第三章 物位測量及變送

第三章物位測量及變送第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月物位測量：液位—氣體和液體間的分界面。第一節(jié)概述界位—兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的接觸面。料位—氣體與固體顆?；蚍勰┑姆纸缑妗７祷氐?頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月物位測量的目的在于要正確的測知容器或設(shè)備中存儲物質(zhì)的容量或質(zhì)量。這不僅是物料消耗或產(chǎn)量計量的參數(shù)，也是保證連續(xù)生產(chǎn)和設(shè)備安全的重要參數(shù)。測量液位、界位或料位的儀表稱為物位測量儀表又稱物位計，進而又分：液位計、界位計和料位計。這些儀表由于其測量的對象不同，且應(yīng)用的工況亦不同，因此其原理、結(jié)構(gòu)和使用方法亦不相同。本章僅對常用的測量方法及典型儀表進行介紹。第一節(jié)概述第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月物位檢測儀表的分類按測量方式：連續(xù)測量和定點測量（物位開關(guān)）按工作原理：直讀式物位儀表浮力式物位儀表靜壓式物位儀表電氣式物位儀表核輻射式物位儀表聲波式物位儀表雷達式物位儀表磁致伸縮物位儀表光學式物位儀表機械式物位儀表

第一節(jié)概述第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述玻璃管液位計第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述浮標液位計第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述浮筒液位計第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述法蘭式物位計第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述電容式物位計第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述γ射線料位計第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述超聲波物位計第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述雷達物位計第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述磁致伸縮物位計第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述光纖物位計第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述重錘物位計第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液體中浮子的浮力變化測知液位或界位。恒浮力式自動跟蹤式、浮標式、浮球式、鋼帶式液位計等。變浮力式浮筒式液位計

浮力不變。浮子永遠漂浮在液面上，位置隨著液位變化。浮力變化。浮子浸沒在液體里，浮力隨液位變化。

返回確定浮標位置→液位確定浮力變化→液位測量原理：第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（一）磁翻轉(zhuǎn)式液位計

返回一、恒浮力式

浮子位置隨液位高低而變，檢測其位移，可知液位高度。第17頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計返回一、恒浮力式

第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（二）浮球式液位計

1.工作原理2.特點（1）量程小，受連桿長度和角度限制；（2）精度低，最高0.5級左右；（3）適用于溫度、粘度較高，壓力不高的液位測量。W—浮球的重力；G—重錘的重力；OA—轉(zhuǎn)軸到浮球中心垂直距離；OB—轉(zhuǎn)軸到重錘中心垂直距離。內(nèi)浮球液位計H↑→

F↑→

(W-F)↓→

杠桿順時針轉(zhuǎn)動→F

↓返回第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（二）浮球式液位計

返回第20頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（二）浮球式液位計

返回第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（三）自動跟蹤式液位計

返回液位↑→浮標所受的浮力↑→浮標對杠桿的拉力↓→差動變壓器輸出電壓信號經(jīng)放大器放大→可逆電機轉(zhuǎn)動→浮標↑第22頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（三）自動跟蹤式液位計

返回靈敏度與精度較高，價格高。第23頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（四）鋼帶式液位計

返回浮子經(jīng)過鋼帶和滑輪將浮力的變化傳到釘輪上，釘輪周邊的釘狀齒與鋼帶上的孔嚙合，將鋼帶的直線運動變?yōu)檗D(zhuǎn)動，由指針和計數(shù)器指示出液位。在釘輪軸上再安裝轉(zhuǎn)角傳感器或變送器，就可以實現(xiàn)液位信號的遠傳。 系統(tǒng)平衡時應(yīng)滿足：當拉力T恒定，釘輪的周長、釘狀齒間距及鋼帶的孔間距均制造得很精確時，可以得到較高的測量精度。這種傳動方式，密封比較困難，不適用于有壓容器，因此通常多用于常壓儲罐的液位測量。第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（四）鋼帶式液位計

返回第25頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計二、變浮力式

介質(zhì)浸沒物體的高度或密度變化時，物體所受浮力發(fā)生變化。由浮力的變化可測知物位高度。此原理液位計：浮筒式液位計

（一）工作原理C—彈簧剛度；

x—彈簧壓縮位移；A—浮筒截面；H—浮筒浸沒高度；ΔH↑→浮筒上移Δx返回第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（二）扭力管式結(jié)構(gòu)1.測量元件作用：ΔH→Δθ

H↑→

浮力↑→

Fx↓→扭角Δθ↓

H=Hmax時：杠桿作用力為H=0時：杠桿作用力為Ｆx

=Ｗ扭力管產(chǎn)生扭角△θmax(約7°)。扭力管產(chǎn)生最小扭角為△θmin

(約2°)。

A—浮筒截面積；ρ—被測液體密度。Fx↓測量部分返回第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計2.轉(zhuǎn)換部分作用：將Δθ→Δu→I0

K—比例系數(shù)，K=0～100%短路環(huán)轉(zhuǎn)至中舌最左端時，K=0；最右端時，K=100%。Φ01=KΦ0

Φ02=（1-K）Φ0Z—磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。Δu與K成正比，則Δu與Δθ成正比。差動變壓器返回第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計返回第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計（三）軸封膜片式結(jié)構(gòu)返回1.位移檢測放大器作用：將銜鐵微小位移S

轉(zhuǎn)換成直流電流I0。2．電磁反饋機構(gòu)作用：I0→Ff第30頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計返回3.工作原理力矩平衡(力平衡)改變W或矢量角θ可改變量程。K—變送器結(jié)構(gòu)常數(shù)。Fx

↓Fx=W-F↓第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)浮力式液位計1.量程由浮筒長度決定。國產(chǎn)：300、500、800、1200、1600、2000mm（四）特點2.只能用于測量輕、凈介質(zhì)。

3.當被測介質(zhì)密度變化時，必須進行密度修正。4.精度0.5～1.0級，可測液位、界位。返回第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計

液柱靜壓P=ρgH，與介質(zhì)密度和液柱高度成正比。其中：ΔP—差壓值；

H—液位高度；

ρ—介質(zhì)密度；

g—重力加速度。敞口容器：差壓變送器負壓室通大氣或壓力變送器。密閉容器：差壓變送器負壓室連接容器的氣相部分。一、工作原理

返回操作條件不變時，測靜壓得液位。第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計二、零點遷移差壓變送器測液位，一般情況下：

實用中，大多數(shù)情況下，存在零點遷移問題。

此為理想情況，稱為無遷移。即：H=0

，ΔP=0

1.正遷移H=0ΔP=hρg>0I>4mA；H=Hmax

ΔPmax=Hmaxρg+hρg

I>20mA正遷移(圖3-14)返回第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計設(shè):變送器量程ΔPmax=5000Pahρg=2000Pa調(diào)整壓差為大于零的附加靜壓，稱正遷移。H=0ΔP=2000Pa調(diào)零點遷移使I=4mA；H=Hmax

ΔPmax=5000+2000=7000PaI=20mA。2.負遷移

負壓側(cè)與取壓點之間安裝隔離罐或冷凝罐。H=0ΔP=-hρg<0I<4mAH=HmaxΔPmax=Hmaxρg–hρg

I≤4mA返回第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計設(shè):變送器的量程ΔPmax=5000Pa,hρg=5000Pa。H=0ΔP=-5000Pa，調(diào)整零點遷移使I=4mA；H=Hmax=hΔPmax=5000-5000=0I=20mA。調(diào)整壓差為小于零的附加靜壓，稱負遷移。如何判斷正負遷移、計算遷移量、遷移后的測量范圍？(1)分別計算正負壓室兩側(cè)靜壓P1、P2,求ΔP=P1-P2

(2)令被測液位H=Hmin時:

即:ΔPmin=遷移量D

，其代數(shù)和為正則正遷移；為零則無遷移；為負則負遷移。(3)差壓變送器量程:L=ΔHmaxρg(4)遷移后的測量范圍：D～L+D

返回第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計零點遷移的目的：

零點遷移的實質(zhì)：改變差壓變送器零點起始值，實現(xiàn)輸出與液位的正常對應(yīng)關(guān)系。

零點遷移僅改變了變送器測量范圍上、下限，而變送器量程不變。同理上述方法還可用于兩種液體的界位測量。即：H=Hmin,I=4mA;H=Hmax,I=20mA。返回第37頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月用于腐蝕性或含懸浮顆粒、粘度大、易凝等介質(zhì)測量。

采用法蘭式差壓變送器，原理及方法與差壓變送器相同。三、法蘭式差壓式液位計

第三節(jié)差壓式液位計

有單法蘭、雙法蘭、插入式、平法蘭等結(jié)構(gòu)形式。

雙法蘭式差壓變送器的遷移量僅與取壓位置和介質(zhì)密度有關(guān)，與變送器安裝位置無關(guān)。返回第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月法蘭式差壓變送器單法蘭式壓力變送器返回第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月法蘭式差壓變送器返回雙法蘭式差壓變送器第40頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計四、吹氣法（反吹風）反吹管線壓降為ΔP，則:

P2=P+ΔP因反吹風氣量很小，ΔP可忽略不計，則

P2≈P

為保證測量精度，必須保證反吹氣量恒定，且P1穩(wěn)定，滿足：P2≤0.528P1反吹風系統(tǒng)返回第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)差壓式液位計返回特點：可將壓力檢測點移至頂部，其使用和維修均很方便。很適合于地下儲罐、深井等場合。四、吹氣法（反吹風）第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

一、電極式液位開關(guān)

返回

電極式液位開關(guān)可進行定點液位控制，所謂定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。第43頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

二、電容式物位計

1.工作原理

由電容傳感器和測量電路組成。被測物位H→電容傳感器→電容量C→測量電路→?C一般R、r固定，改變ε、L測量液位。圓筒型電容器：R—外電極內(nèi)半徑；r—內(nèi)電極外半徑；ε—內(nèi)、外電極之間的介電常數(shù)；L—內(nèi)、外電極覆蓋長度。返回第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計2.測量非導(dǎo)電介質(zhì)H=0：

H=H：ε0—氣相介質(zhì)介電常數(shù)。εx

—被測液體介電常數(shù)。內(nèi)電極—光電極；外電極—絕緣同軸金屬圓筒。返回第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

3.測量導(dǎo)電介質(zhì)設(shè):氣體介電常數(shù)為ε0

絕緣層介電常數(shù)為ε

存在問題：

a.隨物位升降電極掛料導(dǎo)致電容值加大，產(chǎn)生誤差大。

導(dǎo)電液體更嚴重，不適用于粘滯性介質(zhì)。b.電極與電路連接電纜相當一較大電容，且隨溫度而變。

ε較小、信號較弱場合，誤差較大。內(nèi)電極——加絕緣套管；外電極——金屬容器壁。

R—絕緣層外半徑。返回第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月4.固體料位的測量(1)非導(dǎo)電固體料位

內(nèi)電極——不銹鋼金屬棒；外電極——金屬容器壁。εx

—固體介質(zhì)介電常數(shù)；

R—容器壁內(nèi)徑；

(2)導(dǎo)電固體料位內(nèi)電極加絕緣套管，原理同導(dǎo)電液位。

同理，可測導(dǎo)電和非導(dǎo)電以及兩介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電液體界位。第四節(jié)其它液位計

返回第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

射頻導(dǎo)納技術(shù)是一種能消除掛料影響、可靠準確、使用更廣的液位測量技術(shù)。適用于導(dǎo)電高粘度介質(zhì)物位測量。三、射頻導(dǎo)納物位計射頻導(dǎo)納：用高頻電源測量系統(tǒng)導(dǎo)納。

以導(dǎo)納變化反映液位變化。

物料橫截面積>>掛料層橫截面積且具有導(dǎo)電性，則物料電阻可略。

物料作為電容一個極板，物位以下電容變化量仍可示為：測電容測復(fù)數(shù)阻抗排除掛料返回第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月掛料層電阻不能忽略。等效為：由無窮多個無窮小的電容和電阻組成的傳輸線。

據(jù)電化學實驗：導(dǎo)電掛料足夠長，掛料和電極形成的以絕緣層為介質(zhì)的電容容抗XC掛與掛料電阻R數(shù)值相等。即測得電容為：?C—真實物位的電容；C掛—導(dǎo)電掛料所表現(xiàn)的電容。

由射頻導(dǎo)納原理，導(dǎo)電掛料電阻R含掛料電容，測得C掛則?C=Cx-C掛，得?

C可知H。Cx=?C+C掛第四節(jié)其它液位計

返回第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

適用于污水處理、紙漿、化學制劑、煤粉灰漿、原油等測量。

不受掛料、溫度、壓力、材料密度、濕度、甚至物料化學特性變化的影響。精度：0.5級介質(zhì)溫度范圍：-185~800

℃

可耐壓力：6.4MPa第四節(jié)其它液位計

返回尤其適用于導(dǎo)電(電導(dǎo)率>100μs/cm)

的粘稠介質(zhì)。第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計1.工作原理返回四、超聲波液位計

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。超聲波在穿過不同介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射，根據(jù)超聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度之間的關(guān)系，就可以進行物位的測量。第51頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計1.工作原理返回四、超聲波液位計

(1)聲波阻斷型。當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。

(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。。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，有氣介式、液介式和固介式。第52頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計2.測量方法返回四、超聲波液位計

（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)歷的時間第53頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計2.測量方法返回四、超聲波液位計

（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。（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中，探頭安裝在傳聲固體的上端。第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計3.實際測量過程返回四、超聲波液位計

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)第55頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計返回四、超聲波液位計

第56頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計1.工作原理△t=2h/c

雷達系統(tǒng)不斷發(fā)射線性調(diào)頻信號，可測得發(fā)射與反射信號的差頻△f，它正比于延遲時間△t，即正比于h。測得延遲時間△t則得h。c—電磁波傳播速度,300000km/s；h—被測介質(zhì)液面與探頭間距；返回測量以光速c傳播的超高頻電磁波發(fā)射與反射間的時差△t，確定天線與反射面之間的高度（空高h）。天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHz的雷達信號。五、雷達液位計

第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計2.特點及適用范圍

非接觸測量方式，無活動部件，可靠性高，平均無故障時間達10年，幾乎免維護，費用低。無污染，安裝方便。適用于高粘度、易結(jié)晶、強腐蝕及易爆易燃介質(zhì)。尤其大型立罐和球罐等導(dǎo)電粘稠介質(zhì)液位測量。精度可達0.25級;工作溫度：-200～230℃；工作壓力：≤40MPa；測量范圍：0～40m。氣體波動變化不影響電磁波傳播速度（采用導(dǎo)波管型）。返回第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

放射性同位素能放射出α、β和γ射線，透射某些物質(zhì)。透射強度隨通過介質(zhì)厚度的增加而減弱。

I=I0e-μH

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。

放射源選定，被測介質(zhì)不變時，I0與μ均為常數(shù)。固體對射線吸收能力最強，液體次之，氣體最弱。

六、γ射線液位計

1.工作原理

γ射線可穿透幾十厘米鋼板。返回第59頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月返回第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計

2.特點（1）非接觸式測量。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，因此能實現(xiàn)完全非接觸測量。特別適用于常規(guī)儀表不能解決的測量問題（高溫、高壓、強腐蝕、劇毒或易燃易爆等

）。（2）放射性物質(zhì)，使用時必須采取嚴格的防范措施。

（3）非線性。（4）放射性物質(zhì)有半衰期，需定期更換放射源。返回第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計七、磁致伸縮物位計

返回第62頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計七、磁致伸縮物位計

返回

磁致伸縮液位計適合于高精度要求的清潔液位的液位測量，精度達到1mm，最新產(chǎn)品精度已經(jīng)可以達到0.1mm。磁致伸縮液位計還可應(yīng)用于兩種不同液體之間的界位測量量。第63頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計八、光纖液位探測器返回組成：LED光源、光電二極管和光纖工作原理：光電式液位計利用光的全反射原理實現(xiàn)液位測量。發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，當液位傳感器的直角三棱鏡與空氣接觸時，由于入射角大于臨射角，光在棱鏡內(nèi)產(chǎn)生全反射，大部分光被光敏二極管接收，此時液位傳感器的輸出便保持在高水平狀態(tài)；而當液體的液位到達傳感器的敏感面時，光線則發(fā)生折射，光敏二極管接收的光強明顯減弱，傳感器從高電平狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?，由此實現(xiàn)液位的檢測。第64頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)其它液位計九、重錘物位計返回 重錘探測法原理示意圖如圖7-20所示。重錘連在與電機相連的鼓輪上，電機發(fā)訊使重錘在執(zhí)行機構(gòu)控制下動作，從預(yù)先定好的原點處靠自重開始下降，通過計數(shù)或邏輯控制