物位检测仪表

1、3.5 物位测量仪表 物位检测是对设备和容器中物料储量的度量手段。为生产过程的正常运行提供重要依据。,物位检测的应用目的： 确定容器（设备）中介质的储存量，保证生产过程物料供应和平衡； 检测工艺设备中介质物位，为工业控制提供必要的依据数据，保证生产过程的正常运行； 检测料罐储量，为经济核算提供必要的数据； 检测储罐物位，保证设备安全。,3.5.1 物位的定义 物位指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。,关于物位的相关定义。 液位： 描述设备和容器中液体介质表面的高低。 料位： 描述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。 界位： 描述界面位置。一般指容器中液一液、液一固相界

2、面的位置。,3.5.2 检测原理及物位检测仪表的分类 1）检测原理： 基于力学原理 敏感元件所受到的力(压力)的大小与物位成比例。 例：静压式、浮力式和重锤式物位检测等；, 基于相对变化原理 当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。 例如：声学法、微波法和光学法等； 基于某强度性物理量随物位的变化而增减的原理 例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。,2）物位仪表分类 按测量方式分类 连续测量： 能持续测量物位的变化，实时反映物位状态。,定点测量： 只监测物位是否达到上限、下限或某个特定位置， 定点测量仪表一般称为物位开关。 按工作原理分类,直

3、读式 静压式 浮力式 机械式 电气式,a. 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。 代表仪表：玻璃管（板）式液位计 主要用于液位检测和压力较低的场合液位就地指示。,b. 静压式物位检测仪表 基于流体静力学原理，通过检测容器内流体的静压力确定容器内液位。 代表仪表： 压力式、 吹气式 差压式液位计 一般适用于液位的检测。,c. 浮力式物位检测 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸没于液体中的物质受到的浮力随液位而变化来检测液位。 前者称为恒浮力法，后者称变浮力法， 代表仪表：浮子式液位计、浮筒式液位计 应用于液位检测。,d. 机械接触式物位检测 通过测量物位探头

4、与物料面接触时的机械力实现物位的测量。 代表仪表： 重锤式 旋翼式 音叉式 主要应用于固体料位检测,e. 电气式物位检测 通过检测置于被测介质中的物位敏感元件随物位变化时电量变化检测物位。 代表仪表：电容式物位计 可用于液位检测，界面测量或料位检测。,f. 声学式物位检测 利用声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。 代表仪表：超声波物位计 可用于液位检测，界面测量或料位检测,g. 射线式物位检测 通过检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时被吸收的程度检测物位。 代表仪表：射线式物位计 可应用于物位（液位、料位）的非接触式检测。,其他物位检测方法： 光学法、微波法、磁

5、致伸缩式物位检测,3.5.3 静压式物位检测 1）检测原理 将物位变化转换为静压变化 A：实际液面， B：零液位， H：液柱高度，,pA、pB：A点、B点的静压。 若被测对象为敞口容器，则pA为大气压p0，上式变为,根据流体静力学原理，A、B两点的压力差为,p：B点压力与大气压的差值（ B点的表压力）,2）实现方法 主要应用仪表： 压力变送器、差压变送器 测量方法： a. 敞口容器： 直接用压力检测仪表检测液位。 描述式：,注意事项： 液体密度应为定值，否则会引起误差。 压力仪表应与零液位点在同一水平面。 若压力仪表与取压点(零液位)不在同一水平位置，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。

6、,b. 密闭容器： 特点： 容器下部的液体压力与液位高度及液面以上介质压力有关。 考虑A、B两点间压力差,结论： 密闭容器场合，可以用测量差压的方法来测量液位。,静压法液位测量注意事项： 被测介质含有结晶颗粒，或具有腐蚀性以及粘度大、易凝固特性时，应注意引压导管易被腐蚀或堵塞。 预防措施：应用法兰式压力(差压)变送器。,特点： 敏感元件为金属膜盒， 膜盒直接与被测介质接触，经毛细管与变送器的测量室相通； 毛细管内充以硅油，作为传压介质；,3）变送器量程迁移 问题的提出： 举例：,表现： 由于安装和介质特性引入了附加静压，零液位时变送器感受非零输入，仪表输出非零。 量程迁移作用： 使变送器在只受

7、附加静压(静压差)作用时输出为“零”,2,1,量程迁移的种类 无迁移： 无附加静压差 正迁移： 附加静压力作用于变送器的正压室（零液位时正压室受压大于负压室）。 负迁移： 附加静压力作用于变送器的负压室（零液位时负压室受压大于正压室）。, 无迁移分析： 输出表现：液位零点变送器无附加静压差信号， 输出零液位信号 示意图：,信号分析： 正压室信号： p+=p0+Hg 负压室信号： p-=p0 差压信号：,输出特点： H=0； p=0 输出零液位信号 H=Hmax： p=Hmaxg 输出上限液位信号 无需量程迁移。,气体,p = p+ - p- = Hg, 负迁移 示意图：,压力分析 正压室信号：

8、,附加静压力特性： 零液位时变送器正、负压室不平衡。,负压室信号：,差压信号：,迁移方向：负迁移 迁移量： B,量程负迁移曲线示意图：,注意： 迁移前后仪表量程不变， 仅测量范围发生变化。 （曲线平移）, 正迁移 示意图,信号分析 正压室信号：,负压室信号：,附加静压力特性： 零液位时变送器正、负压室不平衡。,差压信号：,量程正迁移曲线示意图：,迁移方向：正迁移 迁移量： A,量程迁移小结： 差压变送器量程选择依据：液位变化量。 通过迁移装置改变量程的零点，其作用是同时改变测量范围的上下限，但是不改变量程。 迁移量等于零液位时差压计正、负压室承受的压力差的绝对值。 迁移方向取决于零液位时差压（

9、p=p+-p-)的符号。 p0：正迁移； p = 0：无需迁移； p0：负迁移；,量程迁移示意图：,例：用差压变送器检测液位。,解： 量程： 液位变化范围(H)：03.0m 差压变化量：,选差变变送器的量程 P = 40kPa。,请选择差压变送器的量程 判断是否需要量程迁移 若需要请计算迁移量。,已知：1 = 1200kgm2， 2 =950kgm2， h1 = 1.0m， h2 = 5.0m， 液位变化范围H： 03.0m， g = 9.8ms。,迁移：,迁移方向：负迁移； 迁 移 量： 37240Pa 迁移后量程范围： -37.24kPa 2.76kPa 仪表信号： p = -37.24k

10、Pa： Iout=4mA； H=0m p = 2.76kPa： Iout=20mA；H=3.4m 注意：实际测量范围大于给定的液位变化范围。,量程调整： 目的： 使仪表的实际测量范围符合液位变化范围。 做法： 计算出液位实际变化范围对应的差压变化值， 在实行迁移后通过量程调节措施修正仪表量程,例：请通过量程调整使上例中H=3.0m时变送器满刻度输出。 液位实际变化范围（H）：3m，（pH=35.28kPa） 迁移后差压量程起点：-37.240kPa 量程调整： 变送器在差压为-37.24+35.28=-1.96kPa时输出调整为20mA。,描述曲线示意图,迁移： 迁移移动方式：平移 迁移量：-

11、37.24kPa 量程调整： 量程调整变化方式： 改变输出信号曲线斜率,-37.24kPa,2.76kPa,-1.96kPa,3m,3.5.4 浮力式物位检测 典型类型： 恒浮式液位计 主要包括浮标式、浮球式、浮顶式和翻板式等。 原理图：,变浮力式液位计 主要指浮（沉）筒式液位计 原理图,检测原理：力平衡原理 分析： 受力： 浮筒重力（mg）、 弹性力（Cx0） 平衡关系 mg = Cx0 C：弹簧的刚度； x0：弹簧由于浮筒重力而产 生的位移,测量分析（部分侵入被测液体）,浮筒受力及状态： 重力：mg 浮力： Ahg H = h+x H：液位高度， h：浮筒实际浸没长度， x：浮筒移动距离（

12、弹簧位 移改变量） 弹性力： C(x0 x ),力平衡描述： mg Ahg = C(x0 x ) Ahg = Cx ：介质（液体）密度。 一般有， hx Hh， 液位H描述式：,注意事项： 测量范围：液位变化范围小于浮筒长度 浮筒重量：应大于所排出液体的重量。 应用：用于液体液位检测、或界面检测。,3.5.5 电气式物位检测 电气式物位检测是利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。 分类（依据电量参数）：,电阻式 电容式 电感式,目前电容式为最常见。,电容式物位检测 原理： 基于圆筒电容器工作原理。 原理结构图： 圆筒电容量描述式：,工作状态分析： 设圆筒电容二极板之间的H高度范围内被介

13、电常数为2的液体侵没。,1：二极板间介电常数,电容描述式：,C1,C2,整理有：,结论： 圆筒形电容器的几何尺寸L、R和r及介电常数不变时，电容器电容增量C与电极被介电常数为2的介质所浸没的高度H成正比关系。 两种介质的介电常数的差值(2 - 1)越大，则C也越大，即相对灵敏度越高。 可用于固态或液态介质的物位测量。 注意：一般应用于介质为非导电物质。 测量非导电介质物位时属于变介质性电容传感器,导电液体的电容式液位测量 电容用于导电介质的液位检测电极要用绝缘物覆盖，而液体和外圆筒一起作为外电极（绝缘物为中间介质）。 原理图：,等效电路：,C12,C11,C2,测量导电介质物位属于变面积型电容

14、传感器。,电容描述：,1：被测液位上方气体介电常数 3：绝缘物的介电常数； R1：容器的内半径。,C12,C11,C2,一般有： 31，R1R，,C12C11。,忽略C11的影响，等效电容C为,提示： 电容式物位计主要由电极(敏感元件)和电容检测电路组成。 电容式物位检测的基本原理是将物位的变化转换为由插入电极所构成的电容器的电容量的改变。,由于电容的变化量较小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。 目前在物位检测中，常见的电容检测方法主要有交流电桥法、充放电法和谐振电路法等。 可用于液位、料位和界面的检测。 其他电容式液位测量方法：分段式，主要应用于界面测量。其不采用外桶作为电极，其外桶形状

15、可为非圆形。,3.5.6 声学式物位检测 一般应用超声波(20kHz以上频率的机械波)作为物位检测的声波。,1）超声波特性及物位检测原理 a. 超声波特性 超声波可以在气体、液体及固体中以一定的速度进行传播， 例如在常温下空气中的声速约为334ms，在水中的声速约为1440ms，而在钢铁中约为5000ms。 声速与介质所处的状态(如温度)有关。 例如：空气中传播速度与温度的关系:,在固体或液体中声速一般随温度增高而降低。,超声波可近似为直线传播，有很好的方向性。 声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强。 声波在介质中传播时会被吸收而衰减 气体吸收最强，液体其次，固体吸收最小。 声波传播时的

16、衰减程度与声波频率有关，频率越高，声波衰减越大。,声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射。,IR、I0：反射和入射声波的声强； 、：声波入射角、反射角； Z1、Z2：两种介质的声阻抗，Zi = ivi 例如： 声波自水中传播到空气，已知：Z1=1.44106， Z2=4102，入射角与反射角为0，,声波几乎 全部被反射,反射系数R：,反射系数：,b. 检测原理 利用声波的界面反射特性，通过计测传播时间获得物位信号。 原理图：,描述式：,2）应用 a.超声波物位计种类： 气介式，液介式，固介式,b. 主要影响因素 介质温

17、度及密度变化,c. 实用测量方案,描述式,3）超声波液位计特点 与介质不接触，无可动部件，仪器寿命长；, 超声波传播速度比较稳定，光线、介质黏度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对测量影响极小，适用于有毒、腐蚀性或高粘度介质的测量； 可以较方便地提供遥测或遥控信号； 可测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位； 仪器结构复杂，价格昂贵。,3.5.7 射线式物位检测 1）射线： 种类： 射线：氦原子核，带正电荷； 射线：电子流 射线：一种从原子核中发出的电磁波，波长较短， 不带电荷，射线在物质中的穿透能力最强 主要应用： 由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接

18、触式检测.,2）检测原理： 射线能量吸收特点 射线能量被所穿透介质部分吸收，穿透的射线强度随通过的介质厚度增加而减弱。 强度变化规律：,I0、I：射入介质前和通过介质后的射线强度； ：介质对射线的吸收系数； H：射线所通过的介质厚度。 介质吸收能量能力： 固体液体气体 测量原理 通过检测射线的吸收能量获取物位信号。,3）检测系统构成 射线式物位检测系统主要由射线源、射线探测器和电子线路等部分组成, 射线源 一般采用穿透能力较强的射线。 产生射线的放射性同位素： Co60(钴)：产生的射线能量大，半衰期5.3年， Cs137(铯)，产生的射线能量较小。半衰期33年。 探测器 将接收的射线强度转变

19、成电信号。 主要有：闪烁计数管、电离室、正比计数管和盖革一弥勒计数管等。 电子线路 信号放大，标准信号输出,4）实现方法 定点测量 原理图：,特点： 射线源与探测器安装在同一水平面 不能应用于液面的连续测量,探测器,射线源,连续测量（一般应用） 原理图：,特点： 射线源和探测器分别装于容器上部和下部 接收射线强度随液位变化，可连续测量 测量范围较窄，300-500mm 准确度较低,探测器,射线源, 跟踪测量 原理图：,测量过程： 通过电机带动射线源与探测器沿轨道随液面上下运动，能对液面实现自动跟踪。,射线源,探测器,轨道,多射线源（探测器）组合 原理图：,特点 可以适应宽量程需要，并可改善测量

20、系统的线性特性 投资高，安装维护困难,重锤法 称重法 电磁法 声学法 光学法 微波法,3.5.8 料位检测 主要方法：,重锤探测法 原理图：,动作过程 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； 重锤碰到物料时产生失重信号，控制执行机构停转一反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。,特点： 一种简单可行、比较粗略的检测方法； 可实现定点 或连续测量； 通常用于定期测定料位,2）称重法 原理图：,测量依据： 介质重量与体积的关系 特点及应用： 属于比较粗略的测量方法； 一般只适用于精度要求不高的场合。,3）声学法 原理图：,构成： 由音叉、压电元件及电子线路等组成。 动作： 音又由压电元件激振，以一定频率振动； 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发出信号。,特点： 灵敏度高，从微小粉体到颗粒体都能测量， 但不适于测量高粘度和有长纤维的物质。,2.5.9 物位开关 应用目的： 物位开关用于定点测量，并发出相应的开关量信号。 工作原理： 与同类连续测量仪表相同 物位开关的特点 简单、可靠、使用方便，适用范围广。,几种常见