化工測量及儀表資料

1、 浮子式液位計是應用浮力原理測量液位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的變化，浮子在測量中所受浮力為恒定值，故稱為恒浮力法 如圖所示，將浮子由繩索經滑輪與容器外的平衡重物相連，利用浮子所受重力和浮力之差與平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。則平衡關系為 GFWHHgAHF 浮筒式液位計利用浸沒在液體中的浮筒測量液位的變化，浮筒在測量中所受浮力隨液位浸沒高度而變化，因此稱為變浮力法。 測量原理如圖所示，將一個截面相同、重力為W的圓筒形金屬浮筒懸掛在彈簧上，浮筒的重力被彈簧的彈性力所平衡。當浮筒的一部分被液體浸沒時，由于受到液體的浮力作用而使浮筒向上移動，當浮力F與彈性力達到平衡

2、時，浮筒停止移動，此時滿足如下關系 gAHWcx式中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 被測液體密度；g重力加速度。 當液位變化時，由于浮筒所受的浮力發(fā)生變化，浮筒的位置也要發(fā)生變化。例如液位升高H，則浮筒要向上移動x，此時的平衡關系為 gAHWcxgxHHAWxxc)()(又因為gxHAxc)(所以有HgAcgAx 如果在浮筒的連桿上安裝一個位移-電氣轉換裝置 ，便可輸出相應的電信號，實現液位的信號的遠傳和標準化處理。 浮筒產生的位移x與液位變化H成比例。軸封膜片式浮筒液位計 軸封膜片式浮筒液位計是的結構如圖所示，它也是由測量和轉換兩部分組成。測量部分包括

3、浮筒、主杠桿；轉換部分包括主杠桿、矢量機構、副杠桿、反饋機構、差動變壓器及放大器等，其作用是將測量部分產生的力矩轉換為相應的電信號。 當液位升高時，作用于浮筒上的浮力隨之增大，此力作為輸入力F1作用在主杠桿的一端，使主杠桿以軸封膜片為支點產生順時針方向的轉動。轉換部分結構原理與電動差壓變送器的轉換部分相同，此處不再詳述。 靜壓式液位的測量方法是通過測得液柱高度產生的靜壓實現液位測量的。其原理如圖所示，pA為密閉容器中A點的靜壓(氣相壓力)，pB為B點的靜壓，H為液柱高度，為液體密度。根據流體靜力學的原理可知，A、B兩點的壓力差為gHpppABgHppB式中 pB B點的表壓力。 如果圖中的容器

4、為敞口容器，則pA為大氣壓，則上式可寫為 由前式可知，液體任何一點的壓力等于其表面壓力加上液體密度與重力加速度及液柱高度的乘積。液體的靜壓力是液位高度和液體密度的函數，當液體的密度為常數時，A、B兩點的壓力或壓差僅與液位高度有關。因此可以通過測量p或p來實現液位高度的測量。 同時還可以看出，根據上述原理還可以直接求得容器內所儲存液體的質量。因為p或p代表了單位面積上一段高度為H的液柱所具有的質量。所以測得p或p再乘以容器的截面積，即可得到容器中全部液體的質量。 壓力式液位計是基于測壓儀表所測壓力高低來測量液位的原理，主要用于敞口容器的液位測量 。 必須指出，只有測壓儀表的測壓基準點與最低液位一

5、致時，液位和壓力的函數關系才能成立。如果測壓儀表的測壓基準點與最低液位不一致，必須要考慮附加液柱的影響，要對其進行修正。 這種方式適用于粘度較小、潔凈液體的液位測量。當測量粘稠、易結晶或含有顆粒液體的液位時，由于引壓導管易堵塞，不能從導管引出液位信號，可以采用如圖(b)所示的法蘭式壓力變送器測量液位的方式。 如圖所示。測壓儀表（壓力表或壓力變送器）通過引壓導管與容器底部相連，由測壓儀表的指示便可知道液位的高度。若需要信號遠傳則可以采用傳感器或變送器進行壓力-電氣信號轉換。 (a) (b) 對于測量有腐蝕性、高粘度或含有懸浮顆粒液體的液位，也可以采用吹氣法進行測量，如圖4-2-3所示。在敞口容器

6、中插入一根導管，壓縮空氣經過濾器、減壓閥、節(jié)流元件、轉子流量計，最后由導管下端敞口處逸出。 壓縮空氣p1的壓力根據被測液位的范圍，由減壓閥2控制在某一數值上；p2的壓力是通過調整節(jié)流元件3保證液位上升至最高點時，仍有微量氣泡從導管下端敞口處逸出。 當液位上升或下降時，液封壓力會升高或降低，致使從導管下端逸出的氣量也要隨之減少或增加。導管內的壓力幾乎與液封靜壓相等，因此，由壓力儀表5所顯示的壓力值即可反映出液位的高度H。 1 過濾器；2 減壓閥；3 節(jié)流元件；4 轉子流量計；5 測壓儀表 差壓式液位計主要用于密閉有壓容器的液位測量。由測量原理可知，凡是能夠測量差壓的儀表都可以用于密閉容器液位的測

7、量。采用差壓式液位計測量液位時，由于安裝位置不同，一般情況下均會存在零點遷移的問題。 (1) 無遷移 當液位由H=0變化到最高液位H=Hmax時，p由零變化到最大差壓pmax，變送器對應的輸出電流為IminImax。變送器的測量范圍不需要調整，稱為無遷移。 gHppp21 如圖所示，變送器安裝高度與容器下部取壓位置在同一高度。將差壓變送器的正、負壓室分別與容器下部和上部的取壓點p1、p2相連接，如果被測液體的密度為，則作用于差壓變送器正、負壓室的差壓為 當H=0時，p=hg0，并且為常數項，作用于變送器使其輸出電流大于Imin；當H=Hmax時，最大壓差p=Hmaxg+hg，使變送器輸出電流大

8、于Imax。這時可以通過調整變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0，p=hg時，其輸出為Imin ；當H=Hmax，最大壓差p=Hmaxg+hg時，變送器的輸出為Imax ，從而實現變送器輸出與液位之間的正常對應關系，此時變送器的測量范圍發(fā)生變化，但量程仍然為Hmaxg。由于調整的壓差p是大于零(作用于正壓室)的附加靜壓，所以稱為正遷移。 ghgHppp21（2）正遷移 實際測量中，變送器的安裝位置有時低于容器下部的取壓位置，如圖所示，變送器安裝高度低于測量下限的距離為h。這時液位高度H與壓差p之間的關系式為（3）負遷移 有些介質對儀表會產生腐蝕作用。這些情況下，往往采用在正、負壓室與取壓點之

9、間分別安裝隔離罐的方法。因此，負壓側引壓導管也有一個附加的靜壓作用于變送器，使得被測液位H=0時，壓差不等于零。如圖所示，負壓導管充滿高度為h的被測液體，則此時液位高度H與壓差p之間的關系式為ghgHp 由上式可知，當H=0時，p=hg0，作用于變送器會使其輸出小于Imin；當H=Hmax時，最大壓差p=Hmaxghg，使變送器輸出小于Imax 。這時可以通過調整變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0時，p=hg金屬電極內徑r，且ox ,所以有rRrR00 xln2ln2rRKln2xHrRCCCln2x0 x 由上式可見，由于x、R和r均為常數，測得C即可獲得被測液位H。但此種方法不能適用于

10、粘滯性介質，因為當液位變化時，粘滯性介質會粘附在內電極絕緣套管表面上，造成虛假的液位信號。 所以傳感器的靈敏系數電容的變化可近似表示為 對于非導電固體物料的料位測量，通常采用一根不銹鋼金屬棒與金屬容器器壁構成電容器的兩個電極，如右圖所示，金屬棒1作為內電極，容器壁作為外電極。將金屬電極棒插入容器內的被測物料中，電容變化量C與被測料位H的函數關系仍可用非導電液位的函數關系來表述，只是式中的x代表固體物料的介電常數，R代表容器器壁的內徑，其他參數相同。 如果測量導電的固體料位，則需要對圖中的金屬棒內電極加上絕緣套管，測量原理同導電液位測量，也可用相同的函數表述。 放射性同位素能放射出、和射線。它們

11、都是高速運動的粒子流，粒子流能穿過物質使沿途的原子產生電離。當這些射線通過一定厚度的物體（例如固體或液體）時，由于粒子的碰撞和克服阻力，粒子的動能就要消耗，最后動能等于零，粒子就留在物體中，即射線被物體所吸收掉了。如果動能不等于零，則射線粒子就會穿透這個厚度的物體。它們在物質中所經過路程的長短叫射程。射程主要由電離能力的大小決定，電離作用越強，則穿過物質時所損失的能量越大，因此射程就越短。射線穿透物質的能力最低，射程最短，射線次之，射線受物質吸收較少，穿透能力強，射程遠，因此物位檢測主要采用射線。 射線的透射強度隨著通過介質厚度的增加而減弱，入射強度為I0的放射源，隨介質厚度增加射線強度按指數

12、規(guī)律衰減，其關系為HeII0式中 介質對射線的吸收系數； H 介質層的厚度； I 穿過介質后的射線強度。 不同介質吸收射線的能力是不一樣的。一般來說，固體吸收能力最強，液體次之，氣體最弱。當放射源已經選定，被測介質不變時，則I0與都是常數。根據式，可得式中 介質對射線的吸收系數； H 介質層的厚度； I 穿過介質后的射線強度。 應用放射性同位素測量物位的原理如下圖所示。由放射源放射出的射線，穿過設備和被測介質后，被探測器所接收，并把射線強度轉換成電信號，經放大器放大后送入顯示儀表進行顯示。只要測定通過介質后的射線強度，就可知被測介質的厚度H，即液位或料位的高度。IIHln1ln10n輻射式物位

13、測量方法輻射式物位測量方法 根據測量原理，只要在容器外部的某一位置相對兩側安裝放射源和接收器，由放射源發(fā)出的射線，通過容器中的介質使接收器所接收的射線能量強度隨著物位的升高而降低。 圖(b)為自動跟蹤的測量方法。通過電機帶動放射源和接收器沿導軌升降，始終保持放射源和接收器在同一高度，并對液位進行自動跟蹤。因此，它既保持了定點方式的優(yōu)點，又可以實現連續(xù)測量，并且測量范圍可以很寬。 圖(a) 所示為定點測量方法。將放射源與接收器安裝在同一平面上，由于液體(或固體顆粒)吸收射線的能力遠比氣體強，因而當液位超過或低于此平面時，接收器接收到的射線強度發(fā)生急劇變化，將其輸出信號放大后，帶動繼電器工作，便可

14、以實現定點控制。此種方法的特點是準確性高，工作穩(wěn)定可靠。n輻射式物位測量方法輻射式物位測量方法 圖(d)所示為放射源多點組合的物位測量方法，圖 (e)所示為接收器多點組合的物位測量方法，圖(f)則表示兩者并用的方法。對于測量范圍比較大的液位，可以采用這三種方式之一，可以改善線性關系，但安裝和維護較困難。 圖(c)是在容器外部相對應的位置安裝放射源和接收器，射線通過容器中的液體時，部分被吸收，并且液位越高被吸收的越多。因此，由接收器接收到的射線強弱，便可表達出液位的高低。此種方法便于安裝、維護和調整。但測量范圍較窄，一般為300500mm。 n輻射式物位測量的特點輻射式物位測量的特點 由于放射源

15、的輻射強度不受溫度、壓力的影響，并且它的測量元件與被測介質不接觸，測量范圍為03000mm，可以用在高溫、低溫、高壓容器的高粘度、劇毒、強腐蝕或易燃易爆介質的物位測量。它不僅可以測量液位，也可以測量顆粒狀、粉末狀介質的料位。另外，它還可以測量不同密度的液體分界面、液體與固體的分界面。其缺點是射線對人體有較大的危害，使用時必須采取嚴格的防范措施。但只要正確選擇放射源的強度，并且保證防護條件符合國家規(guī)定，可以確保安全，放心使用。 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中的傳播過程就形成超聲波。超聲波可以在氣體、液體、固體中傳播，并具有一定

16、的傳播速度。超聲波在穿過介質時會被吸收而產生衰減，氣體吸收最強則衰減最大，液體次之，固體吸收最少則衰減最小。超聲波在穿過不同介質的分界面時會產生反射，反射波的強弱決定于分界面兩邊介質的聲阻抗，兩介質的聲阻抗差別越大，反射波越強。聲阻抗即介質的密度與聲速的乘積。根據超聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度之間的關系，就可以進行物位的測量。 利用超聲波的物理性質可以制成超聲波式物位計，根據安裝方式的不同，可分為聲波阻斷型和聲波反射型兩種類型 (1)聲波阻斷型 它是利用超聲波在氣體、液體和固體介質中被吸收而衰減的情況的不同，來探測在超聲波探頭前方是否有液體或固體物料存在。當液體或固體物料在儲

17、罐、料倉中積存高度達到預定高度位置時，超聲波即被阻斷，即可發(fā)出報警信號或進行限位控制。這種探頭安裝方式主要用于超聲波物位控制器中，也可用于運動體(人員、車輛)以及生產流水線上工件流轉等的計數和自動開門控制中。 (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。實際應用中可以采用多種方法。根據傳聲介質的不同，有氣介式、液介式和固介式；根據探頭的工作方式，又有自發(fā)自收的單探頭方式和收、發(fā)分開的雙探頭方式。它們相互組合就可得到不同的測量方案。（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

18、頭而被接收。液位高度與從發(fā)到收所用時間之間的關系可表示為式中 H 探頭到液面的垂直距離 v 超聲波在介質中的傳播速度 t 超聲波由發(fā)射到接收經歷的時間vtH21（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，液位和時間的函數關系同前式，只是v代表氣體中的聲速。（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，上端要高出最高液位，探頭安裝在傳聲固體的上端，液位和時間的函數關系同前式， 但v代表固體中的聲速。（4）雙探頭液介式測量方法如圖 (d)所示，若兩探頭中心間距為2a，聲波從探頭到液位的斜向路徑為S，探頭至液位的垂直高度為H，則vtS2

19、1而)(22aSH （5）雙探頭氣介式方式 如圖 (e) 所示，只要將v理解為氣體中的聲速，則上面關于雙探頭液介式的討論完全可以適用。 （6）雙探頭固介式方式 如圖(f) 所示，它需要采用兩根傳聲固體，超聲波從發(fā)射探頭經第一根固體傳至液面，再在液體中將聲波傳至第二根固體，然后沿第二根固體傳至接收探頭。超聲波在固體中經過2H距離所需的時間，將比從發(fā)到收的時間略短，所縮短的時間就是超聲波在液體中經過距離d所需的時間，所以)(21HvdtvH式中 v 固體中的聲速； vH 液體中的聲速； d 兩根傳聲固體之間的距離。 當固體和液體中的聲速v、vH已知，兩根傳聲固體之間的距離d固定時，則可根據測得的t

20、求得H。（7）液液相界面的測量利用超聲波反射時間差法也可以檢測液一液相界面位置。如圖4-4-4所示，兩種不同的液體A、B的相界面在h處，液面總高度為h1，超聲波在A、B兩液體中的傳播速度分別為v1和v2。采用單探頭液介式方式進行測量。 112vht 超聲波在液體A、B中傳播并被液面反射回來的往返時間為12122)(2vhvhht 由上兩式可得：2)(2121vtthh或211vth 由以上兩式可知，檢測t1、v1即可求得界面位置h，或者檢測出t1、t2和v2亦可求出h。超聲波界面?zhèn)鞲衅鞯木瓤蛇_1，檢測范圍為數米時的分辨率達1mm。 超聲波在液體A中傳播并被A、B液體相界面反射回來的往返時間為

21、 聲速v值準確與否對于采用回波法測量液位來說是至關重要的。聲速與介質的密度有關，而密度又隨溫度和壓力而改變，因此，實際聲速是一個變化值。為了排除聲速變化對測量的影響，應對聲速進行校正。 聲速校正裝置是在傳聲介質中取相距S0固定距離的兩端安裝一個超聲探頭(校正探頭)和反射板組成的測量裝置。對液介式液位計而言，校正具應安裝在液體介質最底處以避免水面反射聲波的影響，同理對氣介式液位計而言，校正具應放在容器頂端的容器中。如果超聲脈沖從探頭發(fā)射經時間t0后返回探頭，行程為2S0，則得實際聲速為0002tSv 將上式代入vtH21中(即v0=v)00SttH 從上式中顯然可見，被測液位高度H變?yōu)闀r間t、t

22、0的函數 則可得 光學式物位最簡單的模式是：發(fā)光光源(如燈泡)放在容器的一側，另一側相對光源處裝置光敏元件，當物位升高至物料遮擋光源時，光敏元件輸出信號突變，儀表發(fā)出開關信號，進行報警或控制。 目前常用的光源發(fā)射器有激光器、發(fā)光二極管、普通燈光等，光源的接收可由光敏電阻、光電二極管、光電池、光電倍增管等多種光電元件來實現。在選定某種光源器件后，再據此來選擇接收元件，并與合適的線路配合，組成物位計。 光接收器件是光電式測量系統(tǒng)的關鍵部件，起著將光轉換為電信號的作用。基于光電效應原理工作的光電轉換元件稱為光電器件或光敏器件，按其轉換原理可分為光電發(fā)射型、光導型和光伏型。在此簡要介紹一下光導型和光伏

23、型光電元件的原理。（1）光導效應和光導型傳感器 大多數半導體的電阻率，受到光照吸收光子的能量后，會發(fā)生改變，使半導體的電阻值下降而易于導電，這種現象稱為光導效應。其原因是半導體內部的帶電粒子吸收了光的能量后，使材料內部的帶電粒子增加，從而使導電性增強，光線越強，阻值越低。基于這一原理制造的半導體光電器件有光敏電阻、光電二極管和光電晶體管。 光敏電阻 光敏電阻是用具有光導效應的半導體材料制成的電阻器件。當受到光照時，其電阻值下降，光線越強，阻值也變得越低；光照停止，阻值又恢復原值。把光敏電阻連接到外電路中，如圖4-4-7所示，在外加電壓(直流偏壓或交流電壓)作用下，電路中的電流及其在負載電阻上的

24、壓降將隨光線強光照度變化而變化，這樣就將光信號轉換為電信號。 光敏電阻在不受光照時的電阻值稱為暗電阻，受光照時的電阻值稱為亮電阻。暗阻越大越好，亮阻越小越好，這樣光敏電阻的靈敏度就高。實際光敏電阻的暗阻一般在兆歐數量級，亮阻在幾千歐以下，暗阻和亮阻之比一般為102106。 光敏電阻 一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體，半導體吸收光子而產生的光電效應，僅限于光照的表面薄層。雖然產生的載流子也有少數擴散到內部去，但深入厚度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得很高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀，如下圖所示。這種梳狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的極板面積，所

25、以提高了光敏電阻的靈敏度。光敏二極管 其結構與一般二極管相似，但裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，便于接受光的照射。光敏二極管在電路中工作時，一般加上反向電壓，如圖4-4-9所示。光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，稱為暗電流；當光照射在PN結上，光子打在PN結附近時，PN結附近產生光生電子和光生空穴對，使少數載流子的濃度大大增加，因此通過PN結的反向電流也隨之增加。 如果入射光照度變化，光生電子空穴對的濃度也相應變化，通過外電路的光電流強度也隨之變化。可見光敏二極管能將光信號轉換為電信號輸出。光敏二極管不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀

26、態(tài)。光敏晶體管 光敏晶體管又稱光敏三極管，結構與般晶體管很相似，具有兩個PN結。它在把光信號轉換為電信號的同時，又將信號電流加以放大。圖示為NPN型光敏晶體管的基本簡化電路。 當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極集電極結就是反向偏壓。當光照射在基極集電極結上時，就會在結附近產生電子空穴對，從而形成光電流，輸入到晶體管的基極。由于基極電流增加，因此集電極電流是光生電流的倍，即光敏晶體管有放大作用。（2）光生伏特效應及光伏傳感器 光照射引起PN結兩端產生電動勢的現象稱為光生伏特效應。當PN結兩端沒有外加電壓時，在PN結勢壘區(qū)仍然存在著結電場，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如下圖所示；當光

27、照射到PN結上時，若光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度，則在PN結內產生電子空穴對，在結電場作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，電子在N區(qū)積累和空穴在P區(qū)積累使PN結兩邊的電位發(fā)生變化，PN結兩端出現一個因光照射而產生的電動勢。用導線將PN結兩端連接起來，電路中就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經外電路至N區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。 光電池就是基于光生伏特效應，直接將光能轉變?yōu)殡妱觿莸墓怆娖骷?，屬于有源傳感器?(1) 光電式傳感器的基本組成光電式傳感器是以光為媒介、以光電效應為基礎的傳感器，主要由光源、光學通路、光電器件及測量電路等組成，如下圖所示。 光電式傳感器中的光源可采用白熾燈、氣體放電燈、激光器、發(fā)光二極管及能發(fā)射