遼寧石油化工大學(xué)化工自動(dòng)化及儀表第8章 物位檢測及儀表

1、第第8章章 物位檢測及儀表物位檢測及儀表8.1 物位的定義及物位檢測儀表的分類物位的定義及物位檢測儀表的分類8.2 常用物位檢測儀表常用物位檢測儀表8.3 影響物位測量的因素影響物位測量的因素8.4 物位檢測儀表的選型物位檢測儀表的選型8.1 物位的定義及物位檢測儀表的分類物位的定義及物位檢測儀表的分類8.1.1 物位的定義物位物位通指設(shè)備和容器中液體或固體物料的表面位置。對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的物料又有以下定義。（1） 液位液位 指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。（2） 料位料位 指設(shè)備和容器中所儲(chǔ)存的塊狀、顆?；蚍勰罟?體物料的堆積高度。（3） 界位界位 指相界面位置。容器中兩種互不相容的液體，因

2、 其重度不同而形成分界面，為液-液相界面；容器中互 不相溶的液體和固體之間的分界面，為液-固相界面； 液-液、液-固相界面的位置簡稱界位。物位物位是液位、料位、界位的總稱。對(duì)物位進(jìn)行測量、指示和控制的儀表，稱物位檢測儀表。8.1.2 物位檢測儀表的分類（1） 直讀式物位檢測儀表直讀式物位檢測儀表 采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。（2） 靜壓式物位檢測儀表靜壓式物位檢測儀表 基于流體靜力學(xué)原理，適用于液位檢測。（3） 浮力式物位檢測儀表浮力式物位檢測儀表 其工作原理基于阿基米德定律，適用于液位檢測。（4） 機(jī)械接觸式物位檢測儀表機(jī)械接觸式物位檢測儀表 通過測量物位探頭與物料

3、面接觸時(shí)的機(jī)械力實(shí)現(xiàn)物位的測量。（5） 電氣式物位檢測儀表電氣式物位檢測儀表 將電氣式物位敏感元件置于被測介質(zhì)中，當(dāng)物位變化時(shí)其電氣參數(shù)如電阻、電容等也將改變，通過檢測這些電量的變化可知物位。（6） 其他物位檢測方法其他物位檢測方法如聲學(xué)式、射線式、光纖式儀表等。8.2 常用物位檢測儀表常用物位檢測儀表靜壓式物位檢測儀表浮力式物位檢測儀表其他物位檢測儀表8.2.1 靜壓式物位檢測儀表靜壓式檢測方法的測量原理如圖8-1Hapbp圖8-1 靜壓式液位計(jì)原理圖設(shè)容器上部空間的氣體壓力為 ap選定的零液位處壓力為 bp則自零液位至液面的液柱高H ，所產(chǎn)生的靜壓差 p可表示為：gHpppab當(dāng)被測介質(zhì)密

4、度不變時(shí)，測量差壓值P或液位零點(diǎn)位置的壓力Pb，即可以得知液位。（8-1）1.壓力和差壓式液位計(jì) 圖8-3 壓力計(jì)式液位計(jì)示意圖圖8-2 差壓式液位計(jì)示意圖氣p將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相ppgHpp21因此gHppp21當(dāng)被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時(shí)，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號(hào)，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖8-3所示。1) 零點(diǎn)遷移問題 在使用差壓變送器測液位時(shí)，一般來說，這就屬于一般的零點(diǎn)“無遷移”情況，當(dāng)H=0時(shí)，作用在正負(fù)壓室的壓力相等。 同時(shí)改變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。gHp（1）負(fù)遷移 在實(shí)際液

5、位測量時(shí)，液位H與壓差P的關(guān)系不那么簡單。如圖8-4所示，為防止容器內(nèi)液體或氣體進(jìn)入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保持負(fù)壓室的液柱高度恒定，在差壓變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間安裝有隔離灌，并充有隔離液。若被測介質(zhì)密度為1，隔離液密度為2 0112pgHghp022pghp(8-2)(8-3)BgHghhgHppp12121)(8-4)0H0)(212ghhp，有零點(diǎn)遷移，且屬于“負(fù)遷移”。1hH0p122pp2h圖8-4 負(fù)遷移測量液位原理圖0pgHghp0pp CgHghgHppp （8-5） 由此可得正、負(fù)壓室的壓差為： （8-7）（8-6）當(dāng)H=0時(shí)，P=+C，即正壓室多了一項(xiàng)附加壓力C

6、，這時(shí)變送器輸出應(yīng)為4mA。畫出此時(shí)變送器輸出和輸入壓差之間的關(guān)系，就如同圖8-6曲線c所示。 （2）正遷移由于工作條件不同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)正遷移的情況，如圖8-5所示。由圖可知： 圖8-5 正遷移示意圖420mAI /pH0abcCB圖8-6差壓變送器的正負(fù)遷移示意圖2）用法蘭取壓式差壓變送器測量液位 為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變隔離膜盒的法蘭式差壓變送器送器，如圖8-7所示。作為敏感元件的測壓頭1（金屬膜盒），經(jīng)毛細(xì)管2與變送器3的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室所圖8-7 法蘭式

7、液位計(jì)示意圖 1-法蘭測壓頭；2-毛細(xì)管；3-變送器組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器，以免堵塞。 法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式的不同又分為單法蘭式及雙法蘭式兩種。容器與變送器間只需一個(gè)法蘭將管路接通的稱為單法蘭差壓變送器，而對(duì)于上端和大氣隔絕的閉口容器，因上部空間與大氣壓力多半不等，必須采用兩個(gè)法蘭分別將液相和氣相壓力導(dǎo)致差壓變送器，如圖8-7所示，這就是雙法蘭差壓變送器。 8.2.2 浮力式物位檢測儀表1. 浮子式液位計(jì) 浮子式液位計(jì)是一種恒浮力式液位計(jì)。作為檢測元件的浮子漂浮在液面上，浮子隨著液面的變化而上下移動(dòng)，其所受浮力的大小保持一定，檢測浮子所

8、在位置可知液面高低。浮子的形狀常見有圓盤形、圓柱形和球形等，其結(jié)構(gòu)要根據(jù)使用條件和使用要求來設(shè)計(jì)。 24DFhg （8-8） 此浮力與浮子的重量減去繩帶向上的拉力相平衡。當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，浮子浸入液體的深度將改變，所受浮力亦變化。浮力變化F與液位變化H的關(guān)系可表示為： 42DgHF （8-9）圖8-8浮子重錘液位計(jì) 1-浮子；2-滑輪；3-平衡重錘 重錘式直讀浮子液位計(jì)浮子通過滑輪和繩帶與平衡重錘連接，繩帶的拉力與浮子的重量及浮力相平衡，以維持浮子處于平衡狀態(tài)而漂在液面上，平衡重錘位置即反映浮子的位置，從而測知液位。若圓柱形浮子的外直徑為D、浮子浸入液體的高度為h、液體密度為。則其所受浮力F為

9、：由于液體的黏性及傳動(dòng)系統(tǒng)存在摩擦等阻力，液位變化只有達(dá)到一定值時(shí)浮子才能動(dòng)作。按式(8-9)，若F等于系統(tǒng)的摩擦力，則式(8-9)給出了液位計(jì)的不靈敏區(qū)，此時(shí)的F為浮子開始移動(dòng)時(shí)的浮力。選擇合適的浮子直徑及減少摩擦阻力，可以改善液位計(jì)的靈敏度。 8.2.3 其他物位檢測儀表1. 電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)的工作原理工作原理基于圓筒形電容器的電容值隨物位而變化。 這種物位計(jì)的檢測元件是兩個(gè)同軸圓筒電極組成的電容器，見圖8-9(a)，其電容量為： )d/Dln(L2C10 （8-12） 圖8-9 電容器的組成1內(nèi)電極；2外電極（8-10） (a) (b)圖8-10 電容式物位計(jì)的測量原理圖)/ln

10、()(2)/ln(212dDHLdDHC （8-11）則電容量的變化C為：KHHdDCCC)/ln()(2120 (8-12)測量電容變化量即可得知物位。當(dāng)圓筒形電極的一部分被物料浸沒時(shí)，極板間存在的兩種介質(zhì)的介電常數(shù)將引起電容量的變化。設(shè)原有中間介質(zhì)的介電常數(shù)為1，被測物料的介電常數(shù)為2，電極被浸沒深度為H，如圖8-10（b）所示，則電容變化為：圖8-11 非導(dǎo)電液體液位測量 1-內(nèi)電極；2-外電極；3-絕緣套圖8-12 非導(dǎo)電固體料位測量 1-金屬棒內(nèi)電極；2-金屬容器外電極用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大，容易“滯留”，可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測

11、量非導(dǎo)電固體料位。圖圖8-12所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。電容量變化與料位升降的關(guān)系為電容量變化與料位升降的關(guān)系為dDHCXln20（8-13）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，易維修；價(jià)格較低。如介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度等影響而變化、介質(zhì)在電極上有沉積或附著、介質(zhì)中有氣泡產(chǎn)生等2. 核輻射式物位計(jì) 核輻射式物位計(jì)核輻射式物位計(jì)是利用放射源產(chǎn)生的核輻射線（通常為射線）穿過一定厚度的被測介質(zhì)時(shí)，射線的投射強(qiáng)度將隨介質(zhì)厚度的增加而呈指數(shù)規(guī)律衰減的原理來測量物位的。射線強(qiáng)度的變化規(guī)律為：HeII0（8-14）圖8-13核輻射物位 計(jì)測量示意圖 1-射線源；2-接收器適用于高溫、高壓容器、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)的物位測量，還可以測量高溫融熔金屬的液位。 可在高溫、煙霧等環(huán)境下工作。 但由于放射線對(duì)人體有害，使用范圍受到一些限制。稱重式液罐計(jì)量儀稱重式液罐計(jì)量儀該計(jì)量儀既能將該計(jì)量儀既能將，又能反映出罐中，又能反映出罐中。圖8-14 稱重式液罐計(jì)量儀1下波紋管；2上波紋管；