液位的測(cè)量與變送課件

LF13-1“全民開講”系列之液位的測(cè)量變送

液位的測(cè)量與變送簡(jiǎn)介

液位檢測(cè)儀表

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常遇到大量的液體物料和固體物料。他們占有一定的體積，堆成一定的高度。把生產(chǎn)過程中罐、塔、槽等容器中存放的液體表面位置稱為液位；把料斗、堆場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)等儲(chǔ)存的固體塊、顆粒、粉料等的堆積高度和表面位置稱為料位；兩種互不相溶的物質(zhì)的界面位置叫做界位。液位、料位以及相界面總稱為物位。對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量的儀表被稱為物位檢測(cè)儀表。測(cè)量液位的儀表：1:玻璃管（板）式2:靜壓式（壓力式、差壓式）3:稱重式、浮力式（浮筒、浮球、浮標(biāo)）4:電容式、電感式、電阻式5:超聲波式、放射性式、激光式及微波式等2壓力法測(cè)液位

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測(cè)容器中液體的壓力即可測(cè)算出液位高度。

下圖為用于測(cè)量開口容器液位高度的三種壓力式液位計(jì)。

(a)壓力表式液位計(jì)(b)法蘭式液位變送器(c)吹氣式液位計(jì)

對(duì)于具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固的介質(zhì)

引壓導(dǎo)管易被腐蝕或堵塞，影響測(cè)量精度，應(yīng)用法蘭式壓力（差壓）變送器。敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，省去引壓導(dǎo)管，從而克服導(dǎo)管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測(cè)量室相通，它們所組成的密閉系統(tǒng)內(nèi)充以硅油，作為傳壓介質(zhì)。為了毛細(xì)管經(jīng)久耐用，其外部均套有金屬蛇皮保護(hù)管。法蘭式壓力（差壓）變送器

無遷移保證正壓室與零液位等高當(dāng)H為零時(shí)，差壓輸出為零。差壓變送器的作用是將輸入的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。負(fù)遷移形成原因：加隔離罐或采用法蘭式測(cè)壓差。正壓室：負(fù)壓室：差壓：當(dāng)H=0時(shí)，差壓的輸出并不為零，而是-B。為使H=0時(shí)，差變的輸出為4mA，就要消除-B的影響。稱之為量程遷移。由于要遷移的時(shí)為負(fù)值，所以稱為負(fù)遷移。

正遷移正壓室：負(fù)壓室：壓差：當(dāng)H=0時(shí)，差壓輸出并不為零，其值為其遷移量為正值，所以稱為正遷移。綜上所述：正負(fù)遷移的實(shí)質(zhì)是改變變送器的零點(diǎn)，同時(shí)改變量程的上下限，而量程范圍不變。鋼帶浮子式液位計(jì)

右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計(jì)，這是一種最簡(jiǎn)單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。

浮球液位計(jì)

電動(dòng)浮球液位變送器的測(cè)量部分由浮球與平衡桿和平衡錘組成力矩平衡機(jī)構(gòu)，因此浮球可以自由地隨液位的變化而升降。當(dāng)液位改變時(shí)，浮球的位置發(fā)生相應(yīng)的變化，通過球桿帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，表頭內(nèi)角位移傳感器與主軸通過齒輪嚙合，將液位的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)

磁浮子液位計(jì)磁性浮子、浮球式液位計(jì)主要由本體部分、就地指示器、遠(yuǎn)傳變送器以及上、下限液位報(bào)警器等幾部分組成。磁性浮子式液位計(jì)通過與工藝容器相連的筒體內(nèi)浮子隨液面（或界面）的上下移動(dòng)，由浮子內(nèi)的磁鋼利用磁耦合原理驅(qū)動(dòng)磁性翻板指示器，用紅藍(lán)兩色（液紅氣藍(lán)）明顯直觀地指示出工藝容器內(nèi)的液位或界位。

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(cè)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(cè)量浮力變化確定出液位的變化量。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動(dòng)變壓器。

電動(dòng)浮筒液位計(jì)

杠桿的末端吊有內(nèi)筒，浮筒隨介質(zhì)的浮力F1變化而升降，這個(gè)浮力作用在杠桿1上，使杠桿系統(tǒng)以軸封膜片為支點(diǎn)而產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)（軸封膜片一方面作為杠桿的支點(diǎn)，另一方面起密封作用）。帶動(dòng)杠桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器將偏移量經(jīng)信號(hào)處理及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，即完成變換過程。

電阻式液位計(jì)

電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起電路的接通或斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。電阻式液位計(jì)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。

為用于連續(xù)測(cè)量的電阻式液位計(jì)原理圖。圖中：1-電阻棒；2-絕緣套；3-測(cè)量電橋

該液位計(jì)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(gè)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(cè)量可用圖中的電橋電路完成。

電感式液位控制器的原理圖。傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測(cè)容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，當(dāng)液面高度變化時(shí)，浮子隨著移動(dòng)。線圈固定在液位上下限控制點(diǎn)，當(dāng)浮子隨液面移動(dòng)到控制位置時(shí)，引起線圈感應(yīng)電勢(shì)變化，以此信號(hào)控制繼電器動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)上、下液位的報(bào)警與控制。圖中：1、3-上下限線圈；2-浮子

電容式液位計(jì)

電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量。

電容式液位計(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，對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測(cè)量，此外還能測(cè)量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。不僅可作液位控制器。還能用于連續(xù)測(cè)量。(1)檢測(cè)原理

在液位的連續(xù)測(cè)量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖所示。同心圓柱式電容器的電容量：式中：D、d——外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑(m)；ε——極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)；

L——極板相互重疊的長(zhǎng)度(m)。

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(cè)原理。 圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極。

熱學(xué)法

在冶金行業(yè)中常遇到高溫熔融金屬液位的測(cè)量。由于測(cè)量條件的特殊性，目前除使用核幅射法外，還常用熱學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)。它利用了高溫熔融液體本身的特性，即在空氣和高溫液體的分界面處溫度場(chǎng)出現(xiàn)突變的特點(diǎn)，用測(cè)量溫度的方法間接獲得高溫金屬熔液液位。熱學(xué)法按溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換原理的不同，通常又分為熱電法和熱磁感應(yīng)法。

熱電法

熱電法采用熱電偶測(cè)量溫度場(chǎng)，右圖為熱電偶測(cè)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(cè)量高溫金屬熔液液位原理圖

在容器壁上選定一系列測(cè)量點(diǎn)，裝上熱電偶，并將各測(cè)點(diǎn)上熱電偶的輸出記錄下來，得到如圖所示的溫度-電勢(shì)分布曲線，曲線上反映出第7個(gè)和第8個(gè)測(cè)點(diǎn)之間產(chǎn)生了溫度突變，因此液面就在第7與第8測(cè)點(diǎn)之間。溫度-電勢(shì)分布圖

熱電偶測(cè)液位只是一個(gè)較為粗略的測(cè)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(dāng)減小各熱電偶的間距、增加測(cè)量點(diǎn)，則可提高金屬液位測(cè)量分辨力和測(cè)量精度。另外，熱電偶工作端與容器的接觸點(diǎn)要細(xì)而牢固，為此可將熱電偶絲焊在容器壁上，由容器壁充當(dāng)熱電偶的另一極。這種測(cè)量方法雖然精度不高，但很可靠；在連鑄機(jī)結(jié)晶過程等應(yīng)用場(chǎng)合中，仍是一種很適用的液位檢測(cè)控制方法。

熱磁感應(yīng)法

熱磁感應(yīng)法也稱熱磁敏法.

前面熱電法測(cè)溫元件為一組耐高溫?zé)犭娕?，它們把金屬熔液液面處溫度?chǎng)出現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的變化；熱磁感應(yīng)法測(cè)溫元件為一組熱敏磁性元件，把金屬熔液液面處溫度場(chǎng)出現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電抗（電感）大小的變化。

超聲波法

超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。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(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可測(cè)出液位高低。

超聲波液位計(jì)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(jì)的方案。(a)氣介式(b)液介式(c)固介式單探頭超聲波液位計(jì)

由上圖看出，超聲波傳播距離為L(zhǎng)，波的傳播速度為C，傳播時(shí)間為Δt，則：

L是與液位有關(guān)的量，故測(cè)出L便可知液位，L的測(cè)量一般是用接收到的信號(hào)觸發(fā)門電路對(duì)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

單探頭液位計(jì)使用一個(gè)換能器，由控制電路控制它分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。雙探頭式則使用兩個(gè)換能器分別作發(fā)射器和接收器，對(duì)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。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液（界）位變送器運(yùn)用了TDR（時(shí)域反射原理）技術(shù)，發(fā)射的電磁波脈沖沿著桿或纜傳送當(dāng)遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)（空氣或蒸發(fā)汽）介電常數(shù)大的介質(zhì)表面時(shí)，脈沖波被反射回來。用超高速計(jì)來計(jì)算脈沖波的傳導(dǎo)時(shí)間，從而達(dá)到精確的液位測(cè)量。雷達(dá)式液位計(jì)示意圖

雷達(dá)波由天線發(fā)出到接收到由液面來的反射波的時(shí)間t由下式確定

由于故

雷達(dá)探測(cè)器對(duì)時(shí)間的測(cè)量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻法兩種方式。微波脈沖法原理示意圖射線式物位檢測(cè)放射性同位素在蛻變過程中會(huì)放射出α、β、γ三種射線。α射線的電離本領(lǐng)最強(qiáng)，但穿透能力最弱。β射線是電子流，電離本領(lǐng)比α射線弱，而穿透能力較α射線強(qiáng)。γ射線是一種從原子核中發(fā)出的電磁波，它的波長(zhǎng)較短，不帶電荷，它在物質(zhì)中的穿透能力比α和β射線都強(qiáng)，但電離本領(lǐng)最弱。由于射線的可穿透性，它們常被用于情況特殊或環(huán)境條件惡劣的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測(cè)，如位移、材料的厚度及成分、流體密度、流量、物位等。

中子料位計(jì)基本工作原理

反向散射式中子料位計(jì)，或稱中子氫密度界面/料位計(jì)。它通過對(duì)焦炭塔特定區(qū)域內(nèi)物料含Ｈ、Ｃ密度的連續(xù)測(cè)量，給出塔內(nèi)全部物料狀態(tài)（油氣、泡沫、焦炭或水）的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律,并在塔底注油起始信號(hào)配合下給出泡沫層、焦炭層上沿實(shí)時(shí)高度指示值。從而為實(shí)現(xiàn)焦化生產(chǎn)的實(shí)時(shí)在線控制提供信息。其基本工作原理為：1、所用中子源為50毫居钚/鈹（Pu-238/Be）中子源。2、快中子與輕質(zhì)元素特別是氫原子極易發(fā)生彈性反散射碰撞并經(jīng)多次碰撞后被“慢化”為低能量的“慢”中子。3、采用專用的高效慢中子探測(cè)器將這種慢中子接收。該探測(cè)器只對(duì)慢中子靈敏，而對(duì)快中子則基本無作用。把中子源、高效慢中子探測(cè)器及變送器組裝在一起，構(gòu)成中子料位計(jì)，并安裝在被測(cè)裝置壁外特定高度上。中子源發(fā)出的快中子能夠穿透被測(cè)裝置外壁