第6章液位測(cè)量-終版

1、第第6章章 液位測(cè)量液位測(cè)量主要內(nèi)容主要內(nèi)容u概述概述u差壓式液位測(cè)量法差壓式液位測(cè)量法u電容式液位測(cè)量法電容式液位測(cè)量法u電阻式液位測(cè)量法電阻式液位測(cè)量法u 液位計(jì)選擇液位計(jì)選擇1第第6章章 液位測(cè)量液位測(cè)量物位物位: :統(tǒng)指設(shè)備和容器中液體或固體物料的表面位置。統(tǒng)指設(shè)備和容器中液體或固體物料的表面位置。對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的物料又有以下的定義對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的物料又有以下的定義: :a a、液位液位指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。b b、料位料位指設(shè)備和容器中所儲(chǔ)存的塊狀、顆?；蚍勰罟腆w指設(shè)備和容器中所儲(chǔ)存的塊狀、顆?；蚍勰罟腆w物料的堆積高度。物料的堆積高度。c

2、 c、界位界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液重度不同而形成分界面，為液- -液相界面；容器中互不相液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液溶的液體和固體之間的分界面，為液- -固相界面。固相界面。1.1.物位的定義：物位的定義：6.16.1概述概述22. 液位測(cè)量的目的液位測(cè)量的目的：1.正確測(cè)得容器中儲(chǔ)藏物質(zhì)的體積或重量。正確測(cè)得容器中儲(chǔ)藏物質(zhì)的體積或重量。2.監(jiān)視容器內(nèi)物位，對(duì)物位允許的上、下限發(fā)出報(bào)警。監(jiān)視容器內(nèi)物位，對(duì)物位允許的上、下限發(fā)出報(bào)警。3.連續(xù)地監(jiān)視生產(chǎn)和進(jìn)行調(diào)節(jié)，使物位保持在所

3、要求連續(xù)地監(jiān)視生產(chǎn)和進(jìn)行調(diào)節(jié)，使物位保持在所要求的高度。的高度。6.16.1概述概述3 按工作原理分類按工作原理分類（1）直讀式液位測(cè)量法）直讀式液位測(cè)量法 連通器原理，有玻璃管式、玻璃板；連通器原理，有玻璃管式、玻璃板；（2）沉浮式液位測(cè)量法）沉浮式液位測(cè)量法 浮力原理，有恒浮力式和變浮力式；浮力原理，有恒浮力式和變浮力式；（3）差壓式液位測(cè)量法）差壓式液位測(cè)量法 流體靜力學(xué)原理；流體靜力學(xué)原理；（4）電磁式液位測(cè)量法）電磁式液位測(cè)量法 將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量檢測(cè)；將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量檢測(cè)；（5）反射式液位測(cè)量法）反射式液位測(cè)量法 利用超聲波、微波反射信號(hào)行程；利用超聲波、微波反射信號(hào)行程

4、；（6）射線式液位測(cè)量法）射線式液位測(cè)量法 利用射線在被測(cè)介質(zhì)中的吸收程度；利用射線在被測(cè)介質(zhì)中的吸收程度；6.16.1概述概述3. 液位檢測(cè)方法液位檢測(cè)方法4（1）直讀式液位測(cè)量法）直讀式液位測(cè)量法 它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。 下圖所示的是下圖所示的是玻璃管液位計(jì)。玻璃管液位計(jì)。6.1概述概述5原理：當(dāng)浮標(biāo)受力平衡時(shí)，浮標(biāo)可以原理：當(dāng)浮標(biāo)受力平衡時(shí)，浮標(biāo)可以隨液面穩(wěn)定：隨液面穩(wěn)定：式中式中 WW浮標(biāo)的重力；浮標(biāo)的重力； FF浮標(biāo)所受的浮力；浮標(biāo)所受的浮力；

5、 GG平衡重物的重力；平衡重物的重力；GFW液位上升時(shí)，其上浮力液位上升時(shí)，其上浮力F F增加增加, ,GFW新的力平衡，新的力平衡，反之亦然。因而實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)對(duì)液位的跟蹤。反之亦然。因而實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)對(duì)液位的跟蹤。 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，測(cè)量精度低。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，測(cè)量精度低。 誤差原因：滑輪摩擦，鋼絲繩熱脹冷縮。誤差原因：滑輪摩擦，鋼絲繩熱脹冷縮。浮標(biāo)向上移動(dòng)浮標(biāo)向上移動(dòng),直達(dá)到直達(dá)到（2）沉浮式液位測(cè)量法）沉浮式液位測(cè)量法浮標(biāo)式液位計(jì)浮標(biāo)式液位計(jì)-恒浮力式恒浮力式6浮筒是一不銹鋼空心浮筒是一不銹鋼空心長(zhǎng)圓柱體。浮筒的重長(zhǎng)圓柱體。浮筒的重量大于同體積的液體量大于同體積的液體重量，使浮筒不能漂重量，使浮

6、筒不能漂浮在液面上。浮在液面上。圖中：圖中：1-1-浮筒；浮筒；2-2-彈簧；彈簧；3-3-差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器。（2）沉浮式液位測(cè)量法）沉浮式液位測(cè)量法浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì)-變浮力式變浮力式7第第6章章 液位測(cè)量液位測(cè)量浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì)用差動(dòng)變壓器測(cè)量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈用差動(dòng)變壓器測(cè)量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力力與浮筒浮力及重力G平衡。即平衡。即式中式中: k彈簧剛度彈簧剛度(N/m)； x彈簧壓縮量彈簧壓縮量(m)； 液體密度液體密度(kgm3)； H浮筒浸入深度浮筒浸入深度(m)； A浮筒截面積浮筒截面積(m2)液位高度變化與彈簧變形量成正比。

7、液位高度變化與彈簧變形量成正比。GgAHkx86.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法一一. .基本原理基本原理 流體靜力學(xué)平衡方程流體靜力學(xué)平衡方程1. 1. 開口容器：開口容器：gpHgHppp0氣相壓力為大氣壓式，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣氣相壓力為大氣壓式，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號(hào)，在容器底部安裝壓力表。即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號(hào)，在容器底部安裝壓力表。96.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法一一. .基本原理基本原理2.2.閉口容器閉口容器ggHpHsss)(可見可見: :1.1.液位高度液位高度H H與差壓與差壓p p成正比；成

8、正比；2.2.密度對(duì)差壓式液位測(cè)量有較密度對(duì)差壓式液位測(cè)量有較大影響。大影響。)(HHggHpss106.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法二二. .量程遷移量程遷移差壓變送器出廠時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下：差壓變送器出廠時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下：液位液位H=0時(shí)，變送器的輸入信號(hào)時(shí)，變送器的輸入信號(hào)=0，輸出信號(hào)為，輸出信號(hào)為4mA.實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于測(cè)壓變送器的安裝或取壓方式不標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量起實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于測(cè)壓變送器的安裝或取壓方式不標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量起點(diǎn)與信號(hào)起點(diǎn)不一致，因此需要對(duì)差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移點(diǎn)與信號(hào)起點(diǎn)不一致，因此需要對(duì)差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。1無遷移：無遷移：gpHgHp116.2

9、 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法二二. .量程遷移量程遷移2負(fù)遷移：負(fù)遷移：形成原因：形成原因：加隔離罐加隔離罐或采用法蘭式測(cè)壓差?；虿捎梅ㄌm式測(cè)壓差。01211pgHghp0222pghp正負(fù)室壓力正負(fù)室壓力p p1 1、p p2 2分別為分別為負(fù)遷移示意圖負(fù)遷移示意圖126.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法ghghgHpp2221121ghhgHp2121當(dāng)當(dāng)H=0時(shí)時(shí)ghhp212負(fù)遷移的方法是在變送器的負(fù)遷移的方法是在變送器的電路中加上電路中加上的信號(hào)，則有的信號(hào)，則有H=0，P=0ghh212負(fù)遷移示意圖負(fù)遷移示意圖13法蘭式差壓變送器測(cè)量液位法蘭式差壓

10、變送器測(cè)量液位法蘭式差壓變送器測(cè)量液位法蘭式差壓變送器測(cè)量液位11法蘭式測(cè)量頭；法蘭式測(cè)量頭；22毛細(xì)管；毛細(xì)管；33變送器變送器 測(cè)量具有腐蝕性或含測(cè)量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)，易凝固等液體液位時(shí)，避免引壓管線被腐蝕、避免引壓管線被腐蝕、被堵塞，在導(dǎo)壓管入口被堵塞，在導(dǎo)壓管入口處加處加隔離膜盒隔離膜盒2負(fù)遷移：負(fù)遷移：6.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法146.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法二二. .量程遷移量程遷移3正遷移：正遷移：變送器位置低于液面基準(zhǔn)面。變送器位置低于液面基準(zhǔn)面。)(hHgpghp遷移

11、量：遷移量：正遷移示意圖正遷移示意圖156.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法 某差壓變送器的測(cè)量范圍為某差壓變送器的測(cè)量范圍為05000Pa，壓差由，壓差由0變變化到化到5000Pa時(shí)，變送器的輸出將由時(shí)，變送器的輸出將由4mA變化到變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖中曲線這是無遷移的情況，如圖中曲線a所示。所示。當(dāng)有遷移時(shí)，假設(shè)遷移引起的壓差固定為當(dāng)有遷移時(shí)，假設(shè)遷移引起的壓差固定為2000Pa,H=0時(shí)，時(shí)， P= 2000Pa - 4mAH=HMax時(shí)，時(shí)， P=5000 2000=7000/3000 Pa- 20mA負(fù)遷移如曲線負(fù)遷移如曲線b所示，正遷移如曲線所示，

12、正遷移如曲線c所示。所示。 166.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法正負(fù)遷移示意圖正負(fù)遷移示意圖176.2 6.2 差壓式液位測(cè)量方法差壓式液位測(cè)量方法二二. .量程遷移量程遷移作用作用 ：改變變送器的零點(diǎn)。改變變送器的零點(diǎn)。遷移和調(diào)零遷移和調(diào)零 都是使變送器輸出的起始值與被測(cè)量都是使變送器輸出的起始值與被測(cè)量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。零點(diǎn)遷移量則比較大。 遷移遷移 同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上、下限，相當(dāng)于測(cè)同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上、下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，它不改變量程的大小。量范圍的平移，它不改變量程

13、的大小。遷移彈簧遷移彈簧18課堂練習(xí)課堂練習(xí) 用一臺(tái)法蘭式差壓變送器測(cè)量某容器液位，如下圖用一臺(tái)法蘭式差壓變送器測(cè)量某容器液位，如下圖所示，被測(cè)液位的變化范圍為所示，被測(cè)液位的變化范圍為 0-3m，被測(cè)介質(zhì)密度為，被測(cè)介質(zhì)密度為 =900kg/ m3 ,毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度為毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度為 0 = 950kg/ m3 。變送器的安裝尺寸變送器的安裝尺寸h1=1m,h2=4m。求變送器的測(cè)量范圍，。求變送器的測(cè)量范圍，并判定零點(diǎn)遷移方向，計(jì)算遷移量。并判定零點(diǎn)遷移方向，計(jì)算遷移量。19課堂練習(xí)課堂練習(xí) 解：不考慮遷移量時(shí)，變送器的測(cè)量范圍應(yīng)根據(jù)液位解：不考慮遷移量時(shí)，變送器的測(cè)量范圍應(yīng)根

14、據(jù)液位的最大變化量來計(jì)算的最大變化量來計(jì)算:kPaPagHp487.262648781. 99003max測(cè)量范圍可選擇測(cè)量范圍可選擇0-30kPa當(dāng)液位高度為當(dāng)液位高度為H時(shí)，差壓變送器正、負(fù)壓室所受壓力為時(shí)，差壓變送器正、負(fù)壓室所受壓力為p1 、p2 分別為分別為ghgHpp0101)(12002hhgpp20課堂練習(xí)課堂練習(xí) 差壓變送器所受的差壓為差壓變送器所受的差壓為ghgHppp0221H=0時(shí)，時(shí)，ghp02應(yīng)進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為應(yīng)進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為gh02216.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法226.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法6.3.1 測(cè)量原理測(cè)量原理

15、通過測(cè)量電容量的變化可以用來檢測(cè)液位、料位和兩通過測(cè)量電容量的變化可以用來檢測(cè)液位、料位和兩種不同液體的分界面。種不同液體的分界面。 )/ln(2 0hdDLC時(shí)，分布電容：當(dāng)hKhdDCdDhdDhLC)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2 0H11時(shí)，電容量：當(dāng)236.3.2 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 不銹鋼棒不銹鋼棒3-3-電極電極1 1， 導(dǎo)電液體和容器壁導(dǎo)電液體和容器壁-電極電極2 2 帶聚四氟乙烯絕緣套管帶聚四氟乙烯絕緣套管4-4-絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)工作原理：工作原理：不銹鋼棒作為電容器的內(nèi)電極；不銹鋼棒作為電容器的內(nèi)電極；導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)

16、成外電極；導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成外電極；電容與液體高度成正比。電容與液體高度成正比。6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法24)/ln(2 0H00dDLC 時(shí)，分布電容：當(dāng)6.3.2 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)0：聚四氟乙烯套管和容器：聚四氟乙烯套管和容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)；內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)；D0：容器內(nèi)徑；：容器內(nèi)徑；d：金屬不銹鋼棒的直徑；：金屬不銹鋼棒的直徑；6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法25 0H時(shí)，電容量：當(dāng))/ln()(2)/ln(200dDHLdDHC000)/ln(2)/ln(2CHdDdDC)/ln(2)/ln(2100dD

17、dDK則0KCKCH令6.3.2 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法262)/ln(dDK 則)/ln(21dDKS則靈敏度由上式可以看出，介電常數(shù)越大，聚四氟由上式可以看出，介電常數(shù)越大，聚四氟乙烯套管越薄，則液位計(jì)的靈敏度越高。乙烯套管越薄，則液位計(jì)的靈敏度越高。)/ln(2)/ln(2,0000dDdDdD若K近似為近似為6.3.2 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法27結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩根同軸裝配的電極組成：兩根同軸裝配的電極組成：不銹鋼棒不銹鋼棒-內(nèi)電極內(nèi)電極金屬套

18、筒（有小孔）金屬套筒（有小孔）-外電極外電極非導(dǎo)電液體和空氣為絕緣介質(zhì)非導(dǎo)電液體和空氣為絕緣介質(zhì)6.3.3 測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法28)/ln(2 0H00dDLC時(shí)，分布電容：當(dāng)6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法0：空氣的介電常數(shù)；空氣的介電常數(shù)；D、d：分別為外電極的內(nèi)分別為外電極的內(nèi)徑和內(nèi)電極的外徑。徑和內(nèi)電極的外徑。6.3.3 測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)29)/ln()(2)/ln(2 0H0dDHLdDHCH時(shí)，電容量：當(dāng)HKHdDCCCH)/ln()(200可以看出

19、，電容的變化是高度的單值函數(shù)，兩介電?？梢钥闯?，電容的變化是高度的單值函數(shù)，兩介電常數(shù)之差越大，數(shù)之差越大，D/d越小，靈敏度越高。越小，靈敏度越高。為被測(cè)液體為被測(cè)液體的介電常數(shù)；的介電常數(shù)；6.3.3 測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法30例題例題如圖：用電容液位計(jì)測(cè)量一液體儲(chǔ)罐物料液位。已知儲(chǔ)罐的如圖：用電容液位計(jì)測(cè)量一液體儲(chǔ)罐物料液位。已知儲(chǔ)罐的內(nèi)徑為內(nèi)徑為4.2m,金屬內(nèi)電極直徑為金屬內(nèi)電極直徑為3mm,液位最低位置與最高位液位最低位置與最高位置相差置相差H=20m,罐內(nèi)空氣含有一定量的瓦斯氣，其介電系數(shù)罐內(nèi)空氣含有一

20、定量的瓦斯氣，其介電系數(shù)為為13.27510-12 F/m，液體介電系數(shù)為液體介電系數(shù)為39.82510-12 F/m，求，求液位計(jì)的零點(diǎn)遷移電容值和量程電容值。液位計(jì)的零點(diǎn)遷移電容值和量程電容值。6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法31解：解：)/ln(2dDLCpFdDLC3 .2304200/320 10 13.2752)/ln(2-12min當(dāng)液面最低時(shí)，即罐內(nèi)當(dāng)液面最低時(shí)，即罐內(nèi)L范圍內(nèi)全部為瓦斯氣時(shí)：范圍內(nèi)全部為瓦斯氣時(shí)：pFdDLC8 .6904200/320 10 39.8252)/ln(2-12max液pFCCCx5 .4603 .2308 .690maxmax當(dāng)液面

21、最低時(shí)，即罐內(nèi)當(dāng)液面最低時(shí)，即罐內(nèi)L范圍內(nèi)全部為液體時(shí)：范圍內(nèi)全部為液體時(shí)：所以儀表零點(diǎn)遷移電容值為所以儀表零點(diǎn)遷移電容值為230.3pF,量程為量程為450.5pF6.3 電容式液位測(cè)量方法電容式液位測(cè)量方法32電阻式液位計(jì)的原理是基于電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化液位變化引起電極間引起電極間電阻變化電阻變化，由電阻變化反映液位情況。，由電阻變化反映液位情況。電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行控制，也可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量連續(xù)測(cè)量。定點(diǎn)控制定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起電路的接通或斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。電路的接通或斷

22、開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。6.4電阻式液位測(cè)量方法電阻式液位測(cè)量方法33分分類類1、電接點(diǎn)液位計(jì)、電接點(diǎn)液位計(jì)根據(jù)液體與其蒸汽之間導(dǎo)電特性根據(jù)液體與其蒸汽之間導(dǎo)電特性（電阻值）的差異進(jìn)行液位測(cè)量；（電阻值）的差異進(jìn)行液位測(cè)量；2、熱電阻液位計(jì)、熱電阻液位計(jì)利用液體和蒸汽對(duì)熱敏材料傳熱利用液體和蒸汽對(duì)熱敏材料傳熱特性不同而引起熱敏電阻變化的特性不同而引起熱敏電阻變化的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。6.4電阻式液位測(cè)量方法電阻式液位測(cè)量方法346.4電阻式液位測(cè)量方法電阻式液位測(cè)量方法6.4.1電接點(diǎn)液位計(jì)電接點(diǎn)液位計(jì)應(yīng)用：應(yīng)用：鍋爐汽包、鍋爐汽包、太陽能熱水器太陽能熱水器等等結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：測(cè)量筒測(cè)量筒二次顯示儀表二次顯示儀表（電接點(diǎn)、指（電接點(diǎn)、指示燈、電源）示燈、電源）356.4電阻式液位測(cè)量方法電阻式液位測(cè)量方法6.4.1電接點(diǎn)液位計(jì)電接點(diǎn)液位計(jì)鍋爐汽包：鍋爐汽包：水和蒸汽水和蒸汽：蒸汽的蒸汽的電阻率電阻率要要比水大數(shù)十萬倍，比水大數(shù)十萬倍，可認(rèn)為可認(rèn)為水為導(dǎo)體，水為導(dǎo)體，蒸汽為絕緣體蒸汽為絕緣體指示