《物位的檢測li》PPT課件.ppt

1、3.6 物位的檢測,物位不僅是物料消耗量或產(chǎn)量計量等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的參數(shù)，也是判斷生產(chǎn)過程的工作狀況、保證連續(xù)生產(chǎn)和設(shè)備安全、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要過程參數(shù)，在現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)過程對物位的監(jiān)測占有重要地位，對物位測量儀表的精確測量、穩(wěn)定可靠、多功能、智能化的要求也越來越高,第五節(jié) 物位檢測及儀表,物位：液位、料位、分界面（界位）的總稱。 液位：容器中液體表面的高低； 料位：容器中固體的堆積高度； 界面：兩相物質(zhì)的交界面。 物位檢測的作用 確定容器中的貯料數(shù)量，以保證連續(xù)生產(chǎn)的需要或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算； 為了監(jiān)視或控制容器的物位，使它保持在規(guī)定的范圍內(nèi)； 對它的上下極限位置進(jìn)行報警，以保證生產(chǎn)安全、正常進(jìn)行,

2、1按工作原理分類 直讀式液位儀表 連通器原理，有玻璃管式、玻璃板液位計等。 浮力式物位儀表 浮力原理，有恒浮力式和變浮力式兩種。 靜壓式物位儀表 流體靜力學(xué)原理。 電氣式物位儀表 將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量檢測。 反射式物位儀表 利用超聲波、微波反射信號行程間接測量液位。 射線式物位檢測 利用射線在被測介質(zhì)中的吸收程度。 2按傳感器與被測介質(zhì)是否接觸分類 接觸式物位儀表 如直讀式、浮力式、靜壓式、電容式等。 非接觸式物位儀表 如雷達(dá)式、超聲波式、射線式等,常用測物位原理和儀表,一、直讀式物位儀表,玻璃管液位計,是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管

3、中，通過標(biāo)尺讀出液位高度,1=2，則h1=h2,1 恒浮力式液位計： 原理：當(dāng)浮標(biāo)受力平衡時，浮標(biāo)可以隨液面穩(wěn)定,式中 W浮標(biāo)的重力； F浮標(biāo)所受的浮力； G平衡重物的重力,液位上升時，其上浮力F增加,新的力平衡，反之亦然。因而實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)對液位的跟蹤。通過同步移 動的平衡錘便可以指示出液位的高度。 特點(diǎn)：簡單直觀，測量精度低。 誤差原因：滑輪摩擦，鋼絲繩熱脹冷縮,浮標(biāo)向上移動。直達(dá)到,分：恒浮力（浮子）和變浮力（沉筒,二、浮力式物位儀表,2. 浮筒式液位計,浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當(dāng)被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。浮筒式液位計原理

4、如圖所示。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器,浮筒式液位計,它是用彈簧平衡浮力，用差動變壓器測量浮筒位移，平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即,式中 k彈簧剛度(Nm)； x彈簧壓縮量(m)； 液體密度(kgm3)； H浮筒浸入深度(m)； A浮筒截面積(m2)。 液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測量，既可就地指示，也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制,例：有一浮筒的長度為L=300mm，配DDZ 型表，出廠時用水標(biāo)定，變送器的輸出電流與液位之間的關(guān)系如圖曲線1所示，今用它檢定兩液體之間的界面，設(shè)它們的密度分別為 ， ，問應(yīng)如何使用該液位

5、計檢測界面,浮筒式液位計,利用浮筒式液位計實(shí)現(xiàn)界面檢測,解:當(dāng)g為常數(shù)時，變送器輸出為,用水標(biāo)定時，設(shè)水的密度為1000kg/m3，則在H=300mm的情況下,當(dāng)界面為0，即容器中充滿輕組分液體1是，設(shè)變送器輸出為I1,當(dāng)界面為H1，即H1以下部分為重組分液體2時，變送器輸出為20mA,則,這說明，如果不對該液位計進(jìn)行調(diào)整，它能檢測的界面范圍僅為0128.6mm，變送器輸出與界面之間的關(guān)系如曲線2所示,為使該液面計能在界面0300mm范圍內(nèi)進(jìn)行檢測，應(yīng)對它進(jìn)行重新標(biāo)定。設(shè)界面為0時，由于液體1對浮筒產(chǎn)生的浮力相當(dāng)于水的液位為 時的浮力，則,當(dāng)界面從0增加到300mm時，浮筒所受到浮力的變化量相

6、當(dāng)于水的液位為 時的浮力，則,因此，應(yīng)用水重新標(biāo)定，由于,在最高界面時不能直接用水標(biāo)定,先進(jìn)行比例關(guān)系的標(biāo)定，即當(dāng)H=300-126=174mm時，I=4mA, H=300mm時，I=20mA,然后將水位調(diào)到,調(diào)節(jié)變送器的零點(diǎn)為4mA,浮筒式液位計,靜壓式檢測法 利用容器中液體或固體物料堆積的高度與它在某測試點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力成正比原理，因而可用測壓的方法來測量物位,三、差壓式液位變送器,利用差壓或壓力變送器可以方便地測量液位,1、工作原理,通過液柱靜壓的方法對液位進(jìn)行測量,敞口容器：多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的

7、高度,壓力表測量液位原理,式中 ：P測壓儀表指示值 ；H液位的高度； 液體的密度；g重力加速度,其關(guān)系為,1、工作原理（續(xù),密閉容器,壓力或差壓與液位成比例關(guān)系，可以用壓力表按液位直接進(jìn)行刻度,H=0時，P0,在實(shí)際應(yīng)用中，較復(fù)雜,P-:負(fù)壓室壓力,P+:正壓室壓力,2、差壓式變送器測液位時的零點(diǎn)遷移問題,當(dāng)H=0時，P0，經(jīng)常難以滿足,安裝位置條件的不同，使儀表存在著零點(diǎn)遷移問題,先看：無遷移情況,特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位（Hmin=0）處于同一水平位置。作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓P與液位高度H的關(guān)系為P=Hg。 當(dāng)H =0時，正負(fù)壓室的差壓P=0，變送 器輸出信

8、號為4mA 當(dāng)H= Hmax時，差壓Pmax=gHmax， 變送器的輸出信號為20 mA,負(fù)遷移,差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為,正、負(fù)壓室的壓差為,當(dāng)被測液位H=0時，P= -（h2-h1）2g 0，使變送器在H=0時輸出電流小于4 mA；H=Hmax時，輸出電流小于20 mA。 因此必須調(diào)整變送器的零點(diǎn)，使得：H=0時，輸出電流等于4 mA；Hmax=0時，輸出電流等于20 mA,正遷移,變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置,正、負(fù)壓室的壓力分別為,正、負(fù)壓室的壓差為,當(dāng)被測液位H=0時，P=h1g 0，從而使變送器在H=0時輸出電流大于4 mA；H=Hmax時，

9、輸出電流大于20 mA。 因此必須調(diào)整變送器的零點(diǎn),例：如圖所示，用差壓變送器檢測液位，已知 液面的變化范圍為03m，如果當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?求差壓變送器的量程和遷移量,解：當(dāng)液位在03m變化時，差壓的變化量為,根據(jù)差壓變送器量程系列，可選差變的量程為40KPa,當(dāng)H=0時，有,所以 負(fù)遷移 遷移量37.24KPa，遷移后該差變的測量范圍為： 37.242.76KPa，如為型表，I=20mA時，H=403.0/35.28=3.4m 即實(shí)際可測液位為3.4m，如要求H=3.0m時差變輸出滿刻度，則可在負(fù)遷移后進(jìn)行量程調(diào)節(jié)，使P37.2435.281.96KPa時，差變輸出達(dá)20mA,零點(diǎn)遷移例題,

10、如果被測介質(zhì)易凝、易結(jié)晶或有腐蝕性，為避免導(dǎo)壓管阻塞與腐蝕，可采用法蘭式差壓變送器,圖3.17 用法蘭式差壓變送器測量液位,法蘭式差壓變送器的敏感元件是金屬膜盒，經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測量室相通。由膜盒、毛細(xì)管、測量室組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，通過硅油傳遞壓力，省去引壓導(dǎo)管，安裝也比較方便，解決了導(dǎo)管的腐蝕和阻塞問題,選擇原則如下： 單平法蘭式：用于易凝固、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的液位測量。 插入式法蘭：插入容器內(nèi)部，適合于檢測高粘度、易沉淀或結(jié)晶介質(zhì)。 雙法蘭式：被測介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)、負(fù)壓室又無法選用適用的隔離液時,法蘭式差壓變送器測量液位,四、 電容式物位儀表,在電容器的極板之間，充有不同的介質(zhì)時，電容量的

11、大小也隨之不同，電容式物位儀表可以通過測量電容量的變化來檢測：液位、料位和兩種不同液體的分界面。 電容式物位計的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等等。 它的適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，可測量：導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì),1、測量原理,2、同心圓柱式電容器的公式,在液位的連續(xù)測量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖所示。電容量,其中： D外電極內(nèi)徑； d內(nèi)電極外徑； 極板間介質(zhì)介電常數(shù)； L極板相互重疊的長度,液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計的檢測原理。 圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極,3、測量非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計,結(jié)構(gòu)：同軸

12、雙層電極。 內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間,圖中： 1 -內(nèi)電極；2-外電極； 3-絕緣套；4-流通孔,液位為0時,0空氣介質(zhì)介電常數(shù),電容量的變化與液位的關(guān)系,液位為0時,0空氣介質(zhì)介電常數(shù),液位上升為H時,電容量的變化,Ki ：比例系數(shù),靈敏度分析,4.測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計,在具體測量時。電容式液位計的安裝形式因被測介質(zhì)性質(zhì)不同而稍有差別。 右圖為用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，為防止內(nèi)、外電極被導(dǎo)電的液體短路，內(nèi)電極外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容

13、器壁構(gòu)成電容器的外電極,1-內(nèi)電極；2-絕緣套,絕緣層介電常數(shù),在測量粘性導(dǎo)電介質(zhì)時，介質(zhì)沾染電極，產(chǎn)生“虛假液位”。 選用和被測介質(zhì)親和力較小的套管材料。 采用隔離型電極,通常采用一根金屬電極棒與金屬容器壁構(gòu)成電容器的兩電極。傳感器電容量,為固體物料的介電常數(shù)；D0為容器的內(nèi)徑,測量非導(dǎo)電固體顆粒料位原理,5.測量固體顆粒料位,電容式物位計的特點(diǎn),無可動部件，與物料密度無關(guān) 需要考慮溫度對介電常數(shù)的變化的影響 物料（特別是粉料）由于含水量的不同、以及物料的混合比例、密度、導(dǎo)電性等都極大地影響它的介電常數(shù)，導(dǎo)致物位計不能正常工作。并且如果在物位計的絕緣子上滯留粉料會導(dǎo)致物位計失靈，因此不適合測

14、量粉料。 物位對電容器的電容量變化值很小，往往只是幾微法至幾百微法，易受干擾影響，電容測量比較困難,電容式料位計,電容式液位計,五、核幅射式物位儀表,1、工作原理： 不同物質(zhì)對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。當(dāng)射線 射入厚度為H的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度I0之間有如下關(guān)系,式中 吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為,因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強(qiáng)度的變化量來實(shí)現(xiàn),2、核幅射式物位儀表的組成,核幅射式液位計由輻射源、接收器和測量儀表組成。 輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測容器的一側(cè)。幅射源在結(jié)構(gòu)上只能允許

15、射線經(jīng)鉛室的一個小孔或窄縫透出。 接收器與前置放大器裝在一起，安裝在被測容器另一側(cè)， 射線由蓋革計數(shù)管吸收，每接收到一個 粒子，就輸出一個脈沖電流。射線越強(qiáng)，電流脈沖數(shù)越多，經(jīng)過積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓，再經(jīng)電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關(guān)的電流輸出,核幅射式物位儀表圖例,下圖所示為輻射源與接收器均是為固定安裝方式的核幅射液位計。其中 (a)為長輻射源和長接收器形式，輸出線性度好； (b) 為點(diǎn)輻射源和點(diǎn)接收器形式，輸出線性度較差,核輻射式液位計 1-放射源； 2-接收器,3、核幅射式物位儀表的特點(diǎn),輻射式液位計既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號和進(jìn)行控制；射線不受溫度、

16、壓力、濕度、電磁場的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸測量。這些特點(diǎn)使得輻射式液位計適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下不常有人之處的液位測量，如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測量。但在使用時仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對人體造成傷害,回波測距（TOF）檢測法 利用能量波從發(fā)射探頭發(fā)射到被測物料面上，再從這一表面反射回到接收探頭的波的來回傳播時間來測出物位的。相應(yīng)的物位計有超聲物位計、微波物位計（俗稱雷達(dá)物位計）及激光物位計,六、超聲波物位儀表,1、測量原理：根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時間間隔大小與被測介質(zhì)高度成比例

17、關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)物位測量的,據(jù)傳聲介質(zhì)的不同有：液介式、氣介式、固介式三種,測量時由置于容器底部的超聲波探頭向液面與氣體的分界面發(fā)射超聲波，經(jīng)過時間t后，便可接收到從界面反射回來的回波信號,V-傳播速度； H -從探頭至界面的距離； t -從探頭發(fā)射至液面反射回來的時間,超生波的發(fā)射和接受：換能器。 核心是壓電片（壓電晶體）， 壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),超聲波的發(fā)射和接收,換能器：利用壓電元件構(gòu)成的。 超聲波發(fā)射：利用逆壓電效應(yīng)，在壓電晶體上施加頻率高于 20kHz的交流電壓，壓電晶體就會產(chǎn)生高頻機(jī)械震動，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，從而發(fā)出超聲波。 超聲波接受：利用正壓電效應(yīng)，壓電晶體在受到聲波聲壓

18、的作用時，晶體兩端會產(chǎn)生與聲壓同步的電荷，從而把聲波轉(zhuǎn)換成電信號。壓電晶體探頭的結(jié)構(gòu),壓電晶體探頭的結(jié)構(gòu)1-壓電晶片；2-保護(hù)膜；3-吸收塊；4-蓋；5-絕緣柱； 6-接線座；7-導(dǎo)線螺桿；8-接線片；9-座；10-外殼,2、超聲波的特點(diǎn),一般需要對聲速v進(jìn)行溫度補(bǔ)償,聲波在介質(zhì)中傳播會衰減：氣體最大，液體次之，固體最小。傳播距離,聲波傳播的方向性：頻率越高方向性越好，超聲波可近似認(rèn)為是直線傳播,聲波從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)傳播時的反射：聲阻抗相差越大，反射的越多,垂直入射時,從液體、固體,氣體,99%的反射系數(shù)，聲波幾乎全部被反射,聲速：常溫下，空氣中，334m/s；水中，1440m/s；鋼鐵

19、，5000m/s。聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)而且與溫度有關(guān),3、聲速的補(bǔ)償,1,一般需要對速度v進(jìn)行補(bǔ)償，方法有,時間t可以測的很準(zhǔn),1) 溫度補(bǔ)償：測出溫度，根據(jù)聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。例如：對于空氣,多數(shù)液體和固體溫度升高，聲速降低,2) 設(shè)置校正具,L0,校正 探頭,反射板,放入被測介質(zhì)中,2,由（1）、（2）式，得,3,一種具有聲速溫度補(bǔ)償功能的物位計,測量原理：根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時間間隔大小與被測介質(zhì)高度成比例關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)液位測量的,超聲波物位計由超聲波發(fā)射、接收器（探頭）及顯示儀表組成,超聲波物位計的原理： 物位計以微處理機(jī)8031單片機(jī)為核心，進(jìn)行超聲波的發(fā)射、接

20、收控制和數(shù)據(jù)處理，具有聲速溫度補(bǔ)償功能及自動增益控制功能,超聲波物位計 原理框圖,超聲波液位計的特點(diǎn)及應(yīng)用,超聲波液位計有以下特點(diǎn)： 超聲波液位計無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長。 儀表不受被測介質(zhì)粘度、介電系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等性質(zhì)的影響。 可測范圍廣，液體、粉末、固體顆粒的物位都可測量。 換能器探頭不接觸被測介質(zhì)，因此，適用于強(qiáng)腐蝕性、高粘度、有毒介質(zhì)和低溫介質(zhì)的物位測量。 超聲波液位計的缺點(diǎn)是檢測元件不能承受高溫、高壓。聲速又受傳輸介質(zhì)的溫度、壓力的影響，有些被測介質(zhì)對聲波吸收能力很強(qiáng)，故其應(yīng)用有一定的局限性。另外電路復(fù)雜，造價較高,應(yīng)注意以下問題： 物位計安裝應(yīng)注意基本安裝距離，與罐壁安裝

21、距離為罐直徑的1/6較好。液位計室外安裝應(yīng)加裝防雨、防曬裝置。 不要裝在罐頂?shù)闹行模蚬拗行囊好娴牟▌颖容^大，會對測量產(chǎn)生干擾，更不要裝在加料口的上方。 在超聲波波束角內(nèi)避免安裝任何裝置，如溫度傳感器、限位開關(guān)、加熱管、擋板等，均可能產(chǎn)生干擾。 如測量粒料或粉料，傳感器應(yīng)垂直于介質(zhì)表面,超聲波液位計的安裝,一) 微波物位測量基本原理,雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，雷達(dá)料位計利用了電磁波的特殊性能來進(jìn)行料位檢測。電磁波的物理特性與可見光相似，傳播速度相當(dāng)于光速。其頻率為300MHz-3000GHz。電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易于被反射，被測介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波

22、信號的反射效果越好。 雷達(dá)波物位計按使用微波的波形分類，可分為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）、脈沖波（PULSE）兩類,脈沖微波物位計 由雷達(dá)天線發(fā)射脈沖信號,測量出發(fā)射和接收雷達(dá)波的時間間隔，即可計算出物料表面與雷達(dá)天線之間的距離,2)調(diào)頻連續(xù)波式物位計原理,由雷達(dá)頭發(fā)射連續(xù)變化的頻率信號，利用回波與信號發(fā)射的頻率差正比于自雷達(dá)頭到液面的距離原理,發(fā)射頻率與回波頻率頻差為,被測距離L為,和超聲波（機(jī)械波）相比，微波的傳播不依賴介質(zhì);波速不受環(huán)境影響，故測量精度較超聲物位計高，它可以解決許多超聲波技術(shù)難以勝任的工況。 微波物位計應(yīng)用優(yōu)勢：高溫、高壓、腐蝕、帶攪拌等復(fù)雜工況；化工、石油化工等行業(yè)瀝青、酸堿罐、反應(yīng)釜等；高爐爐料料位，高溫融熔金屬液位；