自動化技術(shù)與儀表 第三章檢測儀表 第3.4節(jié) 物位檢測儀表

3.檢測儀表第4節(jié)物位檢測儀表

1基本要求掌握物位的基本概念及物位檢測的原理掌握物位檢測的方法靜壓式物位計浮力式物位計：恒浮力法和變浮力法電氣式物位計聲學式物位計射線式物位計光學式、微波式、激光式、差壓式液位變送器、稱重式液罐計量儀掌握液位、料位、分界面檢測的不同方法23.4.1概述物位在容器中液體介質(zhì)的高低叫液位容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位兩種密度不同的液體介質(zhì)分界面的高低（界位）叫界面物位計測量液位的儀表叫液位計，測量料位的儀表叫料位計，測量分界面的高低（界位）的儀表叫界面計。上述三種儀表統(tǒng)稱為物位計。物位檢測實際上就是料位、液位和界面的檢測。物位檢測的意義：確定容器內(nèi)儲存量。通過測量達到控制物位。3物位開關(guān)：在物位檢測中，有時不需要對物位進行連續(xù)測量，只需要測量物位是否達到上限、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀表被稱為物位開關(guān)。一般用來監(jiān)視、報警、輸出控制信號。4常用的物位檢測方法：

物位檢測總體上可分直接檢測和間接檢測兩種方法

直接測量法

直接測量是一種最為簡單、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尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。5間接檢測由于測量狀況及條件復雜多樣，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號進行測量，如：靜壓式物位計浮力式物位計：恒浮力法和變浮力法電氣式物位計聲學式物位計射線式物位計另外還有：光學式、微波式、激光式、光纖維式等等。

6檢測原理:基于力學原理基于相對變化原理基于某強度性物理量隨物位的升高而增加原理73.4.2靜壓式液位計1.檢測原理容器中某點的靜壓力和容器內(nèi)物位的高度有關(guān)：ρ為介質(zhì)密度，H為液柱高度AB8若液體上方的自由空間為大氣壓力p0,則根據(jù)靜力學原理，有因此要知道液位，需要測出壓力容器下部某些與上部自由空間之間的壓力差(或壓力)。為此要用差壓(或壓力)傳感器。AB9靜壓式液位計靜壓式液位變送器102.實現(xiàn)方法測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。壓力表式液位計(b)法蘭式液位變送器(c)吹氣式液位計（單法蘭式液位變送器）112.實現(xiàn)方法(d)差壓液位變送器原理圖（雙法蘭式液位變送器）對于密閉容器中的液位測量，除可應用上述三種液位計外，還可用差壓法進行測量，它可在測量過程中消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響，下圖示出差壓式液位計測量原理。12法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1—法蘭式測量頭；2—毛細管；3—變送器

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引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應使用在導壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。133.量程遷移和零點遷移零點遷移量程遷移143.量程遷移與零點遷移(1)無遷移:取壓點與液位零面在同一水平面差壓傳感器測量液位原理圖

設(shè)被測介質(zhì)的密度為ρ，容器頂部氣相壓力為pA，pB是液位零面的壓力，p1、p2是取壓口的壓力，根據(jù)靜力學原理可得因此，差壓變送器正負壓室的壓力差為液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。15差壓傳感器測量液位原理圖

但是，當液位零面與檢測儀表的取壓口不在同一水平高度時，會產(chǎn)生附加的靜壓誤差。這就需要調(diào)整變送器的零點，使其在只受到附加靜壓時輸出為零，該方法稱為“量程遷移”，實質(zhì)上是“零點遷移”。3.量程遷移與零點遷移(1)無遷移:取壓點與液位零面在同一水平面16液位測量的負遷移差壓變送器的正、負壓室之間就需要裝隔離罐，如果隔離液的密度為ρ1(ρ1

>ρ)，則(2)負遷移:介質(zhì)有腐蝕性時因為：所以：17當h=0時，ΔP=（h0-h1）ρ1g<0，所以稱為負遷移;它作用在負壓室上。將上式變?yōu)椋簽榱耸挂何坏臐M量程和起始值仍能與差壓變送器的輸出上限和下限相對應，就必須克服固定差壓ρ1g（h1-h0）的影響，采用零點遷移就可實現(xiàn)。量程遷移調(diào)整后，差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]遷移后，差壓式液位計的量程為：hmaxρg18遷移彈簧改變變送器的零點。遷移

同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。遷移實現(xiàn)方法19液位測量的正遷移差壓變送器上測得的差壓為(3)正遷移:取壓口低于容器底部因為：所以：20當h=0時，ΔP=h0ρg由于h0ρg作用在正壓室上，由于ρgh0〉0，所以稱為正遷移。h0ρg稱之為正遷移量。遷移后，差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

遷移后，差壓式液位計的量程為：hmaxρg21正負遷移示意圖正遷移示意圖舉例某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa，當壓差由0變化到5000Pa時，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如左圖中曲線a所示。負遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。

22例3.6：檢測液位已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，和h1=1.0m，h2=5.0m，液位變化范圍0—3m，當?shù)刂亓铀俣萭=9.8m/s，求差壓變送器的量程和遷移量.23利用差壓式液位計測量液體的分界面，如下圖所示。液位計正、負壓室受力情況如下：

P1=h0ρ2g+（h1+h2）ρ1gP2=（h2+h1+h0）ρ1gΔP=P1

–P2=h0g（ρ2-ρ1）4.測量分界面由于（ρ2-ρ1）是已知的，所以壓差ΔP與分界面高度h0成一一對應關(guān)系。243.4.3浮力式液位計

原理：基于浮力原理，適用于液位的檢測。浮力式物位檢測有兩種方法：恒浮力式變浮力式磁浮子液位計25鋼帶浮子式液位計—恒浮力式 右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。GW吃水線在浮子中央時，26浮筒式液位計—變浮力式結(jié)構(gòu)：如圖原理：當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。彈簧差動變壓器浮筒27當液位變化使浮筒的一部分被液位浸泡時，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移動，平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即

當h＝0時，浮筒的重量與彈簧的作用力相平衡。液位高度變化與浮筒位移成正比。彈簧差動變壓器浮筒283.4.4電容式物位計1.原理：物位的變化變換為電容量的變化；檢測元件常為一個圓筒式的電容器。由兩個長度為L，半徑分別為R和r的圓筒形金屬導體中間隔以絕緣物質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。29當兩圓筒中間所充介質(zhì)介電常數(shù)為ε0的氣體時，則該圓筒間的電容量為：當R和r一定時，電容量的大小與極板的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε0的乘積成比例。302.液位的檢測非導電介質(zhì)的液位測量1—內(nèi)電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔當液位為零時，儀表調(diào)整零點，其零點的電容為（1）非導電介質(zhì)液位測量當液位上升為H時，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁镃1CC231

電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質(zhì)的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε0不等的原理進行工作，（ε-ε0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。

結(jié)論32

結(jié)構(gòu)：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（2）導電介質(zhì)液位測量33

1-內(nèi)電極；2-絕緣套等效電路C11CC2C12343.料位的檢測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”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。該電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。1—金屬電極棒；2—容器壁左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)系為料位檢測35電容式料位計在測量時，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時，會引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測量誤差，一般將一根輔助電極始終埋入被測物料中。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。1-金屬電容；2-測量電極；3-輔助電極；

4-絕緣套36設(shè)輔助電極長L，它相對于料位為零時的電容變化量CL為：主電極的電容變化量為CH為:

由于L是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)因素波動所引起的電容變化對主電極與輔助電極是相同的，相比時被抵消掉，從而起到誤差補償作用。

37優(yōu)點

電容物位計的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。缺點

需借助較復雜的電子線路。

應注意介質(zhì)濃度、溫度變化時，其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這種情況。38

小結(jié)：

電容式物位檢測方法最主要要考慮溫度對介電常數(shù)的變化的影響；其次是物位相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39（1）次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。1.聲波的分類次聲波可聞聲波超聲波3.4.5超聲波物位計40（2）可聞聲波頻率在16~20KHz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波。41（3）超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。高于20KHz的機械波，稱為超聲波。42超聲波指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。當超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時（例如鋼板與空氣的交界面），在兩種密度不同、聲速不同的介質(zhì)的分界面，將產(chǎn)生明顯的反射和折射。當聲波從氣體傳播到液體或固態(tài)，或者相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。2.超聲波物理基礎(chǔ)433.超聲波傳感器（換能器）

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。超聲波探頭分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。

44各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz45超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。46空氣超聲探頭47空氣超聲探頭外形48空氣超聲探頭外形49超聲波物位檢測的基本原理就是根據(jù)聲波在介質(zhì)中傳播特性進行的。超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這一特點使得超聲波應用變得非常簡單，可以通過測量波的傳播時間，測量距離、厚度等。4.超聲波物位檢測的基本原理50超聲波的接收和發(fā)射：

超聲波的接收和發(fā)射基于壓電效應和逆壓電效應。用作超聲波發(fā)射和接受的壓電晶體稱為換能器。單探頭液位計使用一個換能器，由控制電路控制它分時交替作發(fā)射器與接收器。雙探頭式則使用兩個換能器分別作發(fā)射器和接收器，對于固介式，需要有兩根金屬棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。51超聲波的發(fā)射和接收通常是由超聲波換能器實現(xiàn)；目前最廣泛的超聲波換能器是電—聲換能器，壓電晶體換能器就是常用的換能器之一。因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。模型演示525、測量液位和物位

在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。53

超聲波液位計按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種； 按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。54(a)氣介式(b)液介式(c)固介式單探頭超聲波液位計 超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為v，傳播時間為t

，則：對于一定的氣體來說，v是已知的，因此，可以用測時間的方法確定出物位的高度。55sh2ah2as超聲波在液體中傳播測量超聲波在空氣中傳播測量雙換能器經(jīng)過的路程：

2S=vt

v：超聲波在介質(zhì)中傳播速度雙探頭方式56超聲波液位測量的優(yōu)點：與介質(zhì)不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長；超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導率、熱導率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；不僅可進行連續(xù)測量和定點測量，還能方便地提供遙測或遙控信號；能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。

57超聲波液位測量的缺點：超聲波儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格相對昂貴；有些物質(zhì)對超聲波有強烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時要充分考慮液位測量的具體情況和條件；當超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波液位計應有相應的補償措施，否則嚴重影響測量精度。58超聲波傳播速度的補償方法有：溫度補償設(shè)置校正具超聲液位（物位）計59超聲波測量液位和物位喇叭形超聲發(fā)生器603.4.6其它物位計

1.射線式物位計（核輻射物位計）(1)檢測原理射線的透射強度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱，具體關(guān)系見式

μ－介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)，不同的材料有不同的吸收系數(shù)，一般固態(tài)最大，液體其次，氣體最小。61(2)檢測系統(tǒng)組成

射線源探測器電子線路γ射線料位計核輻射物位計示意圖1—輻射源；2—探測器電子線路62(3)實現(xiàn)方法

放射源可以是一個點源，也可以做成線源，接收器同樣可以是單點或是線狀的。因此用放射線進行物位檢測有多種方式，常用的如圖所示。模型演示63(4)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。適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、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。但由于放射線對人體有害，使用范圍受到一些限制。642.微波物位計微波：是波長為1mm～1m的電磁波，可分三個波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對波長較長的電磁波。微波的特點:

(1)在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；

(2)在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小，具有很強的環(huán)境適應能力。652.微波物位計

微波物位計又稱雷達物位儀。

微波物位計運用了微波的特性，在一定條件下，微波傳播速度是一定的，所以可以通過測量微波從傳感器傳播至物料表面并返回到傳感器所用的時間來計算出所測量的物位。雷達液位計66微波液位傳感器

微波液位計

67微波超聲波波類型電磁波機械波反射特性在不同介電常數(shù)的界面上反射在不同聲阻抗的界面上反射壓力影響微不足道很小溫度影響微不足道需溫度補償傳播速度約（真空中）（空氣中，20℃）測量盲區(qū)到天線頂端離輻射面＞250㎜動態(tài)范圍高達150dB高達100dB傳播環(huán)境很少受氣相環(huán)境影響要求均一的氣體環(huán)境微波物位計和超聲波物位計的主要差別的比較68微波物位計有以下主要特點：測量準確可靠性強、壽命長幾乎可以測量所有介質(zhì)安全節(jié)能693.熱電法

熱電法采用熱電偶測量溫度場，右圖為熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖。圖中:a-容器壁；b-凝固金屬；c-鋼水；d-熱電偶。熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖70 在容器壁上選定一系列測量點，裝上熱電偶，并將各測點上熱電偶的輸出記錄下來，得到如圖所示的溫度-電勢分布曲線，曲線上反映出第7個和第8個測點之間產(chǎn)生了溫度突變，因此液面就在第7與第8測點之間。溫度-電勢分布圖71特點：

熱電偶測液位只是一個較為粗略的測量方法，精度一般不高；而且精度與熱電偶分布、安裝情況有關(guān)。

適當減小各熱電偶的間距、增加測量點，則可提高金屬液位測量的分辨力和測量精度。這種測量方法雖然精度不高，但很可靠；在連鑄機結(jié)晶過程等應用場合中，仍是一種很實用的液位檢測控制方法。72 激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在液位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進行連續(xù)測量。反射式激光液位檢測原理圖1-激光發(fā)射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器4.光學法

73特點：

激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點，使測量精度大為提高。745.電阻式液位計電阻式液位計既可進行定點液位控制，也可進行連續(xù)測量。

所謂定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。75右圖為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖。1-電阻棒；2-絕緣套；3-測量電橋電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。76該液位計的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。整個傳感器電阻為

該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，電阻大小與液位高度成正比。電阻的測量可用圖中的電橋電路完成。H、h——電阻棒全長及液位高度(m)；ρ——電阻棒的電阻率(Ω*m)；A——電阻棒截面積(m2)。776.稱重式料位計

一定容積的容器內(nèi)，物料重量與料位高度成比例，因此可用稱重傳感器或測力傳感器測算出料位高低。稱重式料位計1-支承；2-稱重傳感器78

7.電阻式物位計

電阻式物位計在料位檢測中一般用作料位的定點控制，因此也稱作電極接觸式物位計。

測量原理示意圖：兩支或多支用于不同位置控制的電極置于儲料容器中作為測量電極，金屬容器壁作為另一電極。

測量時物料上升或下降至某一位置時，即與相應位置上的電極接通或斷開，使該路信