HG第三章檢測儀表與傳感器(物位檢測)

第四節(jié)

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

①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(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；②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)；③對(duì)它的上下極限位置進(jìn)行報(bào)警，以保證生產(chǎn)安全、正常進(jìn)行。1常用測物位原理和儀表直讀式：玻璃管液位計(jì)應(yīng)用浮力原理測量物位：浮力式（恒浮力、變浮力）應(yīng)用靜壓原理測量物位（差壓式液位變送器）應(yīng)用電容原理測量物位：電容式放射性同位素法（核幅射式）超聲波式（應(yīng)用超聲波反射檢測物位）2一、直讀式物位儀表玻璃管液位計(jì)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(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。3二、浮力式物位儀表分：恒浮力（浮子）和變浮力（沉筒）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，浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會(huì)跟隨液面上下移動(dòng)。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。例：鋼帶浮子式液位計(jì)這是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。42.

浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，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(jì)原理如圖所示。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動(dòng)變壓器。5浮筒式液位計(jì)它是用彈簧平衡浮力，用差動(dòng)變壓器測量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即：式中k——彈簧剛度(N／m)；x——彈簧壓縮量(m)；

——液體密度(kg／m3)；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，也可用變換器(如差動(dòng)變壓器)變換成電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。6三、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(duì)液位進(jìn)行測量。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式中：P—測壓儀表指示值；H—液位的高度；

ρ—液體的密度；g—重力加速度。其關(guān)系為：71、工作原理（續(xù)）密閉容器：P+:正壓室壓力；P-:負(fù)壓室壓力；H＋－P+P-P壓力或差壓與液位成比例關(guān)系，可以用壓力表按液位直接進(jìn)行刻度。H=0時(shí)，P＝0;在實(shí)際應(yīng)用中，較復(fù)雜。82、差壓式變送器測液位時(shí)的零點(diǎn)遷移問題當(dāng)H=0時(shí)，P＝0，經(jīng)常難以滿足。安裝位置條件的不同，使儀表存在著零點(diǎn)遷移問題。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（Hmin=0）處于同一水平位置。作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓ΔP與液位高度H的關(guān)系為ΔP=Hρg。當(dāng)H=0時(shí)，正負(fù)壓室的差壓ΔP=0，變送器輸出信號(hào)為4mA當(dāng)H=Hmax時(shí)，差壓ΔPmax=ρgHmax，

變送器的輸出信號(hào)為20mA，9負(fù)遷移差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為正、負(fù)壓室的壓差為當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=-（h2-h1）ρ2g<0，使變送器在H=0時(shí)輸出電流小于4mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流小于20mA。因此必須調(diào)整變送器的零點(diǎn)，使得：H=0時(shí)，輸出電流等于4mA；Hmax=0時(shí)，輸出電流等于20mA。10負(fù)遷移（續(xù)）當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=-（h2-h1）ρ2g<0，因此必須調(diào)整變送器的零點(diǎn)，使得：H=0時(shí)，輸出電流等于4mA；ax=0時(shí)，輸出電流等于20mA。0，0420ΔP(Pa)ΔPmaxI0(mA)11正遷移

變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置

。正、負(fù)壓室的壓力分別為：正、負(fù)壓室的壓差為：當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=h1ρg>0，從而使變送器在H=0時(shí)輸出電流大于4mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流大于20mA。因此必須調(diào)整變送器的零點(diǎn)12正、負(fù)遷移示意圖0500042020007000ΔP(Pa)-20003000I0(mA)某壓力變送器的測量范圍：0~5000Pa，固定差壓：=2000Pa13四、

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(shí)，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(jì)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(duì)介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，可測量：導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)。1、測量原理142、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：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(jì)的檢測原理。 圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極。153、測量非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計(jì)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。液位為0時(shí)：0——空氣介質(zhì)介電常數(shù)。16電容量的變化與液位的關(guān)系液位為0時(shí)：0——空氣介質(zhì)介電常數(shù)。液位上升為H時(shí)：電容量的變化：Ki：比例系數(shù)。靈敏度分析。174、測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)在具體測量時(shí)。電容式液位計(jì)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(jì)，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18五、核幅射式物位儀表1、工作原理：不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度I0之間有如下關(guān)系：式中

—吸收系數(shù)，條件固定時(shí)為常數(shù)。變形為：因此測液位可通過測量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來實(shí)現(xiàn)。192、核幅射式物位儀表的組成核幅射式液位計(jì)由輻射源、接收器和測量儀表組成。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(gè)小孔或窄縫透出。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(jì)數(shù)管吸收，每接收到一個(gè)粒子，就輸出一個(gè)脈沖電流。射線越強(qiáng)，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。20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(jì)。其中(a)為長輻射源和長接收器形式，輸出線性度好；(b)為點(diǎn)輻射源和點(diǎn)接收器形式，輸出線性度較差。核輻射式液位計(jì)1-放射源；2-接收器213、核幅射式物位儀表的特點(diǎn)輻射式液位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號(hào)和進(jìn)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(shí)現(xiàn)完全非接觸測量。這些特點(diǎn)使得輻射式液位計(jì)適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下不常有人之處的液位測量，如高溫、高壓、強(qiáng)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(shí)仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害。22六、超聲波物位儀表1、測量原理：根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時(shí)間間隔大小與被測介質(zhì)高度成比例關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)物位測量的。據(jù)傳聲介質(zhì)的不同有：液介式、氣介式、固介式三種。測量時(shí)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(shí)間t后，便可接收到從界面反射回來的回波信號(hào)。V----傳播速度；H----從探頭至界面的距離；t----從探頭發(fā)射至液面反射回來的時(shí)間。超生波的發(fā)射和接受：換能器。核心是壓電片（壓電晶體），壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，232、超聲波的特點(diǎn)一般需要對(duì)聲速v進(jìn)行溫度補(bǔ)償聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)衰減：氣體最大，液體次之，固體最小。傳播距離。聲波傳播的方向性：頻率越高方向性越好，超聲波可近似認(rèn)為是直線傳播。聲波從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)傳播時(shí)的反射：聲阻抗相差越大，反射的越多。垂直入射時(shí)：從液體、固體氣體99%的反射系數(shù)，聲波幾乎全部被反射。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)而且與溫度有關(guān)。243、聲速的補(bǔ)償（1）一般需要對(duì)速度v進(jìn)行補(bǔ)償，方法有：時(shí)間t可以測的很準(zhǔn)。1)

溫度補(bǔ)償：測出溫度，根據(jù)聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。例如：對(duì)于空氣，多數(shù)液體和固體溫度升高，聲速降低。2)

設(shè)置校正具L0校正探頭反射板測量探頭放入被測介質(zhì)中（2）由（1）、（2）式，得：（3）25一種具有聲速溫度補(bǔ)償功能的物位計(jì)

測量原理：根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時(shí)間間隔大小與被測介質(zhì)高度成比例關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)液位測