料位計(jì)種類及實(shí)際應(yīng)用

1、料位計(jì)種類及實(shí)際應(yīng)用儀控一班：丁偉寧儀控一班：丁偉寧主要內(nèi)容主要內(nèi)容 在熱工檢測中，我們常把開口容器或密封在熱工檢測中，我們常把開口容器或密封 容器中液體介質(zhì)液面的高低稱為液位；把兩種容器中液體介質(zhì)液面的高低稱為液位；把兩種 液體介質(zhì)分界面的高低稱為界面液體介質(zhì)分界面的高低稱為界面。什么叫物位什么叫物位什么叫物位計(jì)什么叫物位計(jì) 將用來檢測液位的儀表稱為液位計(jì)；把將用來檢測液位的儀表稱為液位計(jì)；把 檢測分界面的儀表稱為界面計(jì)；把用來檢測檢測分界面的儀表稱為界面計(jì)；把用來檢測 固體料位的儀表稱為料位計(jì)，它們統(tǒng)稱為物固體料位的儀表稱為料位計(jì)，它們統(tǒng)稱為物 位計(jì)。位計(jì)。 物位檢測的目的物位檢測的目的

2、物位檢測為保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，如物位檢測為保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，如 調(diào)節(jié)物料平衡、掌握物料消耗數(shù)量、確產(chǎn)品產(chǎn)調(diào)節(jié)物料平衡、掌握物料消耗數(shù)量、確產(chǎn)品產(chǎn) 量等提供可靠依據(jù)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過量等提供可靠依據(jù)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過 程監(jiān)測中物位檢測占有重要的地位。程監(jiān)測中物位檢測占有重要的地位。液位測量的工藝特點(diǎn)液位測量的工藝特點(diǎn)液面是一個(gè)規(guī)則的表面，但當(dāng)物料流進(jìn)、流出液面是一個(gè)規(guī)則的表面，但當(dāng)物料流進(jìn)、流出時(shí)，會(huì)有波浪，或者在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)沸騰或時(shí)，會(huì)有波浪，或者在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)沸騰或起泡沫的現(xiàn)象。起泡沫的現(xiàn)象。大型容器中常會(huì)出現(xiàn)液體各處溫度、密度和粘大型容器中常會(huì)出現(xiàn)液體各處溫度、密

3、度和粘度等物理量不均勻的現(xiàn)象。度等物理量不均勻的現(xiàn)象。容器中常會(huì)有高溫、高壓，或液體粘度很大，容器中常會(huì)有高溫、高壓，或液體粘度很大，或含有大量雜質(zhì)、懸浮物等?；蚝写罅侩s質(zhì)、懸浮物等。物料自然堆積時(shí)，有堆積傾斜角，因此料物料自然堆積時(shí)，有堆積傾斜角，因此料 面是不平的面是不平的, ,難以確定料位高度。難以確定料位高度。物料進(jìn)出時(shí)，又存在著滯留區(qū)（由于容器物料進(jìn)出時(shí)，又存在著滯留區(qū)（由于容器 結(jié)構(gòu)而使不易流動(dòng)的死角處，叫做滯留區(qū)結(jié)構(gòu)而使不易流動(dòng)的死角處，叫做滯留區(qū) ），影響），影響 到物位最低位置的測準(zhǔn)。到物位最低位置的測準(zhǔn)。儲(chǔ)倉或料斗中，物料內(nèi)部可能存在大的孔儲(chǔ)倉或料斗中，物料內(nèi)部可能存在大

4、的孔 隙，或粉料之中存在小的間隙，前者影響隙，或粉料之中存在小的間隙，前者影響料位測量的工藝特點(diǎn)料位測量的工藝特點(diǎn)界位測量中最常見的問題界位測量中最常見的問題 是界面位置不明顯，渾濁是界面位置不明顯，渾濁 段的存在也影響段的存在也影響 測準(zhǔn)。測準(zhǔn)。物位測量儀表的分類物位測量儀表的分類 按其工作原理可分為以下幾種：按其工作原理可分為以下幾種： 電容式：電容式：物位測量儀表物位測量儀表超聲波：超聲波：式物位測量儀表式物位測量儀表雷達(dá)波：雷達(dá)波：式物位測量儀表式物位測量儀表射頻導(dǎo)納：射頻導(dǎo)納：料位測量儀表料位測量儀表電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)電容物位計(jì)：電容物位計(jì)：將將物位物位的變化轉(zhuǎn)換成的變化轉(zhuǎn)換成

5、電容量電容量的變的變 化來進(jìn)行物位測量的儀表?；瘉磉M(jìn)行物位測量的儀表。 組成：組成：傳感器、電容檢測兩大部分。傳感器、電容檢測兩大部分。 電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)適用于適用于各種各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體體的液位或粉狀料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示的液位或粉狀料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示，也可以和電動(dòng)單元組合儀表配套使用，以實(shí)，也可以和電動(dòng)單元組合儀表配套使用，以實(shí)現(xiàn)液位或料位的自動(dòng)記錄、控制和調(diào)節(jié)。由于現(xiàn)液位或料位的自動(dòng)記錄、控制和調(diào)節(jié)。由于它的結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動(dòng)部分，因此應(yīng)用范圍它的結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動(dòng)部分，因此應(yīng)用范圍較廣。較廣。電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 兩個(gè)同軸圓筒電極組成

6、兩個(gè)同軸圓筒電極組成 的電容器。的電容器。導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)當(dāng)液位高度為當(dāng)液位高度為0 0時(shí)，傳感器電容量時(shí)，傳感器電容量C0C0為為電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)原理：原理：基于圓筒形電容器的基于圓筒形電容器的電電 容值隨物位而變化。容值隨物位而變化。當(dāng)液位變化，園筒形電極一部份被物當(dāng)液位變化，園筒形電極一部份被物料浸沒，浸沒深度料浸沒，浸沒深度H H， 極板間存在兩極板間存在兩種介質(zhì)的介電常數(shù)種介質(zhì)的介電常數(shù)1 (1 (原設(shè)有中間介原設(shè)有中間介質(zhì)介電常數(shù)質(zhì)介電常數(shù)) )、2 (2 (被測物料的介電被測物料的介電常數(shù)常數(shù)) ,)

7、 ,將引起電容量的變化將引起電容量的變化CHCH。電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)2lndDCH導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)液位由液位由0 0增加到增加到H H，傳感器電容變化量，傳感器電容變化量C C為：為：D0DD0D，且，且00dDHdDHdDHCln2ln2ln200電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)絕緣套管的介電常數(shù)常數(shù)被測液位上方空氣介電為容器內(nèi)徑設(shè)21iR電容導(dǎo)電液和內(nèi)電極構(gòu)成的電容容器和絕緣套管構(gòu)成的極構(gòu)成的電容絕緣套管外表面和內(nèi)電)/ln(2)/ln()(2)/ln()(222121211rRHCRRHLCrR

8、HLCi導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)實(shí)現(xiàn)形式：實(shí)現(xiàn)形式：測量導(dǎo)電液體液位時(shí)：測量導(dǎo)電液體液位時(shí)： 等效電路如圖。等效電路如圖。c11c12c2111212,CCRRi且電容式物位計(jì)電容式物位計(jì))/ln(2)/ln(2)/ln(2211221rRHRRHRRLCCCii總電容rRRRi，12導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)實(shí)現(xiàn)形式：實(shí)現(xiàn)形式：測量導(dǎo)電液體液位時(shí)：測量導(dǎo)電液體液位時(shí)： 等效電路如圖。等效電路如圖。c11c12c2加隨液位的升高而線性增電容增量總電容kHCCkHCrRHRRLCi0021C)/ln(2)/ln(2電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)檢測電路：檢測電路：

9、電容式物位計(jì)主要由電極（敏感元件）和電容檢測電路電容式物位計(jì)主要由電極（敏感元件）和電容檢測電路組成，由于電容變化量小，因此準(zhǔn)確檢測電容量是物位檢組成，由于電容變化量小，因此準(zhǔn)確檢測電容量是物位檢測的關(guān)鍵。測的關(guān)鍵。常見的電容檢測方法有交流電橋法、充放電法、諧振電常見的電容檢測方法有交流電橋法、充放電法、諧振電路法?？梢暂敵鰳?biāo)準(zhǔn)電流信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。路法?？梢暂敵鰳?biāo)準(zhǔn)電流信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。注意：注意：電容量的檢測一般須用交流電源，電源頻率高，有利于電容量的檢測一般須用交流電源，電源頻率高，有利于比較容抗間的差別，但若頻率過高，寄生電容影響大，反比較容抗間的差別，但若頻率過高，寄生電容影

10、響大，反而不利于檢測。而不利于檢測。以單臂橋式電路為例：以單臂橋式電路為例：導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)CUCKCCCCCUCCCjCjUCjCjCjUCjUCCCCCCCxxxx則電橋平衡，輸出電壓時(shí)，有為電容檢測元件，設(shè)當(dāng)03212332120 x0231x0111111導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)檢測電路：檢測電路：如圖：如圖：C1C2C3Cxuo交 流為常數(shù)時(shí)，當(dāng)電容增量說明：K)(K0032120 xxxxCCCCCCCCCCC電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)特點(diǎn)特點(diǎn)電容式物位計(jì)一般不受真空、

11、壓力、溫度電容式物位計(jì)一般不受真空、壓力、溫度等環(huán)境條件的影響；安裝方便，結(jié)構(gòu)牢固，易等環(huán)境條件的影響；安裝方便，結(jié)構(gòu)牢固，易維修；價(jià)格較低。維修；價(jià)格較低。但是不適合于以下介質(zhì)：如介質(zhì)的介電常但是不適合于以下介質(zhì)：如介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度等影響而變化、介質(zhì)在電極上有沉積數(shù)隨溫度等影響而變化、介質(zhì)在電極上有沉積或附著、介質(zhì)中有氣泡產(chǎn)生等情況。或附著、介質(zhì)中有氣泡產(chǎn)生等情況。電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)非導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)非導(dǎo)電介質(zhì)用電容式物位計(jì)HKdDHCCCi00)/ln()( 2若被測介質(zhì)是粘性非導(dǎo)電若被測介質(zhì)是粘性非導(dǎo)電液體，其測量結(jié)果也會(huì)受液體，其測量結(jié)果也會(huì)受到到虛假液位虛假液位的影響

12、，但一的影響，但一般很小，可以般很小，可以忽略忽略。電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)固體物料用電容式物位計(jì)固體物料用電容式物位計(jì)因?yàn)楣腆w摩擦較大，容易因?yàn)楣腆w摩擦較大，容易“滯留滯留”，所以一般不用雙，所以一般不用雙層式電極。對于非導(dǎo)電固體料位，可采用以層式電極。對于非導(dǎo)電固體料位，可采用以電極棒電極棒和和容器壁容器壁為兩電極、以被測物料作為電介質(zhì)的電容器來為兩電極、以被測物料作為電介質(zhì)的電容器來測量。如果容器為圓筒形，電容變化量為測量。如果容器為圓筒形，電容變化量為 對于像鋼筋水泥料倉的料位測量，用對于像鋼筋水泥料倉的料位測量，用鋼絲繩鋼絲繩及及倉庫鋼筋倉庫鋼筋作為容器的兩極，以測量非導(dǎo)電物料的料位

13、作為容器的兩極，以測量非導(dǎo)電物料的料位。鋼絲繩對地及鋼筋用絕緣材料加以絕緣。鋼絲繩對地及鋼筋用絕緣材料加以絕緣。HKdDHCCCi00)/ln()( 2電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)固體物料用電容式物位計(jì)固體物料用電容式物位計(jì)在使用時(shí)主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在使用時(shí)主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：電極必須垂直安裝，安裝前要校直。電極必須垂直安裝，安裝前要校直。注意不要把電極安裝在管口、孔、凹坑等里面，以防注意不要把電極安裝在管口、孔、凹坑等里面，以防止介質(zhì)停留而造成誤動(dòng)作。止介質(zhì)停留而造成誤動(dòng)作。儀表的同軸電纜芯線不允許進(jìn)水，必須嚴(yán)格予以注意儀表的同軸電纜芯線不允許進(jìn)水，必須嚴(yán)格予以注意。同軸電纜不許切斷或加長，因

14、為在校驗(yàn)中已計(jì)入初始同軸電纜不許切斷或加長，因?yàn)樵谛ｒ?yàn)中已計(jì)入初始電容量，否則將影響零點(diǎn)和整個(gè)線性。電容量，否則將影響零點(diǎn)和整個(gè)線性。當(dāng)被測介質(zhì)改變后，需重新調(diào)整儀表。當(dāng)被測介質(zhì)改變后，需重新調(diào)整儀表。當(dāng)周圍溫度與調(diào)整時(shí)的溫度偏離過大時(shí)，則必須重新當(dāng)周圍溫度與調(diào)整時(shí)的溫度偏離過大時(shí)，則必須重新調(diào)整儀表。調(diào)整儀表。電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)1ggZRj C掛料的等效阻抗為：掛料的等效阻抗為：通過分析傳輸電流的波動(dòng)方程，通過分析傳輸電流的波動(dòng)方程，得（得（射頻導(dǎo)納定理射頻導(dǎo)納定理）：）：ggCR1電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)ggCR1當(dāng)：當(dāng)：進(jìn)行測量。進(jìn)行測量。),.2 , 1(

15、24nkkt聲波遇到兩相界面時(shí)會(huì)聲波遇到兩相界面時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)生反射反射高出最高高出最高液位液位氣介聲速氣介聲速測量盲區(qū)約測量盲區(qū)約1m1m v v（P,TP,T）eg.eg.空氣空氣 V0 = 331 m/sV0 = 331 m/s；V100 = 387 m/sV100 = 387 m/s帶有聲速校正桿的超聲波液位計(jì)帶有聲速校正桿的超聲波液位計(jì) 00tthh vth002vth2tt0hh0 發(fā)射接收高頻電磁波，原理類似于超聲液位發(fā)射接收高頻電磁波，原理類似于超聲液位計(jì)。計(jì)。電磁波電磁波，波速與空氣溫度、濕度等無關(guān)波速與空氣溫度、濕度等無關(guān)。H HH H導(dǎo)導(dǎo)波波管管vtH21雷達(dá)液位計(jì)雷達(dá)液位計(jì)

16、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)德國德國E+H FMR230 雷達(dá)液位計(jì)雷達(dá)液位計(jì)用于液體、顆粒及漿料物位的用于液體、顆粒及漿料物位的連續(xù)非接觸測量連續(xù)非接觸測量。測量不受介質(zhì)變化、溫度變化、測量不受介質(zhì)變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽的影響；惰性氣體及蒸汽的影響；喇叭式天線喇叭式天線，頻率，頻率6 GHz；量程量程20 m，精度，精度3mm；兩線制，兩線制，HART協(xié)議；協(xié)議；西門子西門子SITRANS LR400 雷達(dá)液位計(jì)雷達(dá)液位計(jì)適于測量高粉塵固體物料適于測量高粉塵固體物料和低介電常數(shù)液體物位。和低介電常數(shù)液體物位。連續(xù)波調(diào)頻工作方式連續(xù)波調(diào)頻工作方式；工作頻率工作頻率24 GHz；量程量程

17、50 m，精度，精度60 mm；兩線制，兩線制，HART協(xié)議；協(xié)議；現(xiàn)場本安型的紅外手持編程器對儀表進(jìn)行編程?，F(xiàn)場本安型的紅外手持編程器對儀表進(jìn)行編程。德國科隆德國科隆(KROHNE) BM70P 雷達(dá)液位計(jì)雷達(dá)液位計(jì)液體和液化氣的液位測量。液體和液化氣的液位測量。工作頻率工作頻率8.99.9 GHz；量程量程35 m；精度精度: 110 m時(shí)，時(shí)，1mm 10 m時(shí)，時(shí)，0.01% 示值誤差示值誤差具有改進(jìn)信噪比的微波窗，具有改進(jìn)信噪比的微波窗，高靈敏性高靈敏性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá) 140 dB 。t t發(fā)射脈沖發(fā)射脈沖接收脈沖接收脈沖計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)時(shí)鐘N個(gè)N個(gè)若計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為若計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率

18、為f，從發(fā)射脈沖瞬間觸發(fā)計(jì)數(shù)到接，從發(fā)射脈沖瞬間觸發(fā)計(jì)數(shù)到接收脈沖瞬間停止計(jì)數(shù)，共有收脈沖瞬間停止計(jì)數(shù)，共有N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則傳播時(shí)間則傳播時(shí)間t為為fNt vtH21vtH21由由得得fvtvH22其中其中 t t計(jì)數(shù)脈沖周期計(jì)數(shù)脈沖周期 f f計(jì)數(shù)脈沖頻率計(jì)數(shù)脈沖頻率 H H液位分辨率液位分辨率電磁波速度（即光速）電磁波速度（即光速） m/s， H1.5 mm 計(jì)數(shù)脈沖頻率計(jì)數(shù)脈沖頻率為為8103vGHzHzf1001011psst101011而當(dāng)前集成電路的運(yùn)算速度為幾十而當(dāng)前集成電路的運(yùn)算速度為幾十MHz，相差，相差幾個(gè)數(shù)量級，幾個(gè)數(shù)量級，必須另尋出路必須另尋出路！ 被測信號

19、是周期為被測信號是周期為T的的周期性信號周期性信號，采樣周期采樣周期為為T+t，每周期只采一個(gè)，每周期只采一個(gè)瞬時(shí)值，瞬時(shí)值，等效采樣周期等效采樣周期為為t。周期性重復(fù)的高頻信號周期性重復(fù)的高頻信號均可采用此方法，降低采樣頻均可采用此方法，降低采樣頻率。率。原理原理等效時(shí)間采樣法在時(shí)間量檢測中的應(yīng)用等效時(shí)間采樣法在時(shí)間量檢測中的應(yīng)用t（最小分辨時(shí)間）為（最小分辨時(shí)間）為發(fā)射發(fā)射與與采樣信號采樣信號周期差值，又稱周期差值，又稱等效采樣周期，只要滿足兩信號周期之差為等效采樣周期，只要滿足兩信號周期之差為t10ps。舉例：舉例：發(fā)射時(shí)鐘發(fā)射時(shí)鐘628.0000008 10fMHzHz2125000T

20、ps采樣時(shí)鐘采樣時(shí)鐘618.0001568.000156 10fMHzHz相應(yīng)的，相應(yīng)的，1124997.6Tps0212.4tTTps前已述，分辨前已述，分辨H=1.5mm液位，等效采樣周期液位，等效采樣周期t10ps故，若實(shí)測距離故，若實(shí)測距離 hD6.182m第第n個(gè)采樣脈沖可測到反射波，求個(gè)采樣脈沖可測到反射波，求n？pstt6 . 940pst6 . 9mhD182. 6psvhtDD3 .41213103182. 6228tntD05.42936 . 93 .41213ttnD若取若取n=4294，則發(fā)射接收，則發(fā)射接收4294次完成測量，次完成測量，用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)n，即

21、可測出，即可測出tD，進(jìn)而求出，進(jìn)而求出hD。mspst16. 242944125000需時(shí)需時(shí)2125000Tps1124997.6Tps驗(yàn)驗(yàn) 算算n=4293n=4293n=4294n=4294mvth9118. 6106 . 942931032121128mvth4318. 6106 . 942941032121128今測得今測得n=23654,n=23654,求求h:h:mvth062.34106 . 9236541032121128連續(xù)波調(diào)頻法連續(xù)波調(diào)頻法調(diào)頻連續(xù)波調(diào)頻連續(xù)波接收到的信號接收到的信號頻率與發(fā)出的頻率與發(fā)出的信號頻率之差信號頻率之差stssTBkktkffTtT2212

22、10：調(diào)制斜率時(shí)當(dāng)stssTBkktkffTtT221210：調(diào)制斜率時(shí)當(dāng)stssTBkktkffTtT221210：調(diào)制斜率時(shí)當(dāng)Rvth21kftdRtfrf時(shí)間差時(shí)間差RtdfdsSdRfBvTTBfvtvh422121液位高度液位高度stssTBkktkffTtT221210：調(diào)制斜率時(shí)當(dāng)連續(xù)波調(diào)頻法連續(xù)波調(diào)頻法ftfrf射頻導(dǎo)納式物位計(jì)射頻導(dǎo)納式物位計(jì) 射頻導(dǎo)納料位計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分為主電極和補(bǔ)償電射頻導(dǎo)納料位計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分為主電極和補(bǔ)償電極兩部分。在主電極與補(bǔ)償電極間分別施加一組極兩部分。在主電極與補(bǔ)償電極間分別施加一組RFRF射射頻信號，因而具有很好的抗粘料、掛料特性，是取代頻信號，因而具有很好的抗粘料、掛料特性，是取代電容料位開關(guān)的新型物電容料位開關(guān)的新