：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、测量界面的仪表：浮力式、差压式、电镀式和超声波式等；3、测量料位的仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等。浮力式液位计磁翻转式液位计、浮子钢带式液位计、浮筒液位计。浮力式液位计是根据浮在液面上的浮球或浮标随液位的高低而产生上下位移，或浸于液体中的浮筒液位变化而引起浮力的变化原理而工作的。浮力式液位计有两种：一种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，如浮球、浮标式等。另一种是在检测过程中浮力发生变化的，叫做变浮力式液位计，如沉筒式液位计等。浮力式液计结构简单，造价低，维持方便，因此在工业生产中应用广泛。恒浮力式液位计恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值，并使浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变化的原理来测量液位的。磁翻转式液位计是以磁性浮子为感测元件，并通过磁性浮子与显示色柱中磁性体的磁耦合作用，反映出被测液位或界面，并应用连通管原理，保证被测容器与测量管体间的液位相等；当测量管中的浮子随被测液位等量变化，浮子中的磁性体与显示板上显示色柱中的磁性体作用，使色柱翻转，白色表示为无液，红色表示为有液，以达到就地显示液位的数值。浮子钢带式液位计测量原理液位计大体上讲有机械式传感和电子处理两部分，传感部分是通过浮子（浮子在测量的全过程都是浮在液面上），随着被测液面的升降而升降，使固定在浮子上的闭环不锈钢带带动计量轮正反方向旋转，计量轮的正反转角度与浮子升降距离成正比。平衡阻尼器在这里有两个作用，其一是给钢带一个恒定的拉力，避免钢带与计量轮之间可能产生的滑动；另一个是在液面形成液力波动时，阻止浮子的快速抖动，从而稳定浮子处于正确的位置。计量轮的转角通过磁偶合送给电子处理模块，把转角变换成相应的电压量。液位计检测原理图如图变浮力式液位计变浮力式液位计(浮筒式液位计)的检测元件是沉浸在液体中的浮筒。它随液体液面或者界面的变化而产生浮力的变化，F浮＝V侵×r液，V＝S×h；当浮筒的底面积S一定时，浮力的大小取决于浮筒侵入液体中的高度和液体的密度。如果液体的密度不变时，测量浮力的大小，便可得到液体的高度。上图为位移平衡浮筒式液位变送器原理图。当液位发生变化时，浮筒(又称沉筒)l本身的重力与所受的浮力的不平衡力，经杠杆2传至扭力管3，而扭力管产生转角弹性变形，由心轴4传出．经推板5传到霍尔片6，转换成霍尔电势，经功率放大后转换成统一的标准电信号输出，以远传给显示仪表进行液位指示、记录和控制。差压式液位计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。

差压式液位计的特点是：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粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、有悬浮物介质的液位测量问题；4、差压式变速器通用性强，可以用来测量液位，也可用来测量压力和流量等参数。在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测量液位高度的问题变成“测量差压的问题”。式中H——液位高度；

ρ——被测介质密度，

g——被测当地的重力加速度差压式液位计使用差压计测量液位时，必须注意以下两个问题：遇到含有杂质、结晶、凝聚或易自聚的被测介质，用普通的差压变送器可能引起连接管线的堵塞，此时需要采用法兰式差压变送器，如图所示。当差压变送器与容器之间安装隔离罐时，需要进行零点迁移。电容式物位计电容式物位计是电学式物位检测方法之一，它是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。射频导纳液位计是在电容式物位计基础上研发的，由电容式物位传感器和检测电容线路组成。其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化，液位的变化与液位计的探极电容的变化成正比，然后再用测量电容量的方法求知物位数值。工作原理电容式物位计是电学式物位检测方法之一，它是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。电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成。其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求知物位数值。

电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的。其结构如同2个长度为L、半径分别为R和r的圆筒型金属导体，中间隔以绝缘物质，当中间所充介质是介电常数为ε1的气体时，两圆筒的电容量为：C1=2πε1L/R/(ｌｎＲ/ｒ)如果电极的一部分被介电常数为ε2的液体（非导电性的）浸没时，则必须会有电容量的增量△C产生（因ε2>ε1），此时两极间的电容量C=C1+△C。假如电极被浸没长度为l，则电容增量为：

ΔＣ=2π(ε2-ε1)ｌ/(ｌｎＲ/ｒ)当ε2、ε1、R、r不变时，电容量增量△C与电极浸没的长度l成正比，因此测出电容增量数值便可知道液位高度。如果被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。假设中间介质的介电常数为ε3，电极被浸没长度为l，则此时电容器所具有的电容量为：C=2πε3L/R/(ｌｎＲ/ｒ)其中：R和r分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径。由于ε3为常数，所以C与l成正比。电容式物位计在应用中应注意的几个问题选型:由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的型式。（1）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正常测量。（2）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。（3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒型容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒型电容器。所以应根据现场实际情况，即被测介质的性质（导电特性、粘滞性）、容器类型（规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐），选择合适的电容物位计。电容式物位计安装传感器安装时，需要就地设置参考电极，如金属罐壁等导体，这时必须确保仪表外壳与所设置的参考电极保持良好接触。如果容器壁为绝缘体，表壳必须用一导线接地。

顶部安装要远离进液口，避免进料时液面波动较大，在测量高度超过3.6米的储罐或过程容器时，需要选用软缆射频导纳液位计，软缆下端要固定重锤，避免进液时软缆大幅度晃动。

硬杆式传感器下端一般不固定，特殊情况可在下端或中间加固定支撑，缆式传感器需加重锤或底锚固定

缆式探头安装电容式物位计安装其他安装方式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的。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。测量原理发射超声换能器发射出的超声脉冲，通过传播媒质传播到被测物面，经反射后再通过传声媒质返回到接收换能器，测出超声脉冲从发射到接收在传声媒质中传播的时间。再根据传声媒质中的声速，就可以算得从换能器到物面的距离。从而确定物位。因此我们可以计算出探头到反射面的距离D＝C*t/2(除2是因为声波路径要往返的原因，D是距离，C是声速，t是时间）。再通过减法运算就可得出物位值。盲区：由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的一段区域内的反射波与发射波重叠，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。超声波物位计的主要特点a、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。b、仪表不受湿度、粘度的影响，并与介质的介电系数、电导率、热导率等无关。c、可测范围广，液体、粉末、块体(固体颗粒)的物位都可测量。d、检测元件(探头)不接触被测介质，因此，此表适用于强腐蚀性、高粘度、有毒介质和低温介质的物位和界面测量。E、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，故它的应用有一定的局限性。另外电路复杂，造价较高。放射性物位计在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子流，即射线。如同位素钴(Co60)能放射出γ射线，铀(U235、U233)也能放射出α和β射线。当这些射线穿过一定厚度的物体时，因粒子的碰撞和克服阻力而消耗了粒子的动能，以至最后动能耗尽，粒子便留在物体中，即被吸收了。不同的物体对射线的穿透与吸收能力是不同的。一般来说，固体大于液体，液体大于气体。利用物体对放射性同位素射线的吸收作用来检测物位的仪表称为放射性物位计。下图为γ射线物位计装置示意图。如图中在容器的一侧安放一个放射源，在容器的另一侧放一个探测器(测量射线的仪表)，就可测量物位了。当料位高度低于放射源的位置时，射线粒子大部分通过气体介质到达探测器，若料位上升到超过放射源的高度时，因固体吸收能力强，大部分射线粒子被容器中的物料所吸收，而探测器测得的粒子数很少了。所以，从探测器测得的粒子数的多少，便知容器中的料位有多高。指示仪把测得的粒子数进行转换、功率放大成标准电信号，远传进行指示记录或调节。放射源接收器放射性物位计的特点：a、可以实现完全不接触式的测量，这是放射性物位计的最大特点；b、在被测容器上不用开孔，因而可用于高温、高压的工况；c、由于放射源物质的放射不受温度、压力的影响，并且测量元件与被测介质不接触，高压容器中的高粘度、强腐蚀性、易燃易爆介质的物位测量；d、不仅可以测量液位，也可测量粉状、粒状和块状介质的料位；e、仪表可在强光、浓烟、尘埃环境下工作，不但可以连续测量，也能进行定值控制；f、γ射线对人体有较大的伤害，因而在选用上必须慎重。雷达式物位测量仪雷达料位计用于非接触连续测量固体或液体介质.雷达天线通过很短的脉冲波束的形式发射6.3GHz或26GHz的雷达信号.雷达脉冲接触到介质后被反射回来.雷达脉冲的运行时间与探头到介质表面的距离成正比,因此和介质高度也成一定比例.

雷达式物位测量仪输入：天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处理，识别出微波脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完成，精度可达到毫米级。距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程T成正比：D=C×T/2

其中C为光速

因空罐的距离E已知，则物位L为：L=E-D

输出

通过输入空罐高度E（=零点），满罐高度F（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将自动使仪表适应测量环境。对应于4－20mA输出。导波式雷达物位计测量原理

高频率的的微波脉冲沿着一根缆、棒或包含一根棒的同轴套管运行，接触到被测介质后，微波脉冲被反射回来，并被电子部件接收，并分析计算其运行时间。微处理器识别物位回波，分析计算后将它转换成物位信号给出。

由于测量原理简单，可以不带料调整，从而节省了大量调试费用。测

量缆或棒可以截短，使之更加适应现场的应用。对于蒸汽不敏感

即使在烟雾、噪音、蒸汽很强烈的情况下，测量精度也不受到影响。不受介质变化的影响

密度的变化，介质颗粒大小的变化，甚至液化都不会影响测量精度。而且对于由干燥介质变为湿润介质，也不会影响测量。粘附：没有问题

在测量探头或容器壁上粘附介质不会影响测量结果。应用范围广

测量范围可达30米，传感器也适用于高的容器。导波式雷达物位计安装基本要求：在整个量程内确保缆或棒不要接触到内部障碍物，因此安装时应尽可能避开罐内设施，如：人梯、限位开关、加热设备、支架等。另外须注意缆或棒不得与加料料流相交。安装仪表时还要注意：最高料位不得进入测量盲区；仪表距罐壁必须保持一定的距离；仪表的安装尽可能使缆或棒方向与被测介质表面垂直。安装在防爆区域内的仪表必须遵守国家防爆危险区的安装规定。本安型的外壳采用铝壳。本安型仪表可安装在有防爆要求的场合，仪表必须接大地。

测量盲区:从测量的基准面向下的一段区域内和缆或棒最低部位无法精确测量的一段区域内是导波雷达物位计的测量盲区。

测量的基准面是螺纹或法兰的密封面。

1、顶部盲区2、空仓（最大测量距离）3、最大量程4、底部盲区

注:使用导波雷达物位计时，务必保证料位不能进入顶部盲区。

容器接管的长度如图示磁致伸缩液位计磁致伸缩液位传感器部分是基于磁致伸缩原理设计的，它由敏感波导丝、波导管、活动磁铁及发射电脉冲信号和接收返回信号的电子部件构成,当电子探头中脉冲微波发生器产生的电脉冲沿钢管内的波导丝传递时，电脉冲同时伴随产生一个垂直于波导丝的环形磁场以光速速度沿波导丝传递。当脉冲环形磁场与磁浮子磁场相遇时，二者的磁场矢量相叠加形成螺旋磁场，产生瞬时扭力并在波导丝上形成一个机械扭力波，此扭力波以光速速度返回到电子探头，使线圈两端产生脉冲感应。通过测量出发电脉冲与扭力波返回产生的感应脉冲之间的时间差，就可以精确地计算出被测液面高度。同时将温度传感器置于测杆内，便可连续测定介质温度。

磁致伸缩液位计●高精度，±0.5mm或±1mm；

●高分辨率，响应快，

●多种数据输出方式选择；

HART(标准)4…20mA模拟信号

PROFIBUSPA

基金会现场总线（FF）

●浮子磁铁采用进口磁铁，使用寿命长