化工測量儀表課件(液位)

第二篇物位測量概述第一章浮力式液位計(jì)第二章靜壓式液位計(jì)第三章電容式物位計(jì)第四章非接觸式測量物位計(jì)本章小結(jié)概述測量的目的1.(計(jì)量)正確地測知容器中介質(zhì)的容量或質(zhì)量，進(jìn)行成本核算;2.(監(jiān)控)對物位高度進(jìn)行顯示報(bào)警或聯(lián)鎖控制，保證連續(xù)生產(chǎn)和設(shè)備安全。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。液位:

液體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的分界面；界位:

液體—液體或液體—固體的分界面；料位:

固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度。返回第一章浮力式液位計(jì)第一節(jié)測量原理第二節(jié)恒浮力式液位計(jì)第三節(jié)

變浮力式液位計(jì)返回第一節(jié)測量原理應(yīng)用浮力原理恒浮力法：利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的變化；變浮力法：利用浮子浮力隨液位浸沒高度而變化。返回恒浮力原理下一頁一、恒浮力法液位測量

Ｗ－Ｆ＝Ｇ（2-1-1）W—浮子重量；F—浮子所受浮力；G—平衡重物的重量。返回浮子的定位能力是指浸沒浮子高度的變化量△H所引起的浮力變化量△F=ρgA△H,則得表達(dá)式為原理示意下一頁上一頁二、變浮力法液位測量

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。液位升高ΔH，則浮筒上移動(dòng)Δx，此時(shí)返回（2-1-5）上一頁第二節(jié)恒浮力式液位計(jì)浮球式液位計(jì)磁翻轉(zhuǎn)式液位計(jì)浮子鋼帶式液位計(jì)返回一、浮球式液位計(jì)

W—浮球的重力；G—平衡重物的重力；F—浮球所受的浮力；

l1

—轉(zhuǎn)軸到浮球中心垂直距離；

l2

—轉(zhuǎn)軸到重物中心垂直距離。返回下一頁1.結(jié)構(gòu)原理2.使用（1）連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸等部件之間的連接必須牢固。（2）零位一經(jīng)調(diào)好不得隨意移動(dòng)平衡重物。（3）用于溫度、粘度較高而壓力不高的密閉容器的窄液位測量。P≤4MPa,T≤450℃,ρ≥0.55g/cm3,

H≤1200mm。返回上一頁二、磁翻轉(zhuǎn)式液位計(jì)返回每個(gè)翻板或翻球的翻轉(zhuǎn)直徑為10mm。三、浮子鋼帶式液位計(jì)返回在釘輪軸上安裝轉(zhuǎn)角傳感器或變送器，可實(shí)現(xiàn)液位信號的遠(yuǎn)傳。鋼帶的線位移變?yōu)獒斴喌慕俏灰?，適用于大型儲(chǔ)罐。寬液位測量，測量范圍為0～20M，F(xiàn)—浮子產(chǎn)生的浮力；W—浮子本身的重量；T—恒力彈簧對浮子的拉力。整個(gè)系統(tǒng)平衡時(shí)應(yīng)滿足

T=W-F

（2-1-7）第二章靜壓式液位計(jì)

第一節(jié)測量原理第二節(jié)壓力式液位計(jì)第三節(jié)差壓式液位計(jì)

返回若容器為敞口容器，PA為大氣壓，則上式可寫為：第一節(jié)測量原理根據(jù)流體靜力學(xué)原理可知，A、B兩點(diǎn)的壓差為

任何一點(diǎn)液體壓力等于表面壓力加上液體密度與重力加速度及液柱高度的乘積。通過測量P或ΔP來實(shí)現(xiàn)液位高度H的測量。返回（2-2-2）（2-2-1）第二節(jié)壓力式液位計(jì)下一頁返回一、用測壓儀表測量壓力表或壓力變送器與容器底部相連，由壓力值可知液位的高度。

只有測壓儀表的安裝位置與最低液位一致時(shí)，式（2-2-2）才成立。否則需對其進(jìn)行修正。

測量粘稠、易結(jié)晶或含有顆粒液體的液位時(shí)，可采用法蘭式壓力變送器差壓變送器測量第三節(jié)差壓式液位計(jì)返回一、零點(diǎn)遷移問題二、特殊介質(zhì)液位、料位的測量一、零點(diǎn)遷移問題返回1．無遷移

被測介質(zhì)粘度較小、無腐蝕、無結(jié)晶，且氣相部分不冷凝，變送器與容器下部取壓位置同高度。H=0→Hmax

，ΔP=0→ΔPmax

,變送器輸出：I=4～20mA。

設(shè)對應(yīng)液位高度所要求的變送器量程ΔPmax=5000Pa,變送器特性曲線如圖2-2-7曲線a所示。遷移示意圖下一頁安裝示意圖2．正遷移H=0ΔP=hρg

>0I>4mA；H=Hmax

ΔPmax=Hmaxρg

+hρgI>20mA設(shè)變送器量程ΔPmax=5000Pahρg

=2000PaH=0ΔP=2000Pa調(diào)零點(diǎn)遷移使I=4mA；H=Hmax

ΔPmax=5000+2000=7000PaI=20mA。返回下一頁上一頁調(diào)整的壓差是大于零的附加靜壓，則稱正遷移。安裝示意圖3．負(fù)遷移下一頁上一頁

負(fù)壓側(cè)與取壓點(diǎn)之間安裝隔離罐或冷凝罐H=0ΔP=-hρg<0I<4mA；H=Hmax

ΔPmax=Hmaxρg-hρg變送器輸出仍小于20mA。設(shè)變送器的量程ΔPmax=5000Pa,hρg

=7000Pa。

H=0ΔP=-7000Pa，調(diào)整零點(diǎn)遷移，使輸出I=4mA；H=Hmax

ΔPmax=5000-7000=-2000Pa，輸出I=20mA。調(diào)整的壓差是小于零的附加靜壓，則稱負(fù)遷移。返回正、負(fù)遷移的實(shí)質(zhì)是通過遷移作用改變差壓變送器的零點(diǎn)，

H=0,I=

4mA;H=Hmax,I=

20mA，實(shí)現(xiàn)輸出與液位正常對應(yīng)關(guān)系。如何判斷正負(fù)遷移、計(jì)算遷移量、遷移后的測量范圍？1.分別計(jì)算正負(fù)壓室兩側(cè)的靜壓P1、P2,求得壓差ΔP=P1-P2，2.令被測液位H=0

即:ΔPH=0=遷移量D

其值為正則是正遷移；為負(fù)則是負(fù)遷移。3.差壓變送器量程:L=Hmaxρg4.遷移后的測量范圍：D～L+D

零點(diǎn)遷移僅改變了變送器測量范圍的上、下限，而量程大小不變。上一頁返回同理上述方法還可用于兩種液體的界位測量。安裝示意圖二、特殊介質(zhì)液位、料位的測量

1.腐蝕性、易結(jié)晶或高粘介質(zhì)

下一頁

法蘭式差壓變送器有單法蘭、雙法蘭、插入式、平法蘭等結(jié)構(gòu)形式返回工作原理與差壓式完全相同。

雙法蘭差壓變送器的遷移量只與取壓位置和介質(zhì)密度有關(guān),與變送器的安裝位置無關(guān)。2.流態(tài)化粉末狀、顆粒狀固態(tài)介質(zhì)

上一頁返回采用吹氣法用差壓變送器進(jìn)行測量。反吹管線壓降為ΔP，則:P2=P+ΔP因反吹風(fēng)氣量很小，ΔP可忽略不計(jì)，

P2≈P

為了保證測量精度，必須保證反吹氣量恒定，需要P1穩(wěn)定，并滿足P2≤0.528P1反吹風(fēng)系統(tǒng)遷移示意圖返回第三章電容式物位計(jì)

第一節(jié)電容式物位傳感器第二節(jié)

電容的檢測方法

第三節(jié)射頻導(dǎo)納物位計(jì)返回第一節(jié)電容式物位傳感器測量原理測量非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量導(dǎo)電介質(zhì)的液位固體料位的測量返回一、測量原理返回一般固定R和r，采用改變?chǔ)呕騆的方式進(jìn)行。圓筒形電容器：二、測量非導(dǎo)電介質(zhì)的液位H=0H=H返回非導(dǎo)電液位測量ε0

—?dú)怏w的介電常數(shù)；εx

—被測液體的介電常數(shù)三、測量導(dǎo)電介質(zhì)的液位返回H=0，相當(dāng)于兩電容串聯(lián)R′—外電極的半徑；R—絕緣套管的外半徑；r

—內(nèi)電極的外半徑；ε0

—?dú)怏w的介電常數(shù)；ε——絕緣材料的介電常數(shù)；εx

—被測液體的介電常數(shù)下一頁導(dǎo)電液位測量此方法不能適用于粘滯性介質(zhì)ε——絕緣材料的介電常數(shù)。H=H

時(shí)，相當(dāng)于兩電容并聯(lián)：（2-3-5）返回上一頁四、固體料位的測量返回非導(dǎo)電固體物料的料位：內(nèi)電極——不銹鋼金屬棒，外電極——容器壁。εx

—固體的介電常數(shù)；

R—容器壁內(nèi)徑；其它參數(shù)相同。

若測量導(dǎo)電的固體料位，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。

同理，電容物位計(jì)還可測量導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體之間及兩種介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電液體之間的分界面。第二節(jié)電容的檢測方法電橋法諧振法脈沖寬度調(diào)制法返回一、電橋法圖a、b平衡條件圖c平衡條件返回二、諧振法返回諧振回路:L2、C2和Cx組成。

Cx變化，使諧振回路的阻抗變化，工作點(diǎn)沿著特性曲線的直線區(qū)變化，即輸出電流I變化。據(jù)等效電路可求得電容Cx兩端電壓C=C2+

Cx，則諧振頻率

改變C2使輸出電流為諧振電流的50-70%,保證輸出與被測電容之間的單值線性關(guān)系。三、脈沖寬度調(diào)制法返回用于導(dǎo)電高粘度介質(zhì)的物位測量。返回第三節(jié)射頻導(dǎo)納物位計(jì)

將測量傳感電極的電容變化變?yōu)闇y量傳感電極的復(fù)數(shù)阻抗變化，從而排除掛料的影響。一、射頻導(dǎo)納的基本原理射頻導(dǎo)納：用高頻無線電波測量系統(tǒng)的導(dǎo)納。

物料的橫截面積>>掛料層的橫截面積，且被測物料具有導(dǎo)電性，則物料的電阻可略。

物料當(dāng)作電容的一個(gè)極板，物位以下的電容變化仍可用式（2-3-5）來表達(dá)。下一頁但掛料層的電阻很大，不能忽略。掛料層可等效為：一條由無窮多個(gè)無窮小的電容和電阻組成的傳輸線。

據(jù)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)可得結(jié)論：若導(dǎo)電掛料足夠長，則掛料和電極形成的以電極絕緣層為介質(zhì)的電容容抗XC掛，與掛料部分所表現(xiàn)出來的電阻R數(shù)值上是相等的。即測得的電容為：

Cx=C+C掛C——真實(shí)物位的電容；C掛——導(dǎo)電掛料所表現(xiàn)出的電容。

由射頻導(dǎo)納原理，導(dǎo)電掛料的電阻R包含了掛料電容，可得C掛，則C=Cx－C掛，得到C可知H。返回上一頁二、射頻導(dǎo)納物位計(jì)的組成返回第四章非接觸式測量物位計(jì)

第一節(jié)核輻射物位計(jì)第二節(jié)超聲波物位計(jì)第三節(jié)射頻導(dǎo)納物位計(jì)

第四節(jié)雷達(dá)液位計(jì)

返回第一節(jié)核輻射物位計(jì)測量原理

物位測量方法

返回一、測量原理測量原理圖返回

放射性同位素能放射出α、β和γ射線，透射某些物質(zhì)。γ射線受物質(zhì)吸收較少，穿透能力強(qiáng)。透射強(qiáng)度隨通過介質(zhì)厚度的增加而減弱。射線強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為

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(qiáng)度。當(dāng)放射源選定，被測介質(zhì)不變時(shí)，則I0與μ都是常數(shù)。下一頁測量原理圖返回上一頁二、物位測量方法返回圖a定點(diǎn)測量:可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)控制。準(zhǔn)確性高。圖b自動(dòng)跟蹤測量:準(zhǔn)確性高，測量范圍寬。圖c傾斜定點(diǎn)測量：測量范圍窄，一般300～500mm。下一頁圖d放射源多點(diǎn)組合圖e接收器多點(diǎn)組合，圖f兩者并用用于較大范圍物位測量，可改善線性關(guān)系。返回上一頁物位計(jì)測量范圍：0～3000mm，用于高溫、低溫、高壓容器的高粘度、劇毒、強(qiáng)腐蝕或易燃易爆介質(zhì)的物位測量。使用時(shí)必須采取嚴(yán)格的防范措施。第二節(jié)超聲波物位計(jì)測量原理物位測量方法返回一、測量原理返回

超聲波：頻率高于可聽頻率極限(20KHz以上頻段)的彈性振動(dòng)，以波動(dòng)的形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。

聲波在穿過介質(zhì)時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)衰減最大，液體次之，固體吸收最少衰減最小。

聲波在穿過不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，反射波的強(qiáng)弱決定于兩介質(zhì)的聲阻抗，聲阻抗差別越大，反射波越強(qiáng)。聲阻抗即介質(zhì)的密度與聲速的乘積。

根據(jù)發(fā)射聲波至接收反射回波的時(shí)間間隔與物位高度間的關(guān)系，可進(jìn)行物位的測量。下一頁返回壓電式換能器產(chǎn)生超聲波是基于某些晶體的壓電效應(yīng)及其可逆性能。

在壓電晶體上作用外力，在其相對兩面會(huì)產(chǎn)生異性電荷。用導(dǎo)線將兩電極連接，會(huì)有電流流過。外力消失，被中和的電荷又會(huì)立即分開，形成與原方向相反的電流。若的外力是交變的，則一壓一松就可產(chǎn)生交變電場。正壓電效應(yīng)：下一頁上一頁

在晶體兩端面電極上加交變電場，沿著晶體厚度方向會(huì)產(chǎn)生與交變電壓同頻率的機(jī)械振動(dòng)，向附近發(fā)射聲波。逆壓電效應(yīng)：返回上一頁設(shè)超聲探頭至物位的垂直距離為H，由發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為V，則存在如下關(guān)系

若介質(zhì)V已知，測得時(shí)間t即可確定距離H，即得知被測物位高度。測量原理圖二、物位測量方法返回根據(jù)傳聲介質(zhì)不同:分氣介式、液介式和固介式；根據(jù)探頭工作方式:分單探頭和雙探頭方式。相互組合可得不同的測量方法。

（一）基本測量方法利用聲速特性采用回聲測距的方法.圖a液介式測量圖b氣介式測量：圖c固介式測量：圖d雙探頭液介式圖e雙探頭氣介式下一頁圖f雙探頭固介式超聲波→第一根固體→液體

↓

接收探頭←第二根固體v

—固體中的聲速；vH

—液體中的聲速；d

—兩根傳聲固體的間距。當(dāng)v、vH已知，d固定，則可根據(jù)測得的t求得H

。返回上一頁下一頁（二）設(shè)置校正具方法

聲波傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，密度是溫度壓力的函數(shù),故必須對聲速進(jìn)行校正。1.固定校正具方法(1)液介式校正具若聲脈沖在介質(zhì)中的傳播速度為v0

，從校正探頭到反射板的往返時(shí)間為t0，則測量原理圖因?yàn)関0=v適當(dāng)選擇時(shí)間單位，使t0在數(shù)值上等于L0，則t=H

返回上一頁（2）氣介式雙探頭固定校正具(圖2-4-8所示，略）下一頁2.活動(dòng)校正具方法采用浮臂式傾斜校正具測量可達(dá)±1mm精度3.固定距離標(biāo)志方法

每隔一定距離裝一個(gè)小反射體。聲脈沖每遇到小反射體就有一個(gè)米標(biāo)志波反射回來，傳到液面時(shí)，還有較強(qiáng)的液面波反射。接收信號中鑒別出各個(gè)米標(biāo)志波和液面波脈沖H=h1+h2h1—以米為單位的液位數(shù)值；h2—小于1米的零數(shù)段。返回上一頁第四節(jié)雷達(dá)液位計(jì)返回一、工作原理及組成二、特點(diǎn)及適用范圍返回一、工作原理及組成1．工作原理t=2h/c光速c=30000km/s，它不受介質(zhì)環(huán)境的影響，傳播速度穩(wěn)定。當(dāng)測得延遲時(shí)間t則可獲得高度h。雷達(dá)系統(tǒng)不斷地發(fā)射線性調(diào)頻信號，可得到發(fā)射信號頻率與反射信號頻率之間的差頻△f，差頻正比于延遲時(shí)間t，即正比于h。

類似超聲波氣介式的測量方法。測量以光速c傳播的超高頻電磁波，發(fā)射及反射之間的延時(shí)t來確定天線與反射面之間的高度（空高h(yuǎn)）。下一頁返回上一頁

2．雷達(dá)液位計(jì)的組成二、特點(diǎn)及適用范圍返回計(jì)算電磁波到達(dá)液面并反射回接受天線的時(shí)間進(jìn)行液位測量。氣體波動(dòng)變化不影響電