第5章物位測量

1、 物位測量物位測量5.1 概述概述物位測量的原因：物位測量的原因：生產(chǎn)過程中，需要了解罐、塔、庫等容器的液位，液體-液體間，液體-固體之間的界面高度，以及固體物料的料位，等。幾個概念：幾個概念：物位物位：容器內(nèi)所貯存物體的上表面位置。物體可以是流體，固體，也可以是不同物體，或者狀態(tài)不同物體交接面。界面界面：指液-液、液-固等的分界面，分別稱為液-液、液-固界面。物位測量就是確定液位、料位或界面的位置。物位測量的目的物位測量的目的 ：1通過測量物位，確定容器內(nèi)原料、半成品，或者產(chǎn)品的數(shù)量；2通過測量物位，確定生產(chǎn)過程是否連續(xù)，便于控制和調(diào)節(jié)，滿足生產(chǎn)要求。5.1.1 5.1.1 物位測量的特點物

2、位測量的特點(1) 液體為可流動性物體，流進或流出容器時，界面會發(fā)生波動。為精確測量液位，應當采取措施，盡量保持被測液面部分的穩(wěn)定。(2) 大型容器內(nèi)的液體各處溫度、密度和粘度可能不均勻。在測量液位時，必須注意儀表的選型和對溫度、密度、粘度不均勻所帶來測量誤差的補償。料倉或槽斗內(nèi)安息角、孔隙料倉或槽斗內(nèi)安息角、孔隙 (3)物料性質(zhì)不同、顆粒大小不同時，休止角也不同，測量料位須知道休止角，將儀表安裝在適當位置，反映料位的真實情況，并盡量避開進料口，或安裝防沖擊擋板，以免物料因由上而下的直接沖擊而損壞儀表。(4) 由于物料受含水量、粘性、顆粒形狀差異，以及容器結(jié)構(gòu)、進、出料口位置等因素的影響，出料

3、口附近往往會出現(xiàn)如圖5-1所示的大孔隙(俗稱“架橋”)。這種孔隙將對容器中物料實際貯量的測量產(chǎn)生影響。因此，在測量時必須加以消除。（5）很多對象只需測量上、下限，并不連續(xù)測量。實際上，這很難辦到實際上，這很難辦到(6) 測量范圍寬（幾毫米到上百米），測量對象多，故測量儀表品種多，測量原理也較多。(7) 測量條件惡劣（高溫、高壓、低比重介質(zhì)、強腐蝕介質(zhì)）5.1.2 5.1.2 物位儀表的類型物位儀表的類型(1) 直讀式物位儀表 原理：連通器原理 例：玻璃管液位計、玻璃板液位計(2) 浮力式液位儀表 原理：浮子高度隨液位變化而改變，或?qū)]于液體中的浮子的浮力隨液面高度變化的原理工作的。(3) 差

4、壓式物位儀表 原理：容器內(nèi)物位改變，造成液柱產(chǎn)生的靜壓變化原理工作。 1）壓力式物位儀表； 2）差壓式物位儀表 (4) 電磁式物位儀表 原理：將物位變化轉(zhuǎn)換為電量變化，通過測量這些電量變化間接測量物位。 例：電阻式（電極式）、電容式和電感式，還有利用壓磁效應工作的物位儀表。 (5) 核輻射式物位儀表 原理：利用核輻射透過物料時，物質(zhì)對放射性同位素放射的射線（常為g射線）的吸收作用為基礎進行物位測量。 (6) 聲波式物位計原理：利用超聲波在氣體、液體或固體中衰減的程度、穿透能力和輻射聲阻抗等各不相同的性質(zhì)進行物位測量。分類： 1）聲波遮斷式物位計 2）聲波反射式物位儀 3）聲阻尼式物位儀 (7)

5、 光學式物位儀表原理：利用物位對光波的遮斷和反射原理工作，光源可以是普通的白熾燈光或激光等。 （8）機械接觸式：重錘式、旋翼式、音叉式5.1.3 物位儀表使用時應考慮的因素物位儀表使用時應考慮的因素1) 被測對象的狀態(tài) 液體：溫度、壓力、比重、粘度、粘附性、氣泡、懸浮物、介電常數(shù)、電導率、液位變化速度等。 固體：溫度、壓力、比重、粘附性、含水量、粒度、物料變化速度等。2) 被測物位要求連續(xù)測量，報警或控制。3) 測量范圍。4) 測量精確度或控制精確度。5) 容器情況：開口 or 密閉，大小、形狀等。6) 是否要求防腐蝕或防爆，及要求的防爆等級。7) 工作環(huán)境：濕度、溫度，煙霧、灰塵、磁場、放射

6、性、振動等。8) 安裝位置：接觸介質(zhì)否？垂直 or 水平安裝?在容器的何處？5.25.2壓差式物位計壓差式物位計5.2.1概述分類：壓力式物位計和差壓式物位計。特點1測量范圍大；2檢測部件除膜片外，無可動部件；3可以測量黏度大、容易結(jié)晶、有懸浮物或腐蝕性介質(zhì)的場合；4測量結(jié)果受介質(zhì)密度變化影響小。5.2.2壓力式液位計原理：原理：根據(jù)容器內(nèi)液面高度H和液柱質(zhì)量造成的靜壓力p成比例關(guān)系，確定液面的位置。圖5-2為基本原理圖。P=gH (5-1)廣泛應用于開口容器和受壓廣泛應用于開口容器和受壓容器中的物位測量。容器中的物位測量。5.2.35.2.3差壓式物位計差壓式物位計1利用差壓法測量液位原理說

7、明：圖5-3所示。p=p2-p0=p1+p0-p0=p1而 p1=gH，因此 H=p1/(g)2測量鍋爐水位的差壓式水位計圖5-4所示。組成：平衡容器、差壓變換器和顯示儀表。特點：可以連續(xù)顯示水位，也可以發(fā)報警告和向水位調(diào)節(jié)器提供信號。1）平衡容器組成平衡平衡容器容器負壓管、正壓管、冷凝容器、上下連接管組成。工作原理：平衡容器就是水位傳感器，在起內(nèi)部造成一個恒定的水靜壓力，使之與被測水位形成的水靜壓力相比較，輸出二者之差，從而測出被測液體的水位高度。負壓管負壓管正壓管正壓管冷凝容器冷凝容器主要問題：介質(zhì)密度會因為溫度和壓力的變化而變化，從而造成誤差。解決辦法：采取補償、校驗措施。2）定量說明p

8、+=p+L1gp-=p+(L-H0-H)g+(H0+H) gp=p+- p-=L(1- )g-H0(- )g- H (- )gg 重力加速度；1 平衡容器中水的平均密度；、 壓力p時的飽和水與飽和蒸汽密度。5.3 電接點液位計電接點液位計 說明：說明：屬連通器式液位計，用于低粘度液體的液位測量。 組成：組成：玻璃管和標尺。 電接點水位計的電接點水位計的變形結(jié)構(gòu)有變形結(jié)構(gòu)有： 玻璃板式玻璃板式：用于中低壓鍋爐汽包水位測量 云母片式云母片式：用于高壓鍋爐汽包水位測量 雙色式雙色式：汽水分界面二側(cè)為紅綠兩色，是結(jié)合玻璃板式和雙色式水位計結(jié)構(gòu)特點，并輔助于光學系統(tǒng)而設計的。 電接點式電接點式：由水位傳

9、感器和電氣顯示儀表組成 5.3.1 5.3.1 電接點水位計的水位傳感器原理電接點水位計的水位傳感器原理 原理：原理：帶若干電接點的連通容器，因汽、水導電性能差帶若干電接點的連通容器，因汽、水導電性能差別，被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻別，被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻( (相當于開相當于開關(guān)閉合關(guān)閉合) )，因此被水接通的電接點位置可表示水位。，因此被水接通的電接點位置可表示水位。電接點導通的顯示方法：電接點導通的顯示方法：燈泡閃亮，帶放大器的發(fā)光二燈泡閃亮，帶放大器的發(fā)光二極管等。極管等。 測量筒和汽包相連，據(jù)連通器力平衡原理從汽包內(nèi)測量筒和汽包相連，據(jù)連通器力平衡原理從汽包內(nèi)取出

10、測量水柱。取出測量水柱。傳感器傳感器是水柱中組成測量標尺的是水柱中組成測量標尺的系列電系列電極極，將水柱分成若干區(qū)間。電極在水中對應點呈綠色，將水柱分成若干區(qū)間。電極在水中對應點呈綠色，在汽中對應點呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。在汽中對應點呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。5.3.2 電接點式水位傳感器的結(jié)構(gòu)電接點式水位傳感器的結(jié)構(gòu)電接點水位計電接點水位計1汽包汽包 2測量筒測量筒 3下接管下接管 4電接點電接點組成：組成：測量筒殼測量筒殼( (連通容器連通容器) )、電接點座和電接點等。、電接點座和電接點等。測量筒長度視水位測量范圍而定，直徑確定考慮接測量筒長度視水位測量范圍而定，直徑確定考

11、慮接點數(shù)目點數(shù)目( (保證開孔后有足夠的強度保證開孔后有足夠的強度) )。電接點數(shù)目電接點數(shù)目：多為：多為1515、l7l7和和1919。為保證強度和便于。為保證強度和便于安裝，在測量筒外殼上按安裝，在測量筒外殼上按120120分布。接點間距不均分布。接點間距不均勻，勻，正常水位附近接點密度較大正常水位附近接點密度較大。電接點應能在高溫高壓下正常工作，溫度劇變時不電接點應能在高溫高壓下正常工作，溫度劇變時不泄漏，耐腐蝕，與筒殼絕緣好。常用超純氧化鋁泄漏，耐腐蝕，與筒殼絕緣好。常用超純氧化鋁( (高高壓爐壓爐) )和聚四氟乙烯和聚四氟乙烯( (中壓爐中壓爐) )作絕緣材料。作絕緣材料。測點最小間

12、隔為測點最小間隔為15mm15mm，即測量標尺最小刻度和階躍，即測量標尺最小刻度和階躍最小幅度為最小幅度為15mm15mm。5.3.3 5.3.3 電接點水位傳感器的誤差電接點水位傳感器的誤差 散熱引起的誤差散熱引起的誤差所有連通器式水位計共存。所有連通器式水位計共存。措施：措施：適當加粗汽側(cè)和水側(cè)的連通導管，筒殼頂適當加粗汽側(cè)和水側(cè)的連通導管，筒殼頂部不保溫，增加凝結(jié)水量，筒殼其余部分保溫以部不保溫，增加凝結(jié)水量，筒殼其余部分保溫以減少散熱。減少散熱。 不連續(xù)指示引起的誤差。接點之間的水位變化不不連續(xù)指示引起的誤差。接點之間的水位變化不能反映，即形成能反映，即形成“盲區(qū)盲區(qū)”，合理布置接點可

13、以改，合理布置接點可以改善此盲區(qū)，但總是不宜作調(diào)節(jié)信號用。善此盲區(qū)，但總是不宜作調(diào)節(jié)信號用。定義：定義：測量料位的計量器稱為料位計。測量料位的計量器稱為料位計。常用的料位計有：常用的料位計有：重錘式料位計、電容重錘式料位計、電容脈沖式料位計、阻移式料位計、阻旋式脈沖式料位計、阻移式料位計、阻旋式料位計、料位計、 射線料位計、超聲波料位計射線料位計、超聲波料位計等。等。 5.4 料位計料位計重錘式料位計示意圖重錘式料位計示意圖組成：組成：與鋼絲繩連接的重錘；與鋼絲繩連接的重錘；執(zhí)行機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)；啟動器；啟動器；信號轉(zhuǎn)換部分；信號轉(zhuǎn)換部分；數(shù)據(jù)采集與顯示部分；數(shù)據(jù)采集與顯示部分；控制邏輯部分控制

14、邏輯部分5.4.1 重錘式料位計重錘式料位計(1) 重錘式料位計工作原理重錘式料位計工作原理探頭接觸物料前后的鋼絲繩受力變化探頭接觸物料前后的鋼絲繩受力變化電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)化成電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)化成荷重、失重信號荷重、失重信號傳送給儀表邏輯控制系統(tǒng)傳送給儀表邏輯控制系統(tǒng)對執(zhí)行器發(fā)出指令，完成探測對執(zhí)行器發(fā)出指令，完成探測說明：說明：儀表同時通過傳感元件將負荷情況隨時傳送儀表同時通過傳感元件將負荷情況隨時傳送給計數(shù)電路，供儀表顯示、報警用給計數(shù)電路，供儀表顯示、報警用工作過程的三個階段：工作過程的三個階段：靜止階段：靜止階段： 當處于當處于“手動手動”狀態(tài)時，鋼絲繩承受探頭重錘重量，執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸受一狀態(tài)時，

15、鋼絲繩承受探頭重錘重量，執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸受一力矩，發(fā)出力矩，發(fā)出“荷重荷重”信號。手動按鈕接通后，邏輯控制器受到觸發(fā)，儀表進信號。手動按鈕接通后，邏輯控制器受到觸發(fā)，儀表進入探測階段。入探測階段。 當處于當處于“自動自動”狀態(tài)時，通過儀表內(nèi)狀態(tài)時，通過儀表內(nèi)“延時延時”環(huán)節(jié)發(fā)出信號觸發(fā)邏輯控環(huán)節(jié)發(fā)出信號觸發(fā)邏輯控制系統(tǒng)，儀表進入自動測量狀態(tài)。制系統(tǒng)，儀表進入自動測量狀態(tài)。測量階段：測量階段： 邏輯控制系統(tǒng)使計數(shù)邏輯控制系統(tǒng)使計數(shù)譯碼電路復位，清除上次測量值，磁力起動器啟譯碼電路復位，清除上次測量值，磁力起動器啟動電動機正向運轉(zhuǎn)，使重錘下降。執(zhí)行器發(fā)出正比于探頭行程的光電脈沖信動電動機正向運轉(zhuǎn)，使重錘

16、下降。執(zhí)行器發(fā)出正比于探頭行程的光電脈沖信號，經(jīng)計數(shù)電路和譯碼器自動將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流信號號，經(jīng)計數(shù)電路和譯碼器自動將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流信號(0(010mA)10mA)供供顯示及報警。顯示及報警。 探頭接觸物料后，鋼絲繩受力迅速減小，執(zhí)行器發(fā)出探頭接觸物料后，鋼絲繩受力迅速減小，執(zhí)行器發(fā)出“失重失重”信號，傳信號，傳至邏輯控制系統(tǒng)，整機脫離測量。至邏輯控制系統(tǒng)，整機脫離測量。返回階段：返回階段： 邏輯控制系統(tǒng)收到邏輯控制系統(tǒng)收到“失重失重”信號后，信號后，磁力起動器磁力起動器使電動機反轉(zhuǎn)，探頭上使電動機反轉(zhuǎn)，探頭上升，并將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流值以顯示容器內(nèi)的料位。同時升，并將探頭行

17、程轉(zhuǎn)換成直流電流值以顯示容器內(nèi)的料位。同時 “ “保留記保留記憶憶”信號，直至下一過程開始。探頭上升到靜止原位時，發(fā)出信號，電動機信號，直至下一過程開始。探頭上升到靜止原位時，發(fā)出信號，電動機停止運轉(zhuǎn)，進入靜止階段。停止運轉(zhuǎn)，進入靜止階段。(2) 主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標測量范圍測量范圍：023M；操作方式操作方式：包括手動操作，定時操作。定時為：包括手動操作，定時操作。定時為110min，分十檔任選；，分十檔任選；被測介質(zhì)溫度被測介質(zhì)溫度：常溫；：常溫；環(huán)境溫度環(huán)境溫度：-20+55；基本誤差基本誤差：10mm；重錘質(zhì)量重錘質(zhì)量：0.3kg。（1 1）測量原理）測量原理組成：組成：傳感器和二

18、次儀表組成。傳感器和二次儀表組成。同軸圓柱形電容器的電容量：同軸圓柱形電容器的電容量：5.2 電容脈沖式物位計電容脈沖式物位計dDLCrln20極板長度極板長度介質(zhì)的相對介質(zhì)的相對介電常數(shù)介電常數(shù)真空的介電真空的介電常數(shù)常數(shù)同軸圓柱形極板電容器同軸圓柱形極板電容器d通過電容傳感器把物位轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再用測量電容量的方法確定物位數(shù)值。傳感器把料位的變化轉(zhuǎn)變成與之對應的電容量的變化，由測量電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對應的電脈沖信號，遠傳給二次儀表處理 電容傳感器插入被測容器內(nèi)，被測介質(zhì)為液體，介電容傳感器插入被測容器內(nèi)，被測介質(zhì)為液體，介電常數(shù)為電常數(shù)為2，其覆蓋氣體的介電常數(shù)為，其覆蓋氣體的介電常

19、數(shù)為1。液位高度為零時，兩極間充滿氣體，電容量為液位高度為零時，兩極間充滿氣體，電容量為C。液體升高液體升高H時，兩極之間有時，兩極之間有H高度被液體浸入，由于高度被液體浸入，由于1與與2不同，必產(chǎn)生電容量的變化不同，必產(chǎn)生電容量的變化C CdDHCln)(212由內(nèi)電極由內(nèi)電極1 1和與它和與它相絕緣的同軸金屬相絕緣的同軸金屬圓筒制成的外電極圓筒制成的外電極2 2組成，內(nèi)外電極之組成，內(nèi)外電極之間采用絕緣套管間采用絕緣套管3 3進進行絕緣固定。行絕緣固定。（）測量非導電介質(zhì)液位電容傳感（）測量非導電介質(zhì)液位電容傳感器器（）測量導電介質(zhì)液位的（）測量導電介質(zhì)液位的電容傳感器電容傳感器被測介質(zhì)為

20、導電液體，內(nèi)電極要用絕緣物覆蓋作為中間介被測介質(zhì)為導電液體，內(nèi)電極要用絕緣物覆蓋作為中間介質(zhì)，導電液體與金屬容器壁一起作為外電極。質(zhì)，導電液體與金屬容器壁一起作為外電極。當被測液位為零時，電容器中間所充介質(zhì)是介電常數(shù)為當被測液位為零時，電容器中間所充介質(zhì)是介電常數(shù)為e e0 0的氣體，電容器的電容為：的氣體，電容器的電容為：C C0 0=2 pe=2 pe0 0L/ln(R/r)L/ln(R/r)當液位為某一高度當液位為某一高度H H時，電容器可視為兩部分電容的并時，電容器可視為兩部分電容的并聯(lián)組合，即聯(lián)組合，即C C1 1= 2pe= 2pe1 1H/ln(R/r) + 2peH/ln(R/

21、r) + 2pe0 0(L-H)/ln(R/r) (L-H)/ln(R/r) 液位變化引起的電容增量為：液位變化引起的電容增量為：C=CC=C1 1-C-C0 0則：則： C= 2p(e C= 2p(e1 1-e-e0 0)H/ ln(R/r) )H/ ln(R/r) 可見，電容的增量與被測液位成正比，因此測出電可見，電容的增量與被測液位成正比，因此測出電容增量的變化便可知道液位的高容增量的變化便可知道液位的高液體的介電常數(shù)液體的介電常數(shù)電極被液體浸沒的高度電極被液體浸沒的高度（）固體料位的測量（）固體料位的測量用一根電極棒與金屬容用一根電極棒與金屬容器壁構(gòu)成電容器的兩電極，器壁構(gòu)成電容器的兩

22、電極，將金屬電極棒插入容器內(nèi)將金屬電極棒插入容器內(nèi)的被測物料中，以金屬棒的被測物料中，以金屬棒作內(nèi)電極，金屬容器壁為作內(nèi)電極，金屬容器壁為外電極，與非導電物料的外電極，與非導電物料的料位測量相同，測量電容料位測量相同，測量電容量的變化，即可測得料位。量的變化，即可測得料位。5.4.35.4.3阻旋式料位計阻旋式料位計阻旋式料位計示意圖阻旋式料位計示意圖1-同步電機；同步電機； 2-微動開關(guān)；微動開關(guān)； 3-傳傳動齒輪；動齒輪；4-斜板；斜板； 5-主軸；主軸； 6-旋翼旋翼構(gòu)造及工作原理：構(gòu)造及工作原理：同步電機通過傳同步電機通過傳動齒輪動齒輪Z1Z1、Z2Z2、Z3Z3、Z4Z4減速后，帶減

23、速后，帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上的旋翼以動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上的旋翼以3r/min3r/min的速度轉(zhuǎn)動。的速度轉(zhuǎn)動。料位上升料位上升接觸到旋翼時，旋翼旋轉(zhuǎn)接觸到旋翼時，旋翼旋轉(zhuǎn)受阻，齒輪受阻，齒輪Z3Z3在同步電機驅(qū)動下，在同步電機驅(qū)動下，克服返回彈簧的阻力，沿齒輪克服返回彈簧的阻力，沿齒輪Z4Z4作作圓周運動，同時帶動斜板轉(zhuǎn)動，斜圓周運動，同時帶動斜板轉(zhuǎn)動，斜板的微小板的微小位移推動兩微動開關(guān)的觸位移推動兩微動開關(guān)的觸點，一只微動開關(guān)切斷同步電機電點，一只微動開關(guān)切斷同步電機電源，電機停止轉(zhuǎn)動，另源，電機停止轉(zhuǎn)動，另微動開關(guān)微動開關(guān)對外發(fā)出觸點信號。對外發(fā)出觸點信號。料位下降料位下降到低于旋翼的位置

24、時，作用于旋翼上的阻力消除，斜板到低于旋翼的位置時，作用于旋翼上的阻力消除，斜板依靠返回彈簧的作用復原，微動開關(guān)復原，同步電機電源接通，依靠返回彈簧的作用復原，微動開關(guān)復原，同步電機電源接通，旋翼恢復轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)高料位報警。旋翼恢復轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)高料位報警。改變微動開關(guān)觸點信號的連接線，可進行低料位報警。改變微動開關(guān)觸點信號的連接線，可進行低料位報警。（1）測量原理）測量原理射線透射強度隨介質(zhì)層厚度的增加而減弱，入射強度（放射線透射強度隨介質(zhì)層厚度的增加而減弱，入射強度（放射源）為射源）為I0，隨介質(zhì)厚度的增加其強度按指數(shù)規(guī)律衰減：，隨介質(zhì)厚度的增加其強度按指數(shù)規(guī)律衰減：（2）測量物位的方法）測量物位的