化工測量及儀表第4章

第4章物位測量(cèliáng)化學(xué)工業(yè)(huàxuégōngyè)出版社精品資料物位是指存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度或位置。如液體介質(zhì)液面的高低稱為液位；液體—液體或液體—固體的分界面(jièmiàn)稱為界位；固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度稱為料位。液位、界位及料位的測量統(tǒng)稱為物位測量。測量液位、界位或料位的儀表(yíbiǎo)稱為物位計。根據(jù)測量對象的不同，可分為液位計、界位計及料位計。為了滿足生產(chǎn)過程中各種不同條件或要求的物位測量，物位計的種類有很多，測量方法也各不相同，本章將對常用的物位測量方法及典型的物位計進行介紹。精品資料4.1浮力(fúlì)式液位計4.1.1浮子式液位計

4.1.2浮筒式液位計精品資料浮子式液位計是應(yīng)用浮力原理測量液位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映(fǎnyìng)液位的變化，浮子在測量中所受浮力為恒定值，故稱為恒浮力法如圖所示，將浮子由繩索經(jīng)滑輪與容器外的平衡重物相連，利用浮子所受重力和浮力之差與平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。則平衡關(guān)系為

式中W——浮子所受重力；F——浮子所受浮力；G——平衡重物的重力。一般使浮子浸沒一半(yībàn)時，滿足上述平衡關(guān)系。測量原理4.1.1

浮子式液位計

精品資料當(dāng)液位上升時，浮子被浸沒的體積增加，因此浮子所受的浮力F增加，則W－F<G，使原有的平衡關(guān)系破壞，則平衡重物會使浮子向上移動。直到重新滿足上式為止(wéizhǐ)，浮子將停留在新的液位高度上；反之亦然。忽略繩索的重力影響，W和G可認為是常數(shù)，因此浮子停留在任何高度(gāodù)的液面上時，F(xiàn)的值也應(yīng)為常數(shù)，故稱此方法為恒浮力法。這種方法實質(zhì)上是通過浮子把液位的變化轉(zhuǎn)換為機械位移的變化。測量原理4.1.1

浮子式液位計精品資料在這種轉(zhuǎn)換方式中，繩索兩端垂直長度l1和l3不等時繩重以及(yǐjí)滑輪的摩擦力會使平衡條件受到影響，因而引起讀數(shù)的誤差。繩重引起的誤差是有規(guī)律的，能夠在刻度分度時予以修正。摩擦力引起的誤差最大，且與運動方向有關(guān)，無法修正，惟有加大浮子的定位能力來減小其影響。浮子的定位能力是指浸沒浮子高度的變化量ΔH所引起的浮力變化量ΔF，而ΔF=ρgAΔH，則得表達式為式中A為浮子的截面積，ρ為液體密度，g為重力加速度?？梢?kějiàn)增加浮子的截面積能顯著地增大定位能力，這是減小摩擦阻力誤差的最有效的途徑。4.1.1

浮子式液位計測量原理精品資料4.1.1浮子(fúzi)式液位計實例一:浮球式液位計浮球1是由金屬(一般為不銹鋼)制成的空心球。它通過連桿2與轉(zhuǎn)動軸3相連，轉(zhuǎn)動軸3的另一端與容器外側(cè)的杠桿5相連，并在杠桿5上加上平衡重物4，組成以轉(zhuǎn)動軸3為支點的杠桿力矩平衡系統(tǒng)。一般要求浮球的一半浸沒于液體(yètǐ)之中時，系統(tǒng)滿足力矩平衡。

當(dāng)液位升高時，浮球被浸沒的體積增加，所受的浮力增加，破壞了原有的力矩平衡狀態(tài)，平衡重物使得杠桿5作順時針方向轉(zhuǎn)動，浮球位置抬高，直到浮球的一半浸沒在液體中時，重新恢復(fù)杠桿的力矩平衡為止，浮球停留在新的平衡位置上。如果在轉(zhuǎn)動軸的外側(cè)安裝一個指針，便可以由輸出的角位移知道液位的高低。

應(yīng)用實例精品資料4.1.1浮子(fúzi)式液位計在與容器連通的非導(dǎo)磁(一般為不銹鋼)管內(nèi)，帶有磁鐵的浮子隨管內(nèi)液位的升降，利用磁性的吸引，使得帶有磁鐵的紅白兩面分明的翻板(fānbǎn)或翻球產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。有液體的位置紅色朝外，無液體的位置白色朝外，根據(jù)紅色指示的高度可以讀得液位的具體數(shù)值，實例二:磁翻轉(zhuǎn)式液位計

應(yīng)用實例精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計測量(cèliáng)原理浮筒式液位計利用浸沒在液體中的浮筒測量液位的變化，浮筒在測量中所受浮力隨液位浸沒高度而變化，因此稱為變浮力法。

測量原理如圖所示，將一個截面相同、重力為W的圓筒形金屬浮筒懸掛在彈簧上，浮筒的重力被彈簧的彈性力所平衡。當(dāng)浮筒的一部分被液體浸沒時，由于受到液體的浮力作用而使浮筒向上移動，當(dāng)浮力F與彈性力達到平衡時，浮筒停止移動，此時滿足如下關(guān)系

式中c——彈簧剛度；

x——彈簧壓縮位移；

A——浮筒的截面積H——浮筒被液體浸沒的高度

ρ——被測液體密度；g——重力加速度。精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計測量(cèliáng)原理當(dāng)液位變化時，由于浮筒所受的浮力發(fā)生變化，浮筒的位置也要發(fā)生變化。例如液位升高ΔH，則浮筒要向上移動Δx，此時的平衡關(guān)系為

又因為所以有如果在浮筒的連桿上安裝一個位移-電氣轉(zhuǎn)換裝置

，便可輸出相應(yīng)的電信號，實現(xiàn)液位的信號的遠傳和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

浮筒產(chǎn)生的位移Δx與液位變化ΔH成比例。精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計變浮力(fúlì)液位計實例——軸封膜片式浮筒液位計軸封膜片式浮筒液位計是的結(jié)構(gòu)如圖所示，它也是由測量和轉(zhuǎn)換兩部分組成。測量部分包括浮筒、主杠桿；轉(zhuǎn)換部分包括主杠桿、矢量機構(gòu)、副杠桿、反饋機構(gòu)、差動變壓器及放大器等，其作用是將測量部分產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。當(dāng)液位升高時，作用于浮筒上的浮力隨之增大，此力作為輸入力F1作用在主杠桿的一端，使主杠桿以軸封膜片為支點產(chǎn)生順時針方向的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)原理與電動差壓變送器的轉(zhuǎn)換部分相同，此處不再詳述。精品資料4.2靜壓式液位計4.2.1靜壓法液位測量的原理

4.2.2壓力式液位計

4.2.3差壓式液位計

精品資料4.2.1靜壓法液位測量(cèliáng)的原理測量(cèliáng)原理

靜壓式液位的測量方法是通過測得液柱高度產(chǎn)生的靜壓實現(xiàn)液位測量的。其原理如圖所示，pA為密閉容器中A點的靜壓(氣相壓力)，pB為B點的靜壓，H為液柱高度，ρ為液體密度。根據(jù)流體靜力學(xué)的原理可知，A、B兩點的壓力差為式中

pB——

B點的表壓力。

如果圖中的容器為敞口容器，則pA為大氣壓，則上式可寫為精品資料4.2.1靜壓法液位測量(cèliáng)的原理測量(cèliáng)原理由前式可知，液體任何一點的壓力等于其表面壓力加上液體密度與重力加速度及液柱高度的乘積。液體的靜壓力是液位高度和液體密度的函數(shù)，當(dāng)液體的密度為常數(shù)時，A、B兩點的壓力或壓差僅與液位高度有關(guān)。因此可以通過測量p或Δp來實現(xiàn)液位高度的測量。同時還可以看出，根據(jù)上述原理還可以直接求得容器內(nèi)所儲存液體的質(zhì)量。因為p或Δp代表了單位面積上一段高度為H的液柱所具有的質(zhì)量。所以測得p或Δp再乘以容器的截面積，即可得到容器中全部液體的質(zhì)量。

精品資料4.2.2壓力(yālì)式液位計用測壓儀表(yíbiǎo)測量壓力式液位計是基于測壓儀表所測壓力高低來測量液位的原理，主要用于敞口容器的液位測量。必須指出，只有測壓儀表的測壓基準(zhǔn)點與最低液位一致時，液位和壓力的函數(shù)關(guān)系才能成立。如果測壓儀表的測壓基準(zhǔn)點與最低液位不一致，必須要考慮附加液柱的影響，要對其進行修正。這種方式適用于粘度較小、潔凈液體的液位測量。當(dāng)測量粘稠、易結(jié)晶或含有顆粒液體的液位時，由于引壓導(dǎo)管易堵塞，不能從導(dǎo)管引出液位信號，可以采用如圖(b)所示的法蘭式壓力變送器測量液位的方式。

如圖所示。測壓儀表（壓力表或壓力變送器）通過引壓導(dǎo)管與容器底部相連，由測壓儀表的指示便可知道液位的高度。若需要信號遠傳則可以采用傳感器或變送器進行壓力-電氣信號轉(zhuǎn)換。

(a)

(b)

精品資料4.2.2壓力(yālì)式液位計用吹氣法測量(cèliáng)對于測量有腐蝕性、高粘度或含有懸浮顆粒液體的液位，也可以采用吹氣法進行測量，如圖4-2-3所示。在敞口容器中插入一根導(dǎo)管，壓縮空氣經(jīng)過濾器、減壓閥、節(jié)流元件、轉(zhuǎn)子流量計，最后由導(dǎo)管下端敞口處逸出。

壓縮空氣p1的壓力根據(jù)被測液位的范圍，由減壓閥2控制在某一數(shù)值上；p2的壓力是通過調(diào)整節(jié)流元件3保證液位上升至最高點時，仍有微量氣泡從導(dǎo)管下端敞口處逸出。

當(dāng)液位上升或下降時，液封壓力會升高或降低，致使從導(dǎo)管下端逸出的氣量也要隨之減少或增加。導(dǎo)管內(nèi)的壓力幾乎與液封靜壓相等，因此，由壓力儀表5所顯示的壓力值即可反映出液位的高度H。

1—過濾器；2—減壓閥；3—節(jié)流元件；4—轉(zhuǎn)子流量計；5—測壓儀表精品資料4.2.3差壓式液位計

零點遷移(qiānyí)問題差壓式液位計主要用于密閉有壓容器(róngqì)的液位測量。由測量原理可知，凡是能夠測量差壓的儀表都可以用于密閉容器(róngqì)液位的測量。采用差壓式液位計測量液位時，由于安裝位置不同，一般情況下均會存在零點遷移的問題。(1)無遷移

當(dāng)液位由H=0變化到最高液位H=Hmax時，Δp由零變化到最大差壓Δpmax，變送器對應(yīng)的輸出電流為Imin~Imax。變送器的測量范圍不需要調(diào)整，稱為無遷移。

如圖所示，變送器安裝高度與容器下部取壓位置在同一高度。將差壓變送器的正、負壓室分別與容器下部和上部的取壓點p1、p2相連接，如果被測液體的密度為ρ，則作用于差壓變送器正、負壓室的差壓為精品資料4.2.3差壓式液位計零點遷移(qiānyí)問題當(dāng)H=0時，Δp=hρg>0，并且為常數(shù)項，作用于變送器使其輸出電流大于Imin；當(dāng)H=Hmax時，最大壓差Δp=Hmaxρg+hρg，使變送器輸出電流大于Imax。這時可以通過調(diào)整(tiáozhěng)變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0，Δp=hρg時，其輸出為Imin；當(dāng)H=Hmax，最大壓差Δp=Hmaxρg+hρg時，變送器的輸出為Imax，從而實現(xiàn)變送器輸出與液位之間的正常對應(yīng)關(guān)系，此時變送器的測量范圍發(fā)生變化，但量程仍然為Hmaxρg。由于調(diào)整(tiáozhěng)的壓差Δp是大于零(作用于正壓室)的附加靜壓，所以稱為正遷移。（2）正遷移實際測量中，變送器的安裝位置有時低于容器下部的取壓位置，如圖所示，變送器安裝高度低于測量下限的距離為h。這時液位高度H與壓差Δp之間的關(guān)系式為精品資料4.2.3差壓式液位計零點(línɡdiǎn)遷移問題（3）負遷移有些介質(zhì)對儀表會產(chǎn)生腐蝕作用。這些情況下，往往采用在正、負壓室與取壓點之間分別安裝隔離(gélí)罐的方法。因此，負壓側(cè)引壓導(dǎo)管也有一個附加的靜壓作用于變送器，使得被測液位H=0時，壓差不等于零。如圖所示，負壓導(dǎo)管充滿高度為h的被測液體，則此時液位高度H與壓差Δp之間的關(guān)系式為由上式可知，當(dāng)H=0時，Δp=－h(huán)ρg<0，作用于變送器會使其輸出小于Imin；當(dāng)H=Hmax時，最大壓差Δp=Hmaxρg－h(huán)ρg，使變送器輸出小于Imax。這時可以通過調(diào)整變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0時，Δp=－h(huán)ρg<0時，其輸出為Imin;當(dāng)H=Hmax、最大壓差Δp=Hmaxρg－h(huán)ρg時，變送器的輸出為Imax；變送器的測量范圍發(fā)生變化，實現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常對應(yīng)關(guān)系，但量程仍然為Hmaxρg。由于調(diào)整的壓差Δp是小于零(作用于負壓室)的附加靜壓，則稱為負遷移。

精品資料4.2.3差壓式液位計特殊(tèshū)介質(zhì)的液位、料位測量當(dāng)測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒(kēlì)，以及粘度大、易凝固等介質(zhì)的液位時，為解決引壓管線腐蝕或堵塞的問題，可以采用法蘭式差壓變送器。如圖所示，變送器的法蘭直接與容器上的法蘭連接，作為敏感元件的測量頭1(金屬膜盒)經(jīng)毛細管2與變送器的測量室相連通，在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，起到變送器與被測介質(zhì)隔離的作用。

法蘭式差壓變送器有單法蘭、雙法蘭、插入式或平法蘭等結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)被測介質(zhì)的不同情況進行選用。法蘭式差壓變送器測量液位時，同樣存在零點“遷移”問題，遷移量的計算方法與前述差壓式相同。

（1）腐蝕性、易結(jié)晶或高粘介質(zhì)

精品資料4.2.3差壓式液位計特殊(tèshū)介質(zhì)的液位、料位測量（2）流態(tài)化粉末狀、顆粒狀固態(tài)(gùtài)介質(zhì)在石油化工生產(chǎn)中，常遇到流態(tài)化粉末狀催化劑在反應(yīng)器內(nèi)流化床床層高度的測量。因為流態(tài)化的粉末狀或顆粒狀催化劑具有一般流體的性質(zhì)，所以在測量它們的床層高度或藏量時，可以把它們看作流體對待。測量的原理也是將測量床層高度的問題變成測差壓的問題。但是，在進行上述測量時，由于有固體粉末或顆粒的存在，測壓點和引壓管線很容易被堵塞，因此必須采用反吹風(fēng)系統(tǒng)，即采用吹氣法用差壓變送器進行測量。

流化床內(nèi)測壓點的反吹風(fēng)方式如圖所示，在有反吹風(fēng)存在的條件下，設(shè)被測壓力為p，測量管線引至變送器的壓力為p2（即限流孔板后的反吹風(fēng)壓力），反吹管線壓降為Δp，則有p2=p+Δp，看起來儀表顯示壓力p2較被測壓力高Δp，在一定條件下，反吹風(fēng)氣量可以很小，因而Δp可以忽略不計，即p2≈p。精品資料4.3電容式液位計4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量

4.3.3固體料位的測量

精品資料4.3電容式液位計

測量(cèliáng)原理電容式物位傳感器是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，結(jié)構(gòu)(jiégòu)如圖所示。它由兩個長度為L，半徑分別為R和r的圓筒形金屬導(dǎo)體組成內(nèi)、外電極，中間隔以絕緣物質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。電容的表達式為由上式可見，改變R、r、ε、L其中任意一個參數(shù)時，均會引起電容C的變化。實際物位測量中，一般是R和r固定，采用改變ε或L的方式進行測量。電容式物位傳感器實際上是一種可變電容器，隨著物位的變化，必然引起電容量的變化，且與被測物位高度成正比，從而可以測得物位。

由于所測介質(zhì)的性質(zhì)不同，采用的方式也不同，下面分別介紹測量不同性質(zhì)介質(zhì)的方法。式中ε

——

內(nèi)、外電極之間的介電常數(shù)。精品資料4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量(cèliáng)當(dāng)測量石油類制品、某些有機液體等非導(dǎo)電介質(zhì)時，電容傳感器可以采用如圖所示方法。它用一個光電極1作為內(nèi)電極，用與它絕緣的同軸金屬圓筒2作為外電極，外電極上開有孔和槽，以便被測液體自由地流進或流出。內(nèi)、外電極之間采用絕緣材料3進行絕緣固定。-當(dāng)被測液位H=0時，電容器內(nèi)、外電極之間氣體（最常見(chánɡjiàn)的是空氣）的介電常數(shù)為εo，電容器的電容量為非導(dǎo)電液位測量

式中

H——

電極被液體浸沒的高度；

εx——

被測液體的介電常數(shù)；

ε0——

氣體的介電常數(shù)。當(dāng)液位為某一高度H時，電容器可以視為兩部分電容的并聯(lián)組合，即精品資料4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量(cèliáng)非導(dǎo)電(dǎodiàn)液位測量當(dāng)液位變化時，引起電容的變化量為ΔC=Cx-C0，由前式可得由此可見，當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的差值越大，或內(nèi)外電極的半徑R和r越接近，傳感器的靈敏度越高，所以測量非導(dǎo)電液體的液位時，傳感器一般不采用容器壁做外電極，而是采用直徑較小的豎管做外電極，或?qū)?nèi)電極安裝在接近容器壁的位置，以提高測量靈敏度。

由此可見，ΔC與被測液位H成正比，因此測得電容的變化量便可以得到被測液位的高度。為了提高靈敏度，希望H前的系數(shù)盡可能大。因為式中為轉(zhuǎn)換的靈敏系數(shù)。精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量(cèliáng)如果被測介質(zhì)為導(dǎo)電液體，內(nèi)電極要采用絕緣材料覆蓋，右圖所示是測量導(dǎo)電介質(zhì)液位的電容式液位計原理圖。直徑為2r的紫銅或不銹鋼內(nèi)電極，外套聚四氟乙烯塑料套管或涂以搪瓷作為電介質(zhì)和絕緣層，內(nèi)電極外徑為2R。直徑為2R0的容器是用金屬制作的，則當(dāng)容器中沒有液體時，介電層為空氣加塑料或搪瓷，電極覆蓋長度為整個L．如果導(dǎo)電液體液位高度為H時，則導(dǎo)電液體就是電容的另一極板(jíbǎn)的一部分。在高度范圍內(nèi)，作為電容器外電極的液體部分的內(nèi)徑為R，內(nèi)電極直徑為r。因此整個電容量為式中

H——

電極被液體浸沒的高度；

εx——

絕緣套管或涂層的介電常數(shù)；

εo——

電極絕緣層和容器內(nèi)氣體共同組成的電容器的的等效介電常數(shù)。精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量(cèliáng)當(dāng)容器空時，即H=0，上面(shàngmiɑn)公式的第二項就成為電極與容器組成的電容器，其電容量為式中

為傳感器的靈敏系數(shù)。

當(dāng)液位發(fā)生變化時精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量(cèliáng)由于容器(róngqì)半徑R0>>金屬電極內(nèi)徑r，且εo<<εx,所以有由上式可見，由于εx、R和r均為常數(shù)，測得ΔC即可獲得被測液位H。但此種方法不能適用于粘滯性介質(zhì)，因為當(dāng)液位變化時，粘滯性介質(zhì)會粘附在內(nèi)電極絕緣套管表面上，造成虛假的液位信號。

所以傳感器的靈敏系數(shù)電容的變化可近似表示為精品資料4.3.3固體(gùtǐ)料位的測量對于非導(dǎo)電固體物料的料位測量，通常采用一根不銹鋼金屬棒與金屬容器器壁構(gòu)成電容器的兩個電極，如右圖所示，金屬棒1作為內(nèi)電極，容器壁作為外電極。將金屬電極棒插入容器內(nèi)的被測物料中，電容變化量ΔC與被測料位H的函數(shù)關(guān)系仍可用非導(dǎo)電液位的函數(shù)關(guān)系來表述，只是式中的εx代表(dàibiǎo)固體物料的介電常數(shù)，R代表(dàibiǎo)容器器壁的內(nèi)徑，其他參數(shù)相同。如果測量導(dǎo)電的固體料位，則需要對圖中的金屬棒內(nèi)電極加上絕緣套管，測量原理同導(dǎo)電液位測量，也可用相同的函數(shù)表述。

精品資料4.4非接觸式物位測量(cèliáng)4.4.1輻射式物位計

4.4.2超聲波物位計

4.4.3光電式物位計

精品資料4.4.1輻射式物位計

傳感器測量(cèliáng)原理放射性同位素能放射出α、β和γ射線。它們都是高速運動的粒子流，粒子流能穿過物質(zhì)使沿途的原子產(chǎn)生電離。當(dāng)這些(zhèxiē)射線通過一定厚度的物體（例如固體或液體）時，由于粒子的碰撞和克服阻力，粒子的動能就要消耗，最后動能等于零，粒子就留在物體中，即射線被物體所吸收掉了。如果動能不等于零，則射線粒子就會穿透這個厚度的物體。它們在物質(zhì)中所經(jīng)過路程的長短叫射程。射程主要由電離能力的大小決定，電離作用越強，則穿過物質(zhì)時所損失的能量越大，因此射程就越短。α射線穿透物質(zhì)的能力最低，射程最短，β射線次之，γ射線受物質(zhì)吸收較少，穿透能力強，射程遠，因此物位檢測主要采用γ射線。射線的透射強度隨著通過介質(zhì)厚度的增加而減弱，入射強度為I0的放射源，隨介質(zhì)厚度增加射線強度按指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為式中

μ

——

介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)；

H

——

介質(zhì)層的厚度；

I

——

穿過介質(zhì)后的射線強度。精品資料4.4.1輻射式物位計

傳感器測量(cèliáng)原理不同介質(zhì)吸收射線的能力是不一樣的。一般來說，固體吸收能力最強，液體次之，氣體最弱。當(dāng)放射源已經(jīng)選定(xuǎndìnɡ)，被測介質(zhì)不變時，則I0與μ都是常數(shù)。根據(jù)式，可得式中

μ

——

介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)；

H

——

介質(zhì)層的厚度；

I

——

穿過介質(zhì)后的射線強度。應(yīng)用放射性同位素測量物位的原理如下圖所示。由放射源放射出的射線，穿過設(shè)備和被測介質(zhì)后，被探測器所接收，并把射線強度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大器放大后送入顯示儀表進行顯示。只要測定通過介質(zhì)后的射線強度，就可知被測介質(zhì)的厚度H，即液位或料位的高度。精品資料4.4.1輻射式物位計輻射式物位測量方法根據(jù)測量原理，只要在容器外部的某一位置相對兩側(cè)安裝放射源和接收器，由放射源發(fā)出的射線，通過容器中的介質(zhì)(jièzhì)使接收器所接收的射線能量強度隨著物位的升高而降低。圖(b)為自動跟蹤的測量方法。通過電機帶動放射源和接收器沿導(dǎo)軌升降，始終保持放射源和接收器在同一高度，并對液位進行自動跟蹤。因此，它既保持了定點方式(fāngshì)的優(yōu)點，又可以實現(xiàn)連續(xù)測量，并且測量范圍可以很寬。

圖(a)所示為定點測量方法。將放射源與接收器安裝在同一平面上，由于液體(或固體顆粒)吸收射線的能力遠比氣體強，因而當(dāng)液位超過或低于此平面時，接收器接收到的射線強度發(fā)生急劇變化，將其輸出信號放大后，帶動繼電器工作，便可以實現(xiàn)定點控制。此種方法的特點是準(zhǔn)確性高，工作穩(wěn)定可靠。精品資料4.4.1輻射式物位計輻射式物位測量方法圖(d)所示為放射源多點組合的物位測量方法，圖(e)所示為接收器多點組合的物位測量方法，圖(f)則表示兩者并用的方法。對于測量范圍比較(bǐjiào)大的液位，可以采用這三種方式之一，可以改善線性關(guān)系，但安裝和維護較困難。圖(c)是在容器外部相對應(yīng)的位置(wèizhi)安裝放射源和接收器，射線通過容器中的液體時，部分被吸收，并且液位越高被吸收的越多。因此，由接收器接收到的射線強弱，便可表達出液位的高低。此種方法便于安裝、維護和調(diào)整。但測量范圍較窄，一般為300～500mm。精品資料4.4.1輻射式物位計輻射式物位測量(cèliáng)的特點由于放射源的輻射強度不受溫度、壓力的影響，并且它的測量元件與被測介質(zhì)不接觸，測量范圍為0~3000mm，可以用在高溫、低溫、高壓容器的高粘度、劇毒、強腐蝕或易燃易爆介質(zhì)的物位測量。它不僅可以測量液位，也可以測量顆粒狀、粉末狀介質(zhì)的料位。另外，它還可以測量不同密度的液體分界面、液體與固體的分界面。其缺點是射線對人體有較大的危害，使用(shǐyòng)時必須采取嚴格的防范措施。但只要正確選擇放射源的強度，并且保證防護條件符合國家規(guī)定，可以確保安全，放心使用(shǐyòng)。精品資料4.4.2超聲波物位計測量(cèliáng)原理所謂超聲波一般是指頻率高于可聽頻率極限(20kHz以上頻段)的彈性振動，這種振動以波動的形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。超聲波可以在氣體、液體、固體中傳播，并具有一定的傳播速度。超聲波在穿過介質(zhì)時會被吸收而產(chǎn)生衰減，氣體吸收最強則衰減最大，液體次之，固體吸收最少則衰減最小。超聲波在穿過不同介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射，反射波的強弱決定于分界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗，兩介質(zhì)的聲阻抗差別越大，反射波越強。聲阻抗即介質(zhì)的密度與聲速的乘積。根據(jù)超聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間(shíjiān)間隔與物位高度之間的關(guān)系，就可以進行物位的測量。

利用超聲波的物理性質(zhì)可以制成超聲波式物位計，根據(jù)安裝方式的不同，可分為聲波阻斷型和聲波反射型兩種類型精品資料4.4.2超聲波物位計測量(cèliáng)原理(1)聲波阻斷型它是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中被吸收而衰減的情況的不同，來探測在超聲波探頭前方是否有液體或固體物料存在。當(dāng)液體或固體物料在儲罐、料倉中積存高度達到預(yù)定高度位置時，超聲波即被阻斷，即可發(fā)出報警信號或進行限位控制。這種探頭安裝方式主要用于超聲波物位控制器中，也可用于運動體(人員、車輛)以及生產(chǎn)流水線上工件流轉(zhuǎn)等的計數(shù)和自動開門控制中。(2)聲波反射型它是利用超聲波回波測距的原理，可以對液位進行連續(xù)測量。實際應(yīng)用中可以采用多種方法。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，有氣介式、液介式和固介式；根據(jù)探頭的工作方式，又有自發(fā)自收的單探頭方式和收、發(fā)分開的雙探頭方式。它們相互(xiānghù)組合就可得到不同的測量方案。精品資料4.4.2超聲波物位計測量方法（1）液介式測量方法如圖(a)所示，探頭固定安裝在液體中最低液位處，探頭發(fā)出的超聲脈沖在液體中由探頭傳至液面，反射(fǎnshè)后再從液面返回到同一探頭而被接收。液位高度與從發(fā)到收所用時間之間的關(guān)系可表示為式中H——探頭(tàntóu)到液面的垂直距離v——超聲波在介質(zhì)中的傳播速度t——超聲波由發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間精品資料4.4.2超聲波物位計測量方法（2）氣介式測量方式如圖(b)所示，探頭安裝在最高液位之上的氣體中，液位和時間的函數(shù)關(guān)系同前式，只是v代表氣體中的聲速。（3）固介式測量方式圖(c)所示是固介式測量方法，將一根傳聲的固體棒或管插入液體(yètǐ)中，上端要高出最高液位，探頭安裝在傳聲固體的上端，液位和時間的函數(shù)關(guān)系同前式，但v代表固體中的聲速。精品資料4.4.2超聲波物位計測量方法（4）雙探頭(tàntóu)液介式測量方法如圖(d)所示，若兩探頭(tàntóu)中心間距為2a，聲波從探頭(tàntóu)到液位的斜向路徑為S，探頭(tàntóu)至液位的垂直高度為H，則而（5）雙探頭氣介式方式如圖(e)所示，只要將v理解為氣體中的聲速，則上面關(guān)于雙探頭液介式的討論完全(wánquán)可以適用。精品資料4.4.2超聲波物位計測量方法（6）雙探頭固介式方式如圖(f)所示，，它需要采用兩根傳聲固體，超聲波從發(fā)射(fāshè)探頭經(jīng)第一根固體傳至液面，再在液體中將聲波傳至第二根固體，然后沿第二根固體傳至接收探頭。超聲波在固體中經(jīng)過2H距離所需的時間，將比從發(fā)到收的時間略短，所縮短的時間就是超聲波在液體中經(jīng)過距離d所需的時間，所以式中v—固體中的聲速； vH—液體中的聲速；d—兩根傳聲(chuánshēnɡ)固體之間的距離。當(dāng)固體和液體中的聲速v、vH已知，兩根傳聲(chuánshēnɡ)固體之間的距離d固定時，則可根據(jù)測得的t求得H。精品資料4.4.2超聲波物位計測量方法（7）液—液相界面(jièmiàn)的測量利用超聲波反射時間差法也可以檢測液一液相界面位置。如圖4-4-4所示，兩種不同(bùtónɡ)的液體A、B的相界面在h處，液面總高度為h1，超聲波在A、B兩液體中的傳播速度分別為v1和v2。采用單探頭液介式方式進行測量。

超聲波在液體A、B中傳播并被液面反射回來的往返時間為由上兩式可得：或由以上兩式可知，檢測t1、v1即可求得界面位置h，或者檢測出t1、t2和v2亦可求出h。超聲波界面?zhèn)鞲衅鞯木瓤蛇_1％，檢測范圍為數(shù)米時的分辨率達±1mm。

超聲波在液體A中傳播并被A、B液體相界面反射回來的往返時間為精品資料4.4.2超聲波物位計聲速(shēnɡsù)的校正聲速v值準(zhǔn)確與否對于采用回波法測量液位來說是至關(guān)重要的。聲速與介質(zhì)的密度有關(guān)，而密度又隨溫度和壓力而改變，因此，實際聲速是一個變化值。為了(wèile)排除聲速變化對測量的影響，應(yīng)對聲速進行校正。聲速校正裝置是在傳聲介質(zhì)中取相距S0固定距離的兩端安裝一個超聲探頭(校正探頭)和反射板組成的測量裝置。對液介式液位計而言，校正具應(yīng)安裝在液體介質(zhì)最底處以避免水面反射聲波的影響，同理對氣介式液位計而言，校正具應(yīng)放在容器頂端的容器中。如果超聲脈沖從探頭發(fā)射經(jīng)時間t0后返回探頭，行程為2S0，則得實際聲速為將上式代入中(即v0=v)從上式中顯然可見，被測液位高度H變?yōu)闀r間t、t0的函數(shù)

則可得精品資料4.4.3光電式物位計光學(xué)式物位最簡單的模式是：發(fā)光光源(如燈泡)放在容器的一側(cè)，另一側(cè)相對光源處裝置光敏元件，當(dāng)物位升高至物料遮擋光源時，光敏元件輸出信號突變，儀表發(fā)出開關(guān)信號，進行報警或控制。目前(mùqián)常用的光源發(fā)射器有激光器、發(fā)光二極管、普通燈光等，光源的接收可由光敏電阻、光電二極管、光電池、光電倍增管等多種光電元件來實現(xiàn)。在選定某種光源器件后，再據(jù)此來選擇接收元件，并與合適的線路配合，組成物位計。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理光接收器件是光電式測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起著將光轉(zhuǎn)換為電信號的作用。基于光電效應(yīng)原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件稱為光電器件或光敏器件，按其轉(zhuǎn)換原理可分為(fēnwéi)光電發(fā)射型、光導(dǎo)型和光伏型。在此簡要介紹一下光導(dǎo)型和光伏型光電元件的原理。（1）光導(dǎo)效應(yīng)和光導(dǎo)型傳感器大多數(shù)半導(dǎo)體的電阻率，受到光照吸收光子的能量后，會發(fā)生改變，使半導(dǎo)體的電阻值下降而易于導(dǎo)電，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。其原因是半導(dǎo)體內(nèi)部的帶電粒子吸收了光的能量后，使材料內(nèi)部的帶電粒子增加，從而使導(dǎo)電性增強，光線越強，阻值越低?；谶@一原理制造的半導(dǎo)體光電器件有光敏電阻、光電二極管和光電晶體管。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理①光敏電阻光敏電阻是用具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的電阻器件。當(dāng)受到光照時，其電阻值下降，光線越強，阻值也變得越低；光照停止，阻值又恢復(fù)原值。把光敏電阻連接到外電路中，如圖4-4-7所示，在外加(wàijiā)電壓(直流偏壓或交流電壓)作用下，電路中的電流及其在負載電阻上的壓降將隨光線強光照度變化而變化，這樣就將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光敏電阻在不受光照時的電阻值稱為暗電阻，受光照時的電阻值稱為亮電阻。暗阻越大越好，亮阻越小越好，這樣光敏電阻的靈敏度就高。實際光敏電阻的暗阻一般在兆歐數(shù)量級，亮阻在幾千歐以下，暗阻和亮阻之比一般為102~106。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理①光敏電阻一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體，半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，僅限于光照的表面薄層。雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但深入厚度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得很高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀，如下圖所示。這種梳狀電極，由于在間距(jiānjù)很近的電極之間有可能采用大的極板面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理②光敏二極管其結(jié)構(gòu)與一般(yībān)二極管相似，但裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光敏二極管在電路中工作時，一般(yībān)加上反向電壓，如圖4-4-9所示。光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，稱為暗電流；當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近時，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過PN結(jié)的反向電流也隨之增加。

如果入射光照度變化，光生電子—空穴對的濃度也相應(yīng)變化，通過外電路的光電流強度也隨之變化。可見光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏二極管不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理③光敏晶體管光敏晶體管又稱光敏三極管，結(jié)構(gòu)與—般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)。它在把光信號(xìnhào)轉(zhuǎn)換為電信號(xìnhào)的同時，又將信號(xìnhào)電流加以放大。圖示為NPN型光敏晶體管的基本簡化電路。當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極—集電極結(jié)就是反向偏壓。當(dāng)光照射在基極—集電極結(jié)上時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，從而形成光電流，輸入到晶體管的基極。由于基極電流增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，即光敏晶體管有放大作用。精品資料4.4.3光電式物位計傳感器測量(cèliáng)原理（2）光生伏特效應(yīng)及光伏傳感器光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電壓時，在PN結(jié)勢壘區(qū)仍然存在(cúnzài)著結(jié)電場，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如下圖所示；