化工儀表自動化【第三章】物位檢測及儀表(液位計、料位計、界面計)

1、化工儀表自動化化工儀表自動化（Instruments & Automatics of Chemical Engineering）第三章第三章 檢測儀表及傳感器檢測儀表及傳感器主講人：孫行衍主講人：孫行衍第三章第三章 檢測儀表及傳感器檢測儀表及傳感器3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表圖1 火電廠生產流程空氣給水泵去煙囪凝汽器空預器空氣空氣燃料汽包省煤器再熱器過熱器水冷壁汽輪機鍋爐灰斗發(fā)電機鍋爐水循環(huán)效果變差水冷壁超溫被燒壞爆管水位過低水位過低3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表一、概述一、概述1.物位儀表分類物位儀表分類物

2、位儀表物位儀表液位計液位計料位計料位計界面計界面計3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表2.2.物位測量的目的物位測量的目的（1 1）獲得容器內物質的體積或質量；）獲得容器內物質的體積或質量；（2 2）監(jiān)視）監(jiān)視/ /控制容器內介質物位，滿足工藝要求；控制容器內介質物位，滿足工藝要求；（3 3）對容器內介質物位的上下限位置報警；）對容器內介質物位的上下限位置報警；（4 4）監(jiān)視）監(jiān)視/ /調節(jié)容器中出入物料的平衡。調節(jié)容器中出入物料的平衡。物位測量的物位測量的絕對值絕對值物位測量的物位測量的相對值相對值3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表2.2.按按工作原理劃分工作原理劃分的物位儀表類型的物位儀

3、表類型（1 1）直讀式直讀式利用連通器原理工作利用連通器原理工作 ；3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（2 2）差壓式差壓式利用液柱或物料堆積對某定點產生利用液柱或物料堆積對某定點產生壓力的原理工作壓力的原理工作；3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（3 3）浮力式浮力式利用浮子高度隨液位變化而改變的利用浮子高度隨液位變化而改變的原理工作原理工作； 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（4 4）電磁式電磁式使物位的變化轉換為一些電量的變使物位的變化轉換為一些電量的變化，通過測量這些電量的變化間接的測知物位化，通過測量這些電量的變化間接的測知物位；3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（5 5）

4、輻射式輻射式利用輻射透過物料強度發(fā)生變化的利用輻射透過物料強度發(fā)生變化的原理；原理； 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（6 6）聲波式聲波式是利用聲波的聲阻抗、聲遮斷、聲是利用聲波的聲阻抗、聲遮斷、聲反射距離差異進行測量反射距離差異進行測量；3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（7 7）光學式光學式利用物位對光波的遮斷和反射原理利用物位對光波的遮斷和反射原理工作。工作。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表二二.差壓式液位變送器差壓式液位變送器容器內容器內液位液位改變時，由液柱產生的改變時，由液柱產生的靜壓力靜壓力也發(fā)生也發(fā)生相應變化。相應變化。根據流體力學的原理：根據流體力學的原理： PP

5、P PB BP PA AH Hg g 式中：式中：PAPA、B B兩點的差壓；兩點的差壓； HH液位高度；液位高度； 介質密度；介質密度； gg重力加速度。重力加速度。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表 帕斯卡用一個密閉的裝滿水的桶帕斯卡用一個密閉的裝滿水的桶，在桶蓋上插入一根細長的管子，在桶蓋上插入一根細長的管子，從樓房的陽臺上向細管子里灌，從樓房的陽臺上向細管子里灌水。結果只用了一杯水，就把桶水。結果只用了一杯水，就把桶壓裂了，桶里的水就從裂縫中流壓裂了，桶里的水就從裂縫中流了出來。了出來。 帕斯卡帕斯卡“桶裂桶裂”實驗很好地證實驗很好地證明了明了液體壓強液體壓強與與液體的深度有關液體的

6、深度有關,而與液體的重力無關。而與液體的重力無關。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表當測量敞口容器的液位如下圖所示，差壓變當測量敞口容器的液位如下圖所示，差壓變送器的負壓通大氣即可，這時作用在正壓室的壓送器的負壓通大氣即可，這時作用在正壓室的壓力就是力就是液位高度液位高度所產生的靜壓力所產生的靜壓力HgHg。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表當測量受壓容器的液位如下圖所示，將差壓當測量受壓容器的液位如下圖所示，將差壓變送器的負壓室與容器的氣相空間相連，以平衡變送器的負壓室與容器的氣相空間相連，以平衡氣相壓力的靜壓作用。氣相壓力的靜壓作用。PP氣氣HgP氣氣Hg 差壓差壓的大小同樣代表了的大

7、小同樣代表了液位高度液位高度的大小。的大小。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表在使用差壓變送器或差壓計來測量液位高度時，在使用差壓變送器或差壓計來測量液位高度時，一般說其一般說其壓差壓差PP與液位高度與液位高度H H之間有如下關系：之間有如下關系： PPHgHg這是最簡單的情況，稱為這是最簡單的情況，稱為“無遷移無遷移”。當。當H H0 0時，作用在正、負壓室的壓力是相等的。時，作用在正、負壓室的壓力是相等的。 在實際應用中，往往在實際應用中，往往H H與與PP之間的對應關系不那之間的對應關系不那么簡單。么簡單。 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表 當液面上的介質是可凝氣體（如蒸汽）時，或

8、為了防止容當液面上的介質是可凝氣體（如蒸汽）時，或為了防止容器內液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保證負器內液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保證負壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負壓室與取壓點之間分別壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負壓室與取壓點之間分別裝有裝有隔離罐隔離罐，并充以隔離液。，并充以隔離液。若若被測介質的密度為被測介質的密度為1 1，隔離液的密度為隔離液的密度為0 0 ，這時，這時，正、負壓室的壓力分別為：正、負壓室的壓力分別為：P1h10g H1g P0 P2h20gP0 正、負壓室間的壓力差為正、負壓室間的壓力差為PH1g （h2h1）0g 3.4 物位

9、檢測及儀表物位檢測及儀表 對比兩式可以發(fā)現(xiàn)，此時壓差減少了對比兩式可以發(fā)現(xiàn)，此時壓差減少了(h2h1)0g一項，一項， 即即H0時，時，P(h2h1)0g。 對比無遷移的情況，相當于在負壓室多了一項壓力，其固定數(shù)值對比無遷移的情況，相當于在負壓室多了一項壓力，其固定數(shù)值為為:（h2h1）0g。PH1g （h2h1）0g PP氣氣HgP氣氣Hg 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表如何抵消固定壓差如何抵消固定壓差（h2h1）0g的作用？的作用？使使液位的零值和滿量程液位的零值和滿量程 與與 變送器輸出的上下限變送器輸出的上下限對應。對應。 儀表中的遷移彈簧儀表中的遷移彈簧 實質：實質： 改變變送

10、器的零點。改變變送器的零點。 遷移遷移同時改變了測量范圍的上下限，但同時改變了測量范圍的上下限，但不改變量程不改變量程的大小的大小，相當于，相當于測量范圍的平移測量范圍的平移。 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表某儀表的測量范圍為某儀表的測量范圍為05000Pa05000Pa，無遷移無遷移時，當壓差時，當壓差由由0 0變化到變化到5000Pa5000Pa時，時，變送器的輸出將由變送器的輸出將由4mA4mA變化到變化到20mA20mA。如圖如圖3-403-40中曲線中曲線a a所示。所示。 當當有遷移有遷移時，假定固定壓差為時，假定固定壓差為2000Pa2000Pa，那么當，那么當H H0 0

11、時，根據前時，根據前式有：式有： P(h2h1)0g 即即PP2000Pa2000Pa，這時變送器，這時變送器輸出應為輸出應為0.02MPa0.02MPa，H H為最大時，為最大時，PP50005000200020003000Pa3000Pa，這，這時變送器輸出應為時變送器輸出應為0.1MPa0.1MPa，如圖，如圖3-403-40中的曲線中的曲線b b所示。所示。1p2pI0/mAp/Pa3.4 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表單法蘭式差壓變送器單法蘭式差壓變送器雙法蘭式差壓變送器雙法蘭式差壓變送器3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表三三.電容式物位傳感器電容式物位傳感器電容器極板間所充

12、介質的差異，會導致電容量的電容器極板間所充介質的差異，會導致電容量的不同?？衫么嗽頊y量液位、料位和分界面。不同?？衫么嗽頊y量液位、料位和分界面。兩圓筒間的電容量表達式：兩圓筒間的電容量表達式：2lnLdCD3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表（1 1）液位為）液位為0 0時，零點電容為：時，零點電容為：002lnLCDd（2 2）液位為）液位為H H時，電容為：時，電容為：02()2lnlnLHHCDDdd（3 3）電容變化量為：）電容變化量為：002 ()lniKDHCdCCH 3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表電容量變化與料位升降關系為：電容量變化與料位升降關系為：002 ()l

13、nCDHCdC3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表三三.核輻射物位計核輻射物位計0HII e射線的投射強度隨著通過射線的投射強度隨著通過介質層介質層厚度厚度的增加而減弱。的增加而減弱。穿透力強，無接觸，穿透力強，無接觸，適用于各種惡劣環(huán)境適用于各種惡劣環(huán)境3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表四四.磁致伸縮式液位計（浮子式液位計）磁致伸縮式液位計（浮子式液位計）磁致伸縮原理磁致伸縮原理：某些磁性材料，在周圍某些磁性材料，在周圍磁場作用下內部磁疇取磁場作用下內部磁疇取向改變，因而引起尺寸向改變，因而引起尺寸伸縮。伸縮。適用于高精度要求的清潔液體的液位測量。適用于高精度要求的清潔液體的液位測量。3.

14、4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表n 舌簧管：是一種有觸點的開關元件，利用舌簧管：是一種有觸點的開關元件，利用磁場磁場控制舌簧管控制舌簧管內觸點通斷的原理。內觸點通斷的原理。 磁浮子舌簧管液位計磁浮子舌簧管液位計 環(huán)形永磁體的兩面分環(huán)形永磁體的兩面分別為別為N N和和S S極，磁力線極，磁力線將使管內的舌簧閉合。將使管內的舌簧閉合。因此處于浮子中央的因此處于浮子中央的舌簧管吸合導通，其舌簧管吸合導通，其它呈斷開狀態(tài)。它呈斷開狀態(tài)。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表五五.光纖式液位計光纖式液位計組成組成：液位敏感元件（棱鏡）；液位敏感元件（棱鏡）；傳輸光信號的光纖；傳輸光信號的光纖；光源；光源；

15、光檢測元件。光檢測元件。只要檢測出只要檢測出裸露在空氣中裸露在空氣中和和淹沒在液體中淹沒在液體中的的輸出光功率差值，即可判斷。輸出光功率差值，即可判斷。3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表1.1.機械轉換部分機械轉換部分2.2.光纖光路部分光纖光路部分3.3.電子電路部分電子電路部分圖圖3-49 3-49 稱重式液罐計量儀稱重式液罐計量儀11下波紋管；下波紋管；22上波紋管；上波紋管；33液相引壓管；液相引壓管；44氣相引壓管；氣相引壓管；55砝碼；砝碼；66絲杠；絲杠；77可可逆電機；逆電機；88編碼盤；編碼盤；99發(fā)訊器發(fā)訊器3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表六六.稱重式液罐計量儀稱重式

16、液罐計量儀 該計量儀既能將該計量儀既能將，又能反映出罐中，又能反映出罐中。21121MgLLAppgHpp12杠桿平衡時杠桿平衡時由于由于（3-573-57）112ALLHMK H代入（代入（3-573-57）（3-583-58）3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表02MKLiAMLAAKKi11式中式中如果液罐的橫截面積如果液罐的橫截面積A A為常數(shù)，得為常數(shù)，得將式（將式（3-603-60）代入式（）代入式（3-583-58），得），得20KLMA（3-613-61）HAM0AMH0如果液罐是均勻截面如果液罐是均勻截面（3-593-59）（3-603-60）即即3.4 物位檢測及儀表物位檢測及儀表八八.物位儀表的選型物位儀表的選型（1）液面和界面測量應選用差）液面和界面測量應選用差壓式、浮筒式和浮子式壓式、浮筒式和浮子式儀表。儀表。（2）儀表的）儀表的結構形式及材質結構形式及材質，應根據被測介質的特性決定。，應根據被測介質的特性決定。（3）