自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)7.物位

7.物位檢測(cè)7.1概述7.2常有物位檢測(cè)儀表測(cè)量物位的兩個(gè)目的：一是通過(guò)測(cè)量物位來(lái)確定容器或儲(chǔ)罐里的原料、半成品或成品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)之間的物料平衡或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；二是通過(guò)物位測(cè)量可以及時(shí)了解生產(chǎn)的運(yùn)行情況，以便將物位控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。

7.1.1物位的定義物位－指設(shè)備和容器中物料的表面位置液位：容器中液體介質(zhì)液面的高低界面：兩種液體介質(zhì)的分界面的高低料位：固體塊狀、顆粒、粉末狀物質(zhì)的堆積高度7.1概述

7.1.2常用物位檢測(cè)方法

按測(cè)量方式分：

連續(xù)測(cè)量－連續(xù)測(cè)量物位的變化；

定點(diǎn)測(cè)量－只檢測(cè)物位是否達(dá)到上限、下限或某個(gè)特定的位置，這種定點(diǎn)測(cè)量用的儀表被稱為物位開(kāi)關(guān)。一般用來(lái)監(jiān)視、報(bào)警、輸出控制信號(hào)。

按工作原理分：

直讀式－根據(jù)流體的連通性（側(cè)壁窗口、旁通管）原理來(lái)測(cè)量液位。

靜壓式－根據(jù)流體靜力學(xué)原理，根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測(cè)量物位。

浮力式－根據(jù)阿基米德定律，浮子高度隨液位高低而改變來(lái)測(cè)量液位（恒浮力式）或液體對(duì)浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力變化來(lái)測(cè)量液位（變浮力式）。

電氣式－根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來(lái)測(cè)量物位。

機(jī)械接觸式－通過(guò)測(cè)量探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī)械力來(lái)測(cè)量。

另外還有：輻射式、聲學(xué)式、光學(xué)式、射線式微波式、激光式、射流式、光纖維式等等。

7.2常有物位檢測(cè)儀表

7.2.1靜壓式液位計(jì)

1.測(cè)量原理－根據(jù)液體的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理。

圖（a）為敞口容器，將壓力計(jì)與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學(xué)原理，所測(cè)壓力與液位的關(guān)系為P=Hρg，H=P/ρg

圖(b)為密閉容器，差壓液位傳感器的高壓側(cè)與容器底部的取壓管相連，低壓側(cè)與液面上方容器的頂部相連。差壓傳感器高、低壓側(cè)所感受的壓力分別為

P高=P氣+Hρg

，P低=P氣，壓差為ΔP=P高-P低=Hρg，H=ΔP/ρg

綜上所述，利用靜壓原理測(cè)液位，就是把液位測(cè)量轉(zhuǎn)化為壓力或差壓測(cè)量，所以各種壓力或差壓式測(cè)量傳感器都可以用來(lái)測(cè)量液位。

但是，當(dāng)液位零面與檢測(cè)儀表的取壓口不在同一水平高度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的靜壓誤差。就需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移。差壓變送器上測(cè)得的差壓為：為了使液位的零點(diǎn)和滿量程仍能與差壓變送器的輸出下限和上限相對(duì)應(yīng)，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，采用零點(diǎn)遷移就可實(shí)現(xiàn)。由于h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移。通過(guò)零點(diǎn)遷移，使差壓式液位計(jì)的測(cè)量范圍調(diào)整為ρgh0～（ρgh0+ρghmax）（即液位從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為4~20mA。

2.零點(diǎn)遷移－通過(guò)差壓計(jì)內(nèi)的遷移彈簧的調(diào)整，對(duì)感壓元件預(yù)加一個(gè)作用力，將儀表的零點(diǎn)輸出與液位零點(diǎn)對(duì)應(yīng)一致。差壓變送器（1）液位測(cè)量的正遷移－取壓口低于容器底部液位、差壓信號(hào)、電流輸出信號(hào)之間的關(guān)系液位h(mm)差變輸入△p(kpa)差變輸出I0(mA)無(wú)遷移00（例：0mmH2O)）4Hmax△pmax(例：5000mmH2O)20正遷移遷移前0Hmaxρgh0>0（例：2000mmH2O）>△pmax（△pmax+ρgh0）（例：（5000+2000）mmH2O）>4(例：10.4mA)>20遷移后0~Hmax(h0=200m)ρgh0～ρgh0+ρgHmax(2000~7000mmH2O)4~20負(fù)遷移遷移前0--(ρ1gh1—ρ1gh0)<0<4Hmax<△pmax<20遷移后0~Hmax--ρ1g(h1--h0)～ρgHmax--ρ1g(h1--h0)4~20差壓變送器的正、負(fù)壓室之間就需要裝隔離罐（冷凝罐），如果隔離液的密度為ρ1(ρ1

>ρ)，則（2）液位測(cè)量的負(fù)遷移－介質(zhì)有可凝結(jié)蒸汽或腐蝕性時(shí)對(duì)比無(wú)遷移情況，ΔP多了一項(xiàng)壓力-（h1-h0）ρ1g，它作用在負(fù)壓室上，稱之為負(fù)遷移量。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調(diào)整負(fù)遷移彈簧的張力來(lái)進(jìn)行負(fù)遷移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生的力。液位計(jì)的測(cè)量范圍調(diào)整為-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]（即液位從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為4~20mA。

例題：如圖，解：遷移量即測(cè)量下限：所以，差壓計(jì)的量程（大?。?490Pa-（-34790Pa）＝35280Pa。遷移量為負(fù)遷移=-34.79kPa（結(jié)論：遷移只是改變量程范圍的上、下限，而不改變量程大小。）測(cè)量上限：3.安裝方式（1）引壓管（壓力表）式－通過(guò)引壓管引出正、負(fù)壓力，直接測(cè)壓；（2）法蘭式－應(yīng)用于具有腐蝕/結(jié)晶/粘度大/易凝固液體 避免與液體直接接觸，省去引壓導(dǎo)管壓力表式液位計(jì)圖法蘭式差壓變送器測(cè)量液位1—法蘭式測(cè)量頭；2—毛細(xì)管；3—變送器

單法蘭式

雙法蘭式

為了解決測(cè)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(wèn)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送器，如下圖所示。按其結(jié)構(gòu)形式有：用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位

用差壓計(jì)檢測(cè)液位，其測(cè)量精度取決于測(cè)壓儀表的精度，以及液體溫度對(duì)其密度的影響。7.2.2.1.浮子式液位計(jì)原理（恒浮力式）－浮子隨液面變化而產(chǎn)生位移。1.鋼帶浮子式液位計(jì)－是一種最簡(jiǎn)單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。浮子向下的重力＝向上的浮力＋拉力7.2.2浮力式液位計(jì)2.磁浮子式液位計(jì)測(cè)量原理－以磁性浮子為測(cè)量元件，經(jīng)磁耦合裝置將容器內(nèi)液位變化傳送到現(xiàn)場(chǎng)指示器或遠(yuǎn)傳。

結(jié)構(gòu)組成－在容器內(nèi)插入下端封閉的不銹鋼管，管內(nèi)固定一長(zhǎng)條形絕緣板，板上緊密排列著舌簧管和電阻。在不銹鋼管外套有一個(gè)可上下滑動(dòng)的佛珠形浮子，內(nèi)中裝有環(huán)行永磁鐵氧體，環(huán)行永磁體的兩面分別設(shè)有N極和S極。當(dāng)裝有環(huán)行磁鐵的浮子隨液位上下移動(dòng)時(shí)，由于磁力線的作用，使得處于管中的舌簧管吸合導(dǎo)通，而其他的舌簧管則處于開(kāi)路狀態(tài)。把不銹鋼管內(nèi)的所有電阻和舌簧管按圖（b）連接，則隨著液位的升降，AC間或AB間的阻值就相繼改變。只要配上相應(yīng)的檢測(cè)電路，就可將電阻值變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)（在CB間接入恒定的電壓，A端可得到與液位高度成比例的電壓信號(hào)。）特點(diǎn)－結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，顯示清晰直觀。7.2.2.2.浮筒式液位計(jì)原理（變浮力式）－當(dāng)被測(cè)液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒(méi)體積變化，所受浮力也變化，通過(guò)測(cè)量浮力變化確定出液位變化量。 在達(dá)到平衡時(shí)：浮筒向下的重力＋彈簧彈性力＝向上的浮力推導(dǎo)結(jié)果：ΔH=kΔx結(jié)論：當(dāng)液位變化ΔH時(shí)，使浮筒產(chǎn)生位移Δx，浮筒位移Δx與液位變化ΔH成比例關(guān)系。檢測(cè)浮筒位移Δx的方法有多種，如差動(dòng)變壓器式、扭力管力平衡式等。圖中浮筒連桿上裝一鐵心，隨浮筒上下移動(dòng)，經(jīng)差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換為與位移成比例的電壓輸出。1-浮筒，2-彈簧，3-差動(dòng)變壓器7.2.3其它物位計(jì)

7.2.3.1電容式物位計(jì)1.測(cè)量原理－利用敏感元件直接把物位變化轉(zhuǎn)換為電容量變化組成－敏感元件＋電容檢測(cè)電路圓筒形電容器構(gòu)成－兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，半徑為R和r圓筒形金屬導(dǎo)體組 成；當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為ε的介質(zhì)時(shí)，則電容量為：當(dāng)R和r一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長(zhǎng)度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。當(dāng)兩圓筒電極的一部分被物料浸沒(méi)時(shí)，極板間兩種介電常數(shù)ε1、ε2將引起電容量的變化，兩圓筒間的電容量C

：1—內(nèi)電極；2—外電極電容式物位計(jì)可以測(cè)量液位、料位和界位1—內(nèi)電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量：當(dāng)液位為零時(shí)，其電容為

。當(dāng)液位上升為H時(shí)，電容量變?yōu)閷?duì)導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量：用外包絕緣層的金屬棒做內(nèi)電極，外電極即液體介質(zhì)，液位變化引起極板長(zhǎng)度的改變。2.液位的檢測(cè)ε0為空氣介電常數(shù)ε為液體介電常數(shù)，電容量的變化為

用電容法可以測(cè)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(lái)測(cè)量非導(dǎo)電固體料位。1—金屬電極棒；2—容器壁電容量變化與料位升降的關(guān)系為圖料位檢測(cè)3.料位的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)：電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便，價(jià)格較低。

缺點(diǎn)：需借助較復(fù)雜的電子線路來(lái)檢測(cè)電容的變化（交流電橋法，充放電法，諧振電路法）。注意：介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)能引起其介電系數(shù)也發(fā)生變化的情況。

4.電容式物位計(jì)特點(diǎn)7.2.3.2超聲波物位計(jì)工作原理－是由換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測(cè)介質(zhì)表面被反射回來(lái)，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。如果超聲探頭到液面的距離為H，聲波在水中的傳播速度為v則：分類－按傳聲介質(zhì)分氣介式、液介式、固介式

氣介式液介式固介式

超聲波（高于20kHZ的聲波），方向性強(qiáng)，在氣、液、固體中傳播，傳播速度與衰減不同，在穿過(guò)相界面時(shí)幾乎為全反射。超聲波的接收和發(fā)射原理－基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)；壓電晶體－當(dāng)壓電晶體受到外力（聲波聲壓）作用時(shí)，晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生與外力同步變化的極性相反的電荷；反之，將交變電壓加在晶體兩個(gè)端面的電極上，沿晶體厚度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同頻率的機(jī)械振動(dòng)，向外發(fā)射聲波；溫度補(bǔ)償－聲波傳播速度易隨介質(zhì)的溫度變化的影響，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。構(gòu)成型式－一體化超聲波液位計(jì)、分體式超聲波液位計(jì)、分體式超聲波料位計(jì)等。

特點(diǎn)－非接觸式，無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分，壽命長(zhǎng)，安裝維修方便，適合于有毒、高粘度、腐蝕性強(qiáng)的各種液體、粉末、塊狀介質(zhì)；電路復(fù)雜，造價(jià)高。7.2.3.3物位開(kāi)關(guān)物位開(kāi)關(guān)：在物位檢測(cè)中，有時(shí)不需要對(duì)物位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，只需要測(cè)量物位是否達(dá)到上限、下限或某個(gè)特定的位置，這種定點(diǎn)測(cè)量用的儀表被稱為物位開(kāi)關(guān)。一般用來(lái)監(jiān)視、報(bào)警、輸出控制信號(hào)。5.3.6水位計(jì)原理及配線圖1．原理框圖利用一般水（非純凈水）具有一定電阻的特性，構(gòu)成橋式電阻輸入電路，使用比較電路來(lái)判斷水位是否到達(dá)設(shè)定電極，從而低成本準(zhǔn)確地測(cè)出同一池中4點(diǎn)的水位狀態(tài)，并通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)點(diǎn)位輸出到PLC中。圖5-8給出電極式水位計(jì)的原理框圖，由橋式輸入、比較器、功率放大、繼電器、開(kāi)關(guān)輸出、直流穩(wěn)壓電源、輸出顯示幾部分組成。

圖5-6變頻器接線圖

2．電路原理圖現(xiàn)以4點(diǎn)水位計(jì)為例進(jìn)行介紹，如圖5-9所示。檢測(cè)電極與公共電極之間的電阻值或者無(wú)窮大或者是10～20k的電阻值（與水的渾濁程度有關(guān)），它取決于水位是否到達(dá)某個(gè)電極，而這個(gè)電阻又是比較器前橋路的一個(gè)橋臂電阻。因此，當(dāng)水位到達(dá)某個(gè)電極時(shí)，就會(huì)觸發(fā)比較器翻轉(zhuǎn)輸出一個(gè)高電平，從而導(dǎo)通三極管使繼電器得電，輸出一個(gè)水位到限的接點(diǎn)信號(hào)到PLC中，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管。相應(yīng)的輸出接點(diǎn)為2、4、6、8，C為公共端。圖5-9水位計(jì)電路原理圖3．水位計(jì)配線圖電極式水位計(jì)包括探頭與儀表盒兩部分。儀表盒固定在墻體上，盒下部有3個(gè)穿線孔，自左向右分別穿過(guò)探頭導(dǎo)線、電源與信號(hào)電纜，全部用PVC套管保護(hù)。探頭采用白鋼棍，一端接引入導(dǎo)線，另一端直接入水，電源與信號(hào)電纜來(lái)自于控制柜。水位計(jì)配線圖如圖5