自動檢測與控制 第5章 物位檢測儀表課件

第五章物位檢測儀表QQ645107670物位，料位、液位和分界面的統(tǒng)稱。通過對物位的測量，不但可確定容器內(nèi)貯料的數(shù)量，以保證連續(xù)生產(chǎn)的需要或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，亦可保證生產(chǎn)過程在安全和合理狀態(tài)下順利進(jìn)行。由于被測物料的性質(zhì)千差萬別，物位測量方法很多，本章主要介紹工廠中常用的物位檢測儀表的原理與應(yīng)用。第一節(jié)浮力式液位計(jì)第二節(jié)差壓式液位計(jì)第三節(jié)電容式物位計(jì)第四節(jié)電導(dǎo)物位傳感器第五節(jié)音叉物位計(jì)第六節(jié)微波物位計(jì)第七節(jié)核輻射物位檢測第八節(jié)磁致伸縮液位計(jì)第九節(jié)超聲波液位計(jì)第一節(jié)浮力式液位計(jì)浮力式液位計(jì)是基于物體在液體中受浮力作用的原理工作的。浮子漂浮在液面上或半浸在液體中隨液面上下波動而升降，浮子所在處就是液體的液位。前者是浮子法，后者是浮力法，是應(yīng)用最廣的液位計(jì)。一、浮子式液位計(jì)浮子式液位計(jì)是一種維持力不變的即恒浮力式液位計(jì)。它是在液體中放置一個浮子，也稱浮標(biāo)，可隨液面變化而自由浮動。浮子隨液面的升降，通過繩索和滑輪帶動指針，便指示出液位數(shù)值。如果把滑輪的轉(zhuǎn)角和繩索的位移，經(jīng)過機(jī)械傳動后轉(zhuǎn)化為電阻或電感等變化，就可以進(jìn)行液位的遠(yuǎn)傳、指示記錄液位值。二、磁翻轉(zhuǎn)浮標(biāo)液位計(jì)為克服玻璃管浮標(biāo)液位計(jì)易碎問題，在浮標(biāo)上設(shè)置永久磁鐵，安裝在非導(dǎo)磁不銹鋼導(dǎo)筒內(nèi)，它隨導(dǎo)筒內(nèi)的液位升降，借助于磁耦合作用，使導(dǎo)管外翻轉(zhuǎn)箱內(nèi)的紅白相間的翻板或翻球依次翻轉(zhuǎn)。有液體的位置紅色朝外，無液體的位置白色朝外，因此紅色就是液位所在，液位高度由標(biāo)尺顯示。三、浮筒式液位計(jì)浮子改成浮筒，將它半浸于液體之中，當(dāng)液面變化時，浮筒被液體浸沒的體積隨著變化而受到不同的浮力，通過測量浮力的變化可以測量液位。1-浮筒，2-杠桿，3-扭力管，4-芯軸，5-推桿，6-霍爾位移轉(zhuǎn)換器第二節(jié)差壓式液位計(jì)測量原理：利用容器內(nèi)液位變化時，由液柱高度產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理工作的，用差壓計(jì)測得的差壓與液位高度成正比，常用來測量敞口容器和密封容器的液位。使用注意事項(xiàng)：習(xí)慣上應(yīng)使變送器輸出信號與液位相對應(yīng)(如液位范圍0-H，則差變輸出的Imin正好對應(yīng)0液位，而Imax對應(yīng)H)，使用時可能需對差壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移。

壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

特性曲線平移而曲線斜率不變稱為零點(diǎn)遷移。分為零點(diǎn)正遷移（Z0>0）、零點(diǎn)負(fù)遷移（Z0<0）兩種類型。其實(shí)質(zhì)是改變上下限，而不改變量程的大小。a無遷移b負(fù)遷移c正遷移三、特殊介質(zhì)液體液位測量某些特殊液體，如腐蝕性、含固體顆粒、易結(jié)晶、易沉淀或粘度大等液體的液位測量，不能采用普通差壓變送器而只能采用法蘭式差壓變送器【因?yàn)槿菀自斐啥氯虿钭儞p壞】。法蘭測頭是一不銹鋼膜盒，膜盒內(nèi)充以硅油，用毛細(xì)管引到差壓變送器的測量室。法蘭式差變測量液位1-平法蘭接頭，2-毛細(xì)管，3-差變，4-插入法蘭接頭第三節(jié)電容式物位計(jì)一、檢測原理

圓筒形電容器的電容量C為：C=2πεL/ln(D/d)=kL可見當(dāng)將電容傳感器插入被測介質(zhì)中，電極浸入介質(zhì)中的深度隨物位高低而變化，電極間介質(zhì)的升降，必然改變兩極板間的電容量，從而可以測出物位。圓筒形電容器1-內(nèi)電極；2-外電極二、電容物位傳感器(一)導(dǎo)電液體電容傳感器

水、酸、堿、鹽及各種水溶液等導(dǎo)電液體電容液位傳感器一般用直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣管或涂以搪瓷絕緣，如圖。電容傳感器插在直徑為D0容器內(nèi)的液體中，通過檢測傳感器電容變化量即可知液位的高低。導(dǎo)電液體液位測量1-內(nèi)電極；2-絕緣套管；3-容器(二)非導(dǎo)體液體電容傳感器非導(dǎo)電液體，不要求電極表面絕緣，可以用裸電極作內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配成電容傳感器。1-內(nèi)電極；2-外電極；3-絕緣環(huán)(三)粉粒狀物料電容傳感器在測量粉粒狀非導(dǎo)電介質(zhì)如礦石、合金、石灰、干燥水泥、糧食等的料位，是長期困擾的難題，至今還沒有一個準(zhǔn)確可靠的測量方法。電容式料位計(jì)原理a)金屬料倉；(b)水泥料倉1-內(nèi)電極;2-金屬容器壁電極;3-鋼絲繩內(nèi)電極;4-鋼筋;5-絕緣體三、射頻導(dǎo)納電容物位計(jì)射頻導(dǎo)納電容物位計(jì)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，是電容物位計(jì)的換代產(chǎn)品，它是由檢測與變送兩部分組成，檢測部分由探頭作為電容器的一極，容器壁(或輔助電極)構(gòu)成電容傳感器。它的電路和傳感器獨(dú)特，克服了一般電容傳感器單純測量電容所引起的誤差。幾乎可測量生產(chǎn)過程中所有介質(zhì)的物位或液位，不受溫度、濕度、流體粘度與密度變化的影響。二、超導(dǎo)液位計(jì)超導(dǎo)液位計(jì)利用低溫下某些金屬的超導(dǎo)現(xiàn)象來測量。圖中1為鉭絲，2為錳銅絲，錳銅絲通以電流。浸在液氦中的鉭絲處于超導(dǎo)狀態(tài)，其電阻為零，但在液面以上的部分仍有電阻。電壓表V和電流表A連續(xù)測出電壓和電流，兩者的讀數(shù)相除即為電阻值，經(jīng)標(biāo)定后可以液位值表示。1-鉭絲;2-錳銅絲三、電感式液位傳感器(一)電渦流液位開關(guān)

平面螺旋紋線圈(盤香形)通以交流電。當(dāng)導(dǎo)電液體表面接近線圈時，液體出現(xiàn)渦流，將使線圈的電感量改變。在線圈兩端并聯(lián)一個電容，并聯(lián)回路的諧振頻率，會因液面向盤形線圈接近或離開而發(fā)生明顯變化。利用這一原理可構(gòu)成電渦流液位開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，但不適合連續(xù)液位檢測。(二)電感式液位計(jì)交流電流通過線圈時，線圈具有一定的感抗，容器內(nèi)無導(dǎo)電液體時感抗最大。當(dāng)液位升高時渦流加大，相當(dāng)于變壓器副邊接近短路，這時原邊感抗就越來越小，原邊電流就會逐漸加大。只需在線圈上通以頻率恒定的交流電壓，便可根據(jù)電流的大小測定液位。連通管1將被測導(dǎo)電液體引至容器2內(nèi)，在容器中央有口字形鐵心3穿過，鐵心另一端上繞有線圈4。(二)旋轉(zhuǎn)葉片或推板法在容器壁的某一高度處裝一個小功率電動機(jī)，其末端帶有旋轉(zhuǎn)葉片，在適當(dāng)部位伸入容器內(nèi)。葉片不接觸物料時，處于空載旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電動機(jī)的電流很小，當(dāng)液位上升到與葉片接觸時，葉片轉(zhuǎn)動阻力增大，甚至停止轉(zhuǎn)動，電動機(jī)的電流顯著加大，使繼電器的接點(diǎn)動作，發(fā)出料位報警或位式控制信號。如果電機(jī)軸經(jīng)過曲柄或連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動，則可帶動活塞或平板在容器中或前或后的推拉動作，即成推板法。當(dāng)然不一定都要靠電機(jī)電流的大小使繼電器接點(diǎn)動作，也可以利用離合器或連桿上的傳動機(jī)構(gòu)，在葉片或推板負(fù)載增大時改變電接點(diǎn)的通斷狀態(tài)。第五節(jié)音叉物位計(jì)音叉由彈性良好的金屬制成，本身具有確定的固有頻率，當(dāng)外加交變力的頻率與其固有頻率一致，叉體產(chǎn)生共振狀態(tài)。當(dāng)粉、粒體物料觸及叉體之后，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減而停振。音叉物位計(jì)就是根據(jù)物料對振動中的音叉有無阻力探知料位是否到達(dá)或超過某高度，并發(fā)出通斷信號，此法不需要大幅度的機(jī)械運(yùn)動，驅(qū)動功率小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、靈敏而可靠。第六節(jié)微波物位計(jì)微波物位計(jì)也稱雷達(dá)物位計(jì)。利用回波測距原理，由喇叭狀或桿式天線向被測物料面發(fā)射微波，微波傳播到不同相對介電率的物料表面時會產(chǎn)生反射，并被天線所接收。發(fā)射波與接收波的時間差與物料面與天線的距離成正比，測出傳播時間即可得知距離。由于微波以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，所以在一些有溫度，壓力，蒸汽等場合，其它物位計(jì)不能正常工作，而微波物位計(jì)可以使用。二、調(diào)頻微波物位計(jì)調(diào)頻微波物位計(jì)天線發(fā)射的微波是調(diào)頻連續(xù)波【FMCW(FrequencyModulatedContin-uousWave)，頻率隨一定時間間隔(即掃描頻率)線性增加】。當(dāng)回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。三、導(dǎo)波式微波物位計(jì)導(dǎo)波式微波物位測量采用時域反射法(TDR，TimeDomainReflectometry)，通常稱導(dǎo)波雷達(dá)，采用脈沖波方式工作。與微波物位計(jì)不同點(diǎn)在于雷達(dá)發(fā)射的高頻脈沖不是通過空間傳播，而是沿一根(或兩根)從罐頂伸入直達(dá)罐底的導(dǎo)波體傳導(dǎo)。導(dǎo)波體可以是金屬桿或柔性金屬纜繩。第七節(jié)核輻射物位檢測一、檢測原理核輻射強(qiáng)度隨穿透物質(zhì)厚度H而變的規(guī)律為I=I0e-μH

(朗伯-比爾定律)式中，I、I0—射線透過介質(zhì)后與射入介質(zhì)前的強(qiáng)度；

μ—介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)。當(dāng)放射源強(qiáng)度、被測介質(zhì)一定時，則介質(zhì)厚度H與射線強(qiáng)度I的關(guān)系為:

H=(lnI0-lnI)/μ上式表明，測出透過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度，便可求出被測介質(zhì)的厚度H。放射性物位計(jì)原理框圖放射性物位計(jì)主要由放射源、接收器和顯示儀表組成：二、物位檢測方法

放射性物位計(jì)檢測物位的方法，一般為有定點(diǎn)檢測和自動跟蹤等方式。根據(jù)被測對象的實(shí)際需要，放射源可有多種安裝方式，以適應(yīng)不同的物位檢測和控制的要求。(一)定點(diǎn)放射源檢測法

點(diǎn)狀放射源與接收器固定在設(shè)備的一定位置上。

1-放射源2-接收器(二)跟蹤檢測法跟蹤式放射性物位計(jì)既保持了定點(diǎn)檢測方式的優(yōu)點(diǎn)，又可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，并且量程可以很寬，但儀表的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。跟蹤式放射性物位計(jì)原理圖1-放射源，2-接收器，3-導(dǎo)軌，4-放大器，5-執(zhí)行器，6，7-自整角機(jī)發(fā)送接收器，8-顯示儀表，9-遠(yuǎn)傳指示儀表第八節(jié)磁致伸縮液位計(jì)磁致伸縮液位計(jì)主要由電子頭、探測桿、浮子三部分組成。探測桿由3條同軸的圓管組成：外管由防腐蝕材料制成，以提供保護(hù)作用；中間圓管可根據(jù)要求裝配一個或多個測溫傳感器；最中心的是波導(dǎo)管，其內(nèi)部是由磁致伸縮材料構(gòu)成的波導(dǎo)絲；在液位儀探測桿外配有內(nèi)含磁鐵隨液位變化的浮子。工作原理工作時，電子頭中的脈沖發(fā)生器首先在磁致伸縮波導(dǎo)絲上施加一個電脈沖信號(亦稱詢問脈沖，初始脈沖)，此電脈沖同時伴隨一個環(huán)形磁場，以光速沿波導(dǎo)絲向下傳遞。當(dāng)該環(huán)形磁場遇到浮子中磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場時，將與之進(jìn)行矢量疊加，形成一個螺旋形的磁場。導(dǎo)致波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭曲變形，從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)波(或稱返回脈沖)。返回脈沖以固定音速(2830m/s，幾乎不受溫度、沖擊、污染等環(huán)境因素的影響)沿波導(dǎo)絲傳回，通過測量詢問脈沖與返回脈沖的時間差可以精確地算出磁鐵(浮子)的位置，從而確定被測液位。結(jié)構(gòu)原理與工作波形圖磁致伸縮液位計(jì)結(jié)構(gòu)精巧，安裝簡單方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不需定期重標(biāo)和維護(hù)，具有精度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。第九節(jié)超聲波液位計(jì)超聲波液位計(jì)是利用回聲測距原