HG第三章檢測儀表與傳感器(物位檢測)

1、1第四節(jié)第四節(jié) 物位檢測及儀表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)的需要或進行經(jīng)濟核算；進行經(jīng)濟核算； 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)；圍內(nèi)； 對它的上下極限位置進行報警，以保證生產(chǎn)安全、對它的上下極限位置進行報警，以保證生產(chǎn)安全、正常進行。正常進行。2常用常用測物位測物位原理和儀表原理和儀表v直讀式：玻璃管液位計v應(yīng)用浮力原理

2、測量物位：浮力式（恒浮力、變浮力）v應(yīng)用靜壓原理測量物位（差壓式液位變送器差壓式液位變送器）v應(yīng)用電容原理測量物位：電容式v放射性同位素法（核幅射核幅射式）v超聲波式（應(yīng)用超聲波反射檢測物位）3一、一、直讀式直讀式物位儀表物位儀表玻璃管液位計玻璃管液位計是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器連通器的的原理原理，將容器中的液體引入帶有標尺標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。4二、浮力式物位儀表二、浮力式物位儀表分：恒浮力（分：恒浮力（浮子浮子）和變浮力（沉筒）和變浮力（沉筒）恒浮力法液位測量示意圖恒浮力法液位測量示意圖 恒浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成

3、空心剛體，使它在平衡時能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時，浮子就會跟隨液面上下跟隨液面上下移動移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。例：例：鋼帶浮子鋼帶浮子式液位計式液位計這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。52. 浮筒式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。浮筒式液位計原理如圖所示。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器 。6浮筒式浮筒式液位計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：GgAHkx式中 k彈簧剛度(Nm)； x

4、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，既可就地指示就地指示，也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進行遠傳遠傳控制。7三、三、差壓式液位變送器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行測量。通過液柱靜壓的方法對液位進行測量。敞口容器敞口容器：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，便可推知液位的高度 。壓力表測量液位原理gHP式中式中 ：PP測壓儀表指示值測壓儀表指示

5、值 ；HH液位的高度；液位的高度； 液體的密度；液體的密度；gg重力加速度。重力加速度。其關(guān)系為：其關(guān)系為：81、工作原理（續(xù)）密閉容器密閉容器：P P+ +: :正壓室壓力；正壓室壓力；P P- -: :負壓室壓力；負壓室壓力；H P+P-P壓力或差壓壓力或差壓與與液位液位成成比例關(guān)系比例關(guān)系，可以用壓力表按液位直接直接進行刻度。H=0時，P0;在實際應(yīng)用中，較復(fù)雜。gHPPPP gHPP92、差壓式變送器測液位時的差壓式變送器測液位時的零點遷移問題零點遷移問題當(dāng)H=0時，P0，經(jīng)常難以滿足。安裝位置安裝位置條件的不同，條件的不同，使儀表存在著零點遷移使儀表存在著零點遷移問題。問題。先看：無

6、遷移情況先看：無遷移情況H P1P2P特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位（Hmin=0Hmin=0）處于同一水平位置。作用于變送器正、負壓室）處于同一水平位置。作用于變送器正、負壓室的差壓的差壓PP與液位高度與液位高度H H的關(guān)系為的關(guān)系為P=HgP=Hg。當(dāng)當(dāng)H =0H =0時，正負壓室的差壓時，正負壓室的差壓P=0P=0，變送，變送 器輸出信號為器輸出信號為4mA4mA當(dāng)當(dāng)H= HmaxH= Hmax時，差壓時，差壓Pmax=gHmaxPmax=gHmax， 變送器的輸出信號為變送器的輸出信號為20 mA20 mA，10負遷

7、移負遷移差壓變送器的正、負壓室的壓力分別為差壓變送器的正、負壓室的壓力分別為ghgHPP211氣ghPP22氣正、負壓室的壓差為正、負壓室的壓差為ghhgHPPP2121)(當(dāng)被測液位當(dāng)被測液位H=0H=0時，時，P= -P= -（h h2 2-h-h1 1）2 2g g 0 0，使變送器在，使變送器在H=0H=0時輸出電流小于時輸出電流小于4 mA4 mA；H=HmaxH=Hmax時，輸出電流小于時，輸出電流小于20 mA20 mA。因此必須調(diào)整變送器的零點，使得：因此必須調(diào)整變送器的零點，使得：H=0H=0時，輸出電流等于時，輸出電流等于4 4 mAmA；Hmax=0Hmax=0時，輸出電

8、流等于時，輸出電流等于20 mA20 mA。11負遷移（續(xù)）負遷移（續(xù)）當(dāng)被測液位當(dāng)被測液位H=0H=0時，時，P= -P= -（h h2 2- -h h1 1）2 2g g 0g 0，從而使變送器在，從而使變送器在H=0H=0時時輸出電流大于輸出電流大于4 mA4 mA；H=HmaxH=Hmax時，輸出電流大于時，輸出電流大于20 mA20 mA。因此必須調(diào)整變送器的零點因此必須調(diào)整變送器的零點13正、負遷移示意圖正、負遷移示意圖0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)某壓力變送器的測量范圍：05000Pa，固定差壓：ghh212)(=2000Pa14四、四

9、、 電容式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格，可測量：導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)。1、測量原理測量原理152、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：dDLCln2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

10、理。圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極 。163、測量非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計結(jié)構(gòu)：同軸雙層電極。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。dDLCln200液位為0時：0空氣介質(zhì)介電常數(shù)。17電容量的電容量的變化變化與與液位液位的關(guān)系的關(guān)系dDLCln200液位為0時：0空氣介質(zhì)介電常數(shù)。液位上升為H時：dDHdDHLCln2ln)(20電容量的變化：HKdDHCCCiln)(200Ki ：比例系數(shù)。靈敏度分析。184、測量測量導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計的單電極電容液位計在具體測量時。電容式液

11、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，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。1-內(nèi)電極；2-絕緣套19五、核幅射核幅射式物位儀表1、工作原理工作原理：不同物質(zhì)對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，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)的射線強度I與入射強度I0之間有如下關(guān)系：HeII0式中 吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為：IIHlnln10因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。202

12、、核幅射核幅射式物位儀表的組成核幅射式液位計由輻射源輻射源、接收器接收器和和測量儀表測量儀表組成。q輻射源輻射源一般用鈷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)上只能允許射線經(jīng)鉛室的一個小孔或窄縫透出。 q接收器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，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。21核幅射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)為長長輻射源和輻射源和長長接收

13、器接收器形式，輸出線性度好； (b) 為點點輻射源和輻射源和點點接收器接收器形式，輸出線性度較差。核輻射式液位計1-放射源； 2-接收器223、核幅射、核幅射式物位儀表的特點輻射式液位計既可進行連續(xù)測量，也可進行定點發(fā)送信號和進行控制；射線不受溫度、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，因此能實現(xiàn)完全非接觸測量完全非接觸測量。這些特點使得輻射式液位計適合于特殊場合特殊場合或惡劣環(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控制劑量，作好防護作好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害 。2

14、3六、超聲波超聲波物位儀表物位儀表 1、測量原理測量原理：根據(jù)超聲波從發(fā)射發(fā)射到到接收接收反射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，實現(xiàn)物位測量的。據(jù)傳聲介質(zhì)的不同有：據(jù)傳聲介質(zhì)的不同有：液介式液介式、氣介式、固介式三種。、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。vtH21V V-傳播速度；H H -從探頭至界面的距離；t t -從探頭發(fā)射至液面反射回來的時間。超生波的發(fā)射發(fā)射和接受接受：換能器換能器。核心核心是壓電片壓電片（壓電晶體壓電晶體），壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，

15、242、超聲波超聲波的特點的特點一般需要對聲速v進行溫度補償q聲波在介質(zhì)中傳播會衰減衰減：氣體最大，液體次之，固體最小。傳播距離。q聲波傳播的方向性：頻率越高方向性越好，超聲波可近似認為是直線傳播。q聲波從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)傳播時的反射反射：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。q聲速聲速：常溫下，空氣中，334m/s；水中，1440m/s；鋼鐵，5000m/s。聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)介質(zhì)有關(guān)而且與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)。253、聲速的補償、聲速的補償（1）vtH21一般需要對速度v進行補償，方法有：時間t可以測的很準。1) 溫度補償溫度補償：

16、測出溫度，根據(jù)聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系進行補償。例如：對于空氣，Tv067.20多數(shù)液體和固體溫度升高，聲速降低。2) 設(shè)置校正具設(shè)置校正具L0校正探頭反射板測量探頭放入被測放入被測介質(zhì)中介質(zhì)中0002tLv（2）由（由（1）、（）、（2）式）式，得：得：ttLH00（3）26一種具有一種具有聲速聲速溫度補償溫度補償功能的功能的物位計物位計 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，實現(xiàn)液位測量的。大小與被測介質(zhì)高度成比例關(guān)系的原理，實現(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。組成。超聲波物位計的原理超