第5章 物位檢測儀表

1、劉玉長劉玉長第五章 物位檢測儀表物位，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。劉玉長劉玉長第五章物位檢測儀表第一節(jié) 浮力式液位計第二節(jié) 差壓式液位計第三節(jié) 電容式物位計第四節(jié) 電導(dǎo)物位傳感器第五節(jié) 音叉物位計第六節(jié) 微波物位計第七節(jié) 核輻射物位檢測第八節(jié) 磁致伸縮液位計第九節(jié) 超聲波液位計劉玉長劉玉長第一節(jié)浮力式液位計 浮力式液位計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

2、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。 劉玉長劉玉長一、浮子式液位計 浮子式液位計是一種維持力不變的即恒浮力式液位計。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。劉玉長劉玉長浮力式液位計浮力式液位計 1-浮子；浮子；2-磁鐵；磁鐵；3-鐵心；鐵心；4-導(dǎo)輪；導(dǎo)輪；5-非導(dǎo)磁管；非導(dǎo)磁管；6-浮球；浮球；7-連桿；連桿；8-轉(zhuǎn)動軸；轉(zhuǎn)動軸； 9-

3、重錘；重錘；10-杠桿杠桿(a)浮子式浮子式(敞口容器敞口容器)(b)浮子式浮子式(密閉容器密閉容器)(c)浮球式浮球式劉玉長劉玉長二、磁翻轉(zhuǎn)浮標(biāo)液位計 為克服玻璃管浮標(biāo)液位計易碎問題，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。 劉玉長劉玉長三、浮筒式液位計 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、4-芯軸，5-推桿，6-霍爾位移轉(zhuǎn)換器劉玉長劉玉長第二節(jié)差壓式液位計 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：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)行零點遷移。劉玉長劉玉長一、敞口容器的液位檢測如圖所示，差壓變送器兩端差壓P為：P=(h+h1+h2)g=hg+Z0 (Z00 )顯然可由差壓信號得到液位。但為使變送器輸出信號(這里是4-20mA)正好對應(yīng)液位(0-H)，要進(jìn)行零

5、點正遷移()。 劉玉長劉玉長為什么要進(jìn)行零點遷移的實例說明設(shè)前頁圖中H=0.5m，h1+h2=0.2m，則根據(jù)H選DDZ-III差變量程為04.905kPa(0.59.81)，而Z0=1.962kPa。若不遷移，則當(dāng)h=H時，P=6.867kPa，I020mA，已超出差變正常使用范圍。需采取措施解決此問題：方法一：另選大量程差壓變送器【缺點：會降低測量精度】。方法二：進(jìn)行零點遷移。將變送器的零點正向遷移到Z0=1.962kPa的位置，遷移后，上、下限變?yōu)?.962kPa和6.867kPa，但量程不變，仍為4.905kPa，輸出仍是420mADC。顯然進(jìn)行零點遷移方法為最佳方案。劉玉長劉玉長特性

6、曲線平移而曲線斜率不變稱為零點遷移。分為零點正遷移（Z00）、零點負(fù)遷移（Z00）兩種類型。其實質(zhì)是改變上下限，而不改變量程的大小。 不同的變送器，實現(xiàn)零點遷移方法不一樣。如機械式差壓變送器，通過調(diào)零彈簧實現(xiàn)；而現(xiàn)在智能型差壓變送器，可通過外部手持終端直接輸入數(shù)字即可實現(xiàn)。劉玉長劉玉長a無遷移 b負(fù)遷移 c正遷移劉玉長劉玉長二、密閉容器的液位檢測 測量密閉容器中的液泣，差壓變壓器的正壓室仍與容器的下部取壓點相連，低壓室則與容器的密閉空間相連通。(a) 差壓變送器的安裝； (b) 零點負(fù)遷移示意圖劉玉長劉玉長三、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

7、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【因為容易造成堵塞或差變損壞】。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-插入法蘭接頭劉玉長劉玉長第三節(jié) 電容式物位計 一、檢測原理圓筒形電容器的電容量C為：C=2L/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-外電極劉玉長劉玉長二、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

8、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-容器劉玉長劉玉長由圖可知當(dāng)液位由零變化到H時，電容傳感器的電容變化量CX為式中為絕緣套管或陶瓷涂層的介電系數(shù)； 0為絕緣套管和空氣共同組成電容的等效介電系數(shù)；S為傳感器靈敏度系數(shù)。0000002()22ln(/)ln(/)ln(/)2() ln(/)2 ln(/)XHLHLHCCCD dDdDdHD dHSHD d劉玉長劉玉長(二)非導(dǎo)體液體電容傳感器 非導(dǎo)電液體，不要

9、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)000000002ln(/)22()ln(/)ln(/)2(1) ln(/) pHXHpLCDdHLHCD dDdCCCHD dS H 劉玉長劉玉長(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-絕緣體劉玉長劉玉長三、射頻導(dǎo)納電容物位計射頻導(dǎo)納電容物位計

10、是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，是電容物位計的換代產(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。 劉玉長劉玉長第四節(jié)電導(dǎo)物位傳感器一、電接點液位傳感器最簡單的位式傳感器，是在容器上方垂直伸入適當(dāng)長度的導(dǎo)體電極。若容器本身導(dǎo)電，則電極A與器壁C構(gòu)成的電路，其通斷與否取決于液位高低；若容器是絕緣的，則用電極 B代替C。(a) 位式 (b) 套筒連續(xù)式 (c) 電阻(左)或氖泡(右)分段式劉玉長劉

11、玉長二、超導(dǎo)液位計 超導(dǎo)液位計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-錳銅絲劉玉長劉玉長三、電感式液位傳感器 (一)電渦流液位開關(guān)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

12、適合連續(xù)液位檢測。 劉玉長劉玉長(二)電感式液位計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 。劉玉長劉玉長四、阻力式料位傳感器(一) 重錘探測法在容器頂部安裝由脈沖分配器控制的步進(jìn)電機，此電機正轉(zhuǎn)時緩緩釋放懸有重錘的鋼纜，重錘下降探測。當(dāng)探測到料面時，鋼纜受到的重力突然減小，力傳感器發(fā)出脈沖。此脈沖改變門電路的狀態(tài)

13、，使步進(jìn)電機改變轉(zhuǎn)向?qū)⒅劐N提升，同時開始脈沖計數(shù)。待重錘升至頂部觸及行程開關(guān)，步進(jìn)電機停止轉(zhuǎn)動，同時計數(shù)器也停止計數(shù)，根據(jù)計數(shù)脈沖計算得出料位。開始探測的觸發(fā)信號由定時電路周期性地供給，也可以人為地隨時啟動。 劉玉長劉玉長(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，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，電動機的電流顯著加大，使繼電器的接點動作，發(fā)出料位報警或位式控制信號。如果電機軸經(jīng)過曲柄或連桿機構(gòu)變?yōu)橥鶑?fù)運動，則可帶動活塞或平板在容器中或前或后的推拉動作，

14、即成推板法。當(dāng)然不一定都要靠電機電流的大小使繼電器接點動作，也可以利用離合器或連桿上的傳動機構(gòu)，在葉片或推板負(fù)載增大時改變電接點的通斷狀態(tài)。 劉玉長劉玉長第五節(jié) 音叉物位計 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械運動，驅(qū)動功率小，機械結(jié)構(gòu)簡單、靈敏而可靠。劉玉長劉玉長音叉物位傳感器結(jié)構(gòu)劉玉長劉玉長第六節(jié)微波物位計 微波物位計也稱雷達(dá)物位計

15、。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，其它物位計不能正常工作，而微波物位計可以使用。 劉玉長劉玉長一、脈沖微波物位計 雷達(dá)天線面對物料發(fā)射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脈沖雷達(dá)天線接收。那么距離物料表面的距離D可通過脈沖的時間行程T來測得：D=cT/2 (c是光速)因空罐的距離E已知，則物位L為： L = E-D檢測原理微波發(fā)射天線劉玉長劉玉長通過輸入空

16、罐高度E(=零點)，滿罐高度F(=滿量程)及一些應(yīng)用參數(shù)的設(shè)定，使輸出信號對應(yīng)于4-20mA輸出。雷達(dá)液位計的測量不確定度 0.2s，輸出信號均為420mA/HART，兩線制。測量范圍：035m；回波采樣55次/s，精確度約為(0.20.3)% FS。 劉玉長劉玉長二、調(diào)頻微波物位計 調(diào)頻微波物位計天線發(fā)射的微波是調(diào)頻連續(xù)波【 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)，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算出物料面的距離。 劉玉長劉玉長三、導(dǎo)波式微波物位計 導(dǎo)波式微波物位

17、測量采用時域反射法 (TDR，Time Domain Reflectometry)，通常稱導(dǎo)波雷達(dá)，采用脈沖波方式工作。與微波物位計不同點在于雷達(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。劉玉長劉玉長第七節(jié) 核輻射物位檢測 一、檢測原理核輻射強度隨穿透物質(zhì)厚度H而變的規(guī)律為I=I0e- H (朗伯-比爾定律)式中I、I0 射線透過介質(zhì)后與射入介質(zhì)前的強度； 介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)。當(dāng)放射源強度、被測介質(zhì)一定時，則介質(zhì)厚度H與射線強度I的關(guān)系為: H=(lnI0-lnI)/ 上式表明，測出透過介質(zhì)后的射線強度，便可求出被測

18、介質(zhì)的厚度H。 劉玉長劉玉長放射性物位計原理框圖放射性物位計主要由放射源、接收器和顯示儀表組成：劉玉長劉玉長二、物位檢測方法 放射性物位計檢測物位的方法，一般為有定點檢測和自動跟蹤等方式。根據(jù)被測對象的實際需要，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)定點放射源檢測法點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 劉玉長劉玉長(二)跟蹤檢測法 跟蹤式放射性物位計既保持了定點檢測方式的優(yōu)點，又可實現(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-自整角機發(fā)送接收器，

19、8-顯示儀表，9-遠(yuǎn)傳指示儀表劉玉長劉玉長放射性物位計的特點優(yōu)點：(1)檢測元件(放射源)不與被測介質(zhì)直接接觸；(2)放射源的輻射不受介質(zhì)溫度、壓力等的影響；(3)適用性廣【高壓、高溫、低溫等容器中的高粘度、強腐蝕性、易燃、易爆等介質(zhì)的物位、介質(zhì)分界面、散料、塊料的料位以及特殊環(huán)境下的物位厚度測量】。不足：是射線對人體有危害，使用時必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施。 劉玉長劉玉長第八節(jié) 磁致伸縮液位計 磁致伸縮液位計主要由電子頭、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