武漢理工大學過程控制第2章5、6

液位：容器中液體介質(zhì)的高低料位：容器中固體物質(zhì)的堆積高度界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度2.5物位檢測及儀表物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低，就會危及鍋爐的安全，造成嚴重事故。2.5.1概述物位的含義包括：物位測量儀表可分為下列幾種類型。1.靜壓式物位測量利用液體或物料對某定點產(chǎn)生的壓力隨液位高度而變化的原理而工作。2．浮力式物位測量利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。3.電氣式物位測量利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)的變化，而得知物位。4.核輻射式物位測量利用核輻射線穿透物料時，核輻射線的透射強度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理進行測量。5.聲學式物位測量測量超聲波在物質(zhì)中傳播時間的長短，據(jù)此可測出物位。6.光學式物位測量利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷和反射的原理測量物位。靜壓式液位變送器浮球液位變送器浮球液位變送器靜壓式液位變送器電容式物位變送器超聲波物位變送器

p1=Hg+p2

Δp=p1-p2=Hg式中：

H—液位高度；—介質(zhì)密度；

g—重力加速度。p2p12.5.2差壓式液位變送器利用測量容器底部和頂部的壓差測液位。2.5.2.1測量原理設容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下部取壓點壓力為p1

，則：若被測容器是敞口的，則氣相壓力為大氣壓，只需將差壓變送器的負壓室通大氣，或用壓力變送器、或用壓力表即可測量。因為壓力變送器和壓力表都是測量與大氣壓之差。2.5.2.2零點遷移理想測量條件下，液位H=0時，變送器的輸入壓差信號?P=0，差壓變送器的輸出為零點信號4mA。零點是對齊的：H＝0時，Δp=Hg=0，I0=4mA應用時，由于差壓變送器安裝的實際情況限制，測量零點很難對齊，需要對差壓變送器的零點進行遷移。Δp=p1-p2=(h12g+H1g+p0)－(h22g+p0)=H1g-(h2-

h1)2g1、負遷移如圖所示，變送器和容器之間用隔離罐隔離時：當

H=0時，

Δp=

-(h2-

h1)2g此時，變送器應輸出4mA以下，但變送器的輸出只能是4~20mA

2、正遷移有時變送器不能和容器底部安裝在同一水平面上。如圖所示，有：?P=Hρg＋hρg

H=0時，?P=＋hρgH?p0I/mA?p420遷移的目的：

使變送器輸出的起點與被測量起點相對應。遷移同時改變了測量范圍的上下限，相當于測量范圍向正方向或負方向的平移。此時需要遷移＋hρgH?p0H?p0例如，某差壓變送器的測量范圍為0～50MPa，對應輸出從4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖2.57中曲線a所示。若因安裝的原因：H=0時，?P=－10MPa，則需負遷移。H=0時，?P=10MPa，則需正遷移。無遷移負遷移正遷移-1050cab2040I0/mA?P/MPa-102.5.2.3用法蘭式差壓變送器測量液位在測量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝固等液體液位時，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞。可使用加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。

插入式法蘭平法蘭2.5.3電容式物位變送器利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時，電容量也相應變化的原理測物位?？蓽y量液位、料位和兩種不同液體的分界面。測量原理圓柱形電容器的電容量為LDdε為介電系數(shù)H=0時：H＞0時：C=dD2πHεlndD2π(L-H)ε0ln＋dD2πH(ε-ε0)?C=C－C0ln=設空氣的介電系數(shù)為ε0，被測物料的介電系數(shù)為εdD2πLε0C0ln==kHLDdε0εH電容的變化量與液位成正比。測量電容量可用交流電橋，也可用其他方法測定。例如充放電法。如圖所示，用振蕩器給液位電容Cx加上幅度和頻率恒定的矩形波。若矩形波的周期T遠大于充放電回路的時間常數(shù)，則每個周期都有電荷Q=CxΔE對Cx

充放電，二極管將充電和放電電流檢波，可用微安表測得平均電流。

可見，充電(或放電)的平均電流與液位電容成正比，微安表的讀數(shù)可反映液面的高低。

流過微安表的平均電流為：式中，?E—矩形波電壓幅度，f—矩形波頻率2.5.4超聲波液位計利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時能反射的特性，可用回聲測距的原理，測定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來的時間，以確定液面的高度。若速度v為已知常數(shù)，便可測時間t算出液面高度H。

v—超聲波在液體中的傳播速度若測料位，則超聲波物位計安裝在容器頂部。2.6成分檢測及儀表所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一種物質(zhì)所占的比例。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線實時檢測物料的成分。例如在鍋爐燃燒控制中，必須根據(jù)煙道氣的含氧量變化，隨時調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。成分檢測項目繁雜，此處只介紹幾種在過程控制中常用的成分檢測儀表。2.6.1氧化鋯氧量計氧化鋯氧量計廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測量，以控制燃燒效率。2.6.1.1工作原理

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣鉑電極ZrO2O2-O2-O2-O2-O2-EE在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯（ZrO2）中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）時，四價鋯的電子被二價鈣或三價釔所置換，形成氧離子空穴。在氧化鋯兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電極，就構(gòu)成氧濃差電池。

氧化鋯測氧原理可歸結(jié)為“氧濃差電池”的形成過程。氧化鋯外側(cè)為被測煙氣，氧含量約為4~6％，其氧分壓為P1，氧濃度為φ1；內(nèi)側(cè)為參比氣體，如空氣，氧含量20.8％，其氧分壓為P2，氧濃度為φ2。E

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-當溫度達600℃以上時，空穴型氧化鋯就成為良好的氧離子導體。氧氣能夠以離子形式從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴散。氧分子從鉑電極處得到電子成為氧離子進入氧化鋯空穴，高氧側(cè)鉑電極失去電子而帶正電。

O2+4e→2O2-

還原反應當氧離子通過氧化鋯到達低氧側(cè)時，氧離子將電子還給鉑電極變成氧分子進入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶負電。

2O2-→O2+4e

氧化反應

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E式中：R—氣體常數(shù)；F—法拉弟常數(shù)；n—一個氧分子攜帶電子數(shù)（n＝4）；T—氣體絕對溫度；P1、P2—被測氣體與參比氣體的氧分壓。

根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢E可以表示為：

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正比，有：

代入Nernst方程，氧濃差電勢E為

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E可見，氧濃差電勢是煙氣含氧量Φ1的單值函數(shù)。

1、溫度T恒定在600℃以上。為此，可在氧化鋯探頭內(nèi)安裝加熱器。2、空氣的氧含量恒定。為此，探頭空氣口可安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8％3、參比氣體與被測氣體壓力相等，才能用濃度來代替氧分壓。此外，E與Φ1呈非線性關(guān)系，必須經(jīng)線性化電路處理。

關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是：2.6.2氣相色譜分析儀色譜分析法是近年來獲得迅速發(fā)展的一種分離分析技術(shù)，其特點是分離能力強，分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。例如分析石油產(chǎn)品時，一次可分離分析一百多種組分；在分析超純氣體時，可鑒定出1ppm（ppm為濃度單位，表示百萬分之—），甚至0．1ppb（ppb表示十億分之一）的組分；因此，目前被廣泛應用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)及科研中。植物色素+石油醚石油醚色譜分析法得名于1906年把溶有植物色素的石油醚倒入裝有碳酸鈣吸附劑豎直玻璃管中再倒入純的石油醚幫助它自由流下看到分離開的一層層不同顏色的譜帶碳酸鈣對不同的植物色素吸附能力不同固定相移動相碳酸鈣吸附劑2.6.2.1色譜分析原理這種分離分析方法被稱為色層分析法或色譜分析法。凡移動相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動相是氣態(tài)的稱為氣相色譜。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，色譜分析法被擴展到無色物質(zhì)的分離，分離后各組分的檢測也不再限于用肉眼觀察顏色，所以“色譜”這個名字漸漸失去了它原來的含義。因為分離方法仍是原來的原理，所以至今仍使用這個歷史名稱。實用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測器及載氣、采樣等輔助裝置組成。色譜柱一般的色譜柱，是在直徑約3~6mm、長約1～4m的玻璃或金屬細管中，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu)成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等。用氫、氮、空氣等作“載氣”，運載被分析樣氣通過固定相。載氣和被分析樣氣稱為移動相。分離過程設樣氣中有A、B、C三種不同的成分。從色譜柱分離原理可知，被分析的樣氣應當是脈沖式輸入，在載氣的推動下通過色譜柱。在流動的過程中，吸附性小的成分前進速度快，C、B、A各組分依次從色譜柱流出。樣氣中A、B、C三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離后，依次進入檢測器。檢測器輸出隨時間變化的曲線稱為色譜流出曲線或色譜圖，色譜圖上三個峰的面積（或高度）分別代表相應組分在樣品中的濃度大小。2.6.2.2檢測器檢測器的作用是將由色譜柱分離開的各組分進行定量的測定。從理論上說，各組分與載氣的任何物理或化學性質(zhì)的差別都可作為檢測的依據(jù)。但使用最多的是熱導式檢測器和氫火焰電離檢測器。熱導式檢測器氫火焰電離檢測器如下表列出在0℃時，以空氣導熱系數(shù)為基準的一些氣體的相對導熱系數(shù)值。

例：熱導式檢測器的工作原理熱導式檢測器就是一臺氣體分析儀。根據(jù)不同種類的氣體具有不同的熱傳導能力的特性，通過導熱能力的差異來分析氣體的組分和含量。熱導式檢測器主要由熱導池和檢測電橋構(gòu)成。熱導池是用銅塊或不銹鋼做成的均勻?qū)狍w。內(nèi)設測量室和參比室，四根鉑絲被置于其中，R1、R3裝在測量室中，R2、R4裝在參比室中構(gòu)成電橋。熱電阻通電后發(fā)熱，其散熱快慢取決于周圍氣體的導熱能力，而氣體的導熱能力取決于氣體的組分。純載氣樣氣純載氣樣氣電阻絲產(chǎn)生的熱量只能通過周圍氣體傳至熱導池四壁，再通過銅塊向外傳導。銅塊很厚，導熱能力很均勻，測量室和參比室的溫度差異只能是由被測氣體和參比氣體的導熱系數(shù)不同造成。測量室通入從色譜柱來的由載氣推動著的樣氣，參比室內(nèi)通入純載氣。當色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時，兩個測量室內(nèi)的氣體都是載氣，四個熱電阻的散熱條件相同，溫度也相同，則電阻值也相同。當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，流過測量室的氣體的導熱系數(shù)發(fā)生變化，純載氣樣氣熱電阻R1、R3和的R2、R4散熱條件不同，溫度也不同，則電阻值也不同。檢測器測量電路由熱電阻R1、R3和R2、R4構(gòu)成電橋。調(diào)節(jié)RS使電橋的供電電流達到要求值。當色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時，調(diào)節(jié)R0使電橋處于平衡狀態(tài)。V0

=0當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，電橋失去平衡。V0

>0

載氣中分離組分濃度越大，電橋輸出信號就越大，經(jīng)放大、記錄下的色譜峰值就越高。2.6.2.3載氣及進樣裝置從色譜柱的分離原理可知，被分析的樣氣應該是脈沖式的定量輸入。進一次樣氣，分析一次。進樣時間周期應足夠長，以保證各組分從色譜柱流出時不重疊。六通切換閥有“取樣”和“分析”兩種位置，受定時裝置控制。當閥處于“取樣”位置時，閥內(nèi)氣路按紅線接通。樣氣與載氣的通路分別為：樣氣經(jīng)預處理裝置連續(xù)通過取樣管，隨時準備被取出分析；載氣經(jīng)減壓穩(wěn)流后，經(jīng)參比室通入色譜柱，再經(jīng)測量室放空。這時，參比室和測量室都是載氣，檢測器輸出信號為零。當六通切換閥轉(zhuǎn)到“分析”位置，閥內(nèi)藍線氣路導通。載氣推動留在定量取樣管中的樣氣進入色譜柱，經(jīng)分離后，各組分在載氣的攜帶下先后通過檢測器的測量室。檢測器根據(jù)測量室與參比室中氣體導熱系數(shù)的差別，產(chǎn)生輸出色譜圖。

2.6.3

紅外線氣體分析儀根據(jù)不同的組分對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特征制成?？蓽y量CO、CO2、NH3、甲烷、乙炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量。使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液，且靈敏度較高，反應迅速，有著廣泛的應用。2.6.3.1工作原理紅外線是指波長為0.8～400μm之間的不可見電磁波，在工業(yè)紅外線分析儀中，使用的紅外線波長一般在1～25μm之間?？梢姽庾贤饩€紅外線實驗證明，除氦、氖、氬等單原子惰性氣體及氫、氧、氮、氯等具有對稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體外，大部分多原子氣體如CO、CO2、CH4（甲烷）等，對1～25μm波長范圍的紅外線都有強烈的選擇性吸收的特性。如圖，CO對波長為4.5～5μm的紅外線具有強烈的吸收作用。CH4根據(jù)朗伯-貝爾定律，當光通過吸收介質(zhì)時，其強度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。式中：I0—射入時的光強；I—透出時的光強；l—介質(zhì)厚度；c—吸收介質(zhì)的濃度；—吸收系數(shù)

紅外