化工儀表自動(dòng)化【第三章】物位檢測(cè)及儀表(液位計(jì)、料位計(jì)、界面計(jì))

1、化工儀表自動(dòng)化化工儀表自動(dòng)化（Instruments & Automatics of Chemical Engineering）第三章第三章 檢測(cè)儀表及傳感器檢測(cè)儀表及傳感器主講人：孫行衍主講人：孫行衍第三章第三章 檢測(cè)儀表及傳感器檢測(cè)儀表及傳感器3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表圖1 火電廠生產(chǎn)流程空氣給水泵去煙囪凝汽器空預(yù)器空氣空氣燃料汽包省煤器再熱器過熱器水冷壁汽輪機(jī)鍋爐灰斗發(fā)電機(jī)鍋爐水循環(huán)效果變差水冷壁超溫被燒壞爆管水位過低水位過低3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表一、概述一、概述1.物位儀表分類物位儀表分類物

2、位儀表物位儀表液位計(jì)液位計(jì)料位計(jì)料位計(jì)界面計(jì)界面計(jì)3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表2.2.物位測(cè)量的目的物位測(cè)量的目的（1 1）獲得容器內(nèi)物質(zhì)的體積或質(zhì)量；）獲得容器內(nèi)物質(zhì)的體積或質(zhì)量；（2 2）監(jiān)視）監(jiān)視/ /控制容器內(nèi)介質(zhì)物位，滿足工藝要求；控制容器內(nèi)介質(zhì)物位，滿足工藝要求；（3 3）對(duì)容器內(nèi)介質(zhì)物位的上下限位置報(bào)警；）對(duì)容器內(nèi)介質(zhì)物位的上下限位置報(bào)警；（4 4）監(jiān)視）監(jiān)視/ /調(diào)節(jié)容器中出入物料的平衡。調(diào)節(jié)容器中出入物料的平衡。物位測(cè)量的物位測(cè)量的絕對(duì)值絕對(duì)值物位測(cè)量的物位測(cè)量的相對(duì)值相對(duì)值3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表2.2.按按工作原理劃分工作原理劃分的物位儀表類型的物位儀

3、表類型（1 1）直讀式直讀式利用連通器原理工作利用連通器原理工作 ；3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（2 2）差壓式差壓式利用液柱或物料堆積對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生利用液柱或物料堆積對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生壓力的原理工作壓力的原理工作；3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（3 3）浮力式浮力式利用浮子高度隨液位變化而改變的利用浮子高度隨液位變化而改變的原理工作原理工作； 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（4 4）電磁式電磁式使物位的變化轉(zhuǎn)換為一些電量的變使物位的變化轉(zhuǎn)換為一些電量的變化，通過測(cè)量這些電量的變化間接的測(cè)知物位化，通過測(cè)量這些電量的變化間接的測(cè)知物位；3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（5 5）

4、輻射式輻射式利用輻射透過物料強(qiáng)度發(fā)生變化的利用輻射透過物料強(qiáng)度發(fā)生變化的原理；原理； 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（6 6）聲波式聲波式是利用聲波的聲阻抗、聲遮斷、聲是利用聲波的聲阻抗、聲遮斷、聲反射距離差異進(jìn)行測(cè)量反射距離差異進(jìn)行測(cè)量；3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（7 7）光學(xué)式光學(xué)式利用物位對(duì)光波的遮斷和反射原理利用物位對(duì)光波的遮斷和反射原理工作。工作。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表二二.差壓式液位變送器差壓式液位變送器容器內(nèi)容器內(nèi)液位液位改變時(shí)，由液柱產(chǎn)生的改變時(shí)，由液柱產(chǎn)生的靜壓力靜壓力也發(fā)生也發(fā)生相應(yīng)變化。相應(yīng)變化。根據(jù)流體力學(xué)的原理：根據(jù)流體力學(xué)的原理： PP

5、P PB BP PA AH Hg g 式中：式中：PAPA、B B兩點(diǎn)的差壓；兩點(diǎn)的差壓； HH液位高度；液位高度； 介質(zhì)密度；介質(zhì)密度； gg重力加速度。重力加速度。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表 帕斯卡用一個(gè)密閉的裝滿水的桶帕斯卡用一個(gè)密閉的裝滿水的桶，在桶蓋上插入一根細(xì)長(zhǎng)的管子，在桶蓋上插入一根細(xì)長(zhǎng)的管子，從樓房的陽臺(tái)上向細(xì)管子里灌，從樓房的陽臺(tái)上向細(xì)管子里灌水。結(jié)果只用了一杯水，就把桶水。結(jié)果只用了一杯水，就把桶壓裂了，桶里的水就從裂縫中流壓裂了，桶里的水就從裂縫中流了出來。了出來。 帕斯卡帕斯卡“桶裂桶裂”實(shí)驗(yàn)很好地證實(shí)驗(yàn)很好地證明了明了液體壓強(qiáng)液體壓強(qiáng)與與液體的深度有關(guān)液體的

6、深度有關(guān),而與液體的重力無關(guān)。而與液體的重力無關(guān)。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表當(dāng)測(cè)量敞口容器的液位如下圖所示，差壓變當(dāng)測(cè)量敞口容器的液位如下圖所示，差壓變送器的負(fù)壓通大氣即可，這時(shí)作用在正壓室的壓送器的負(fù)壓通大氣即可，這時(shí)作用在正壓室的壓力就是力就是液位高度液位高度所產(chǎn)生的靜壓力所產(chǎn)生的靜壓力HgHg。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表當(dāng)測(cè)量受壓容器的液位如下圖所示，將差壓當(dāng)測(cè)量受壓容器的液位如下圖所示，將差壓變送器的負(fù)壓室與容器的氣相空間相連，以平衡變送器的負(fù)壓室與容器的氣相空間相連，以平衡氣相壓力的靜壓作用。氣相壓力的靜壓作用。PP氣氣HgP氣氣Hg 差壓差壓的大小同樣代表了的大

7、小同樣代表了液位高度液位高度的大小。的大小。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表在使用差壓變送器或差壓計(jì)來測(cè)量液位高度時(shí)，在使用差壓變送器或差壓計(jì)來測(cè)量液位高度時(shí)，一般說其一般說其壓差壓差PP與液位高度與液位高度H H之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系： PPHgHg這是最簡(jiǎn)單的情況，稱為這是最簡(jiǎn)單的情況，稱為“無遷移無遷移”。當(dāng)。當(dāng)H H0 0時(shí)，作用在正、負(fù)壓室的壓力是相等的。時(shí)，作用在正、負(fù)壓室的壓力是相等的。 在實(shí)際應(yīng)用中，往往在實(shí)際應(yīng)用中，往往H H與與PP之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不那之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不那么簡(jiǎn)單。么簡(jiǎn)單。 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表 當(dāng)液面上的介質(zhì)是可凝氣體（如蒸汽）時(shí)，或

8、為了防止容當(dāng)液面上的介質(zhì)是可凝氣體（如蒸汽）時(shí)，或?yàn)榱朔乐谷萜鲀?nèi)液體和氣體進(jìn)入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保證負(fù)器內(nèi)液體和氣體進(jìn)入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，并保證負(fù)壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別壓室的液柱高度恒定，在變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝有裝有隔離罐隔離罐，并充以隔離液。，并充以隔離液。若若被測(cè)介質(zhì)的密度為被測(cè)介質(zhì)的密度為1 1，隔離液的密度為隔離液的密度為0 0 ，這時(shí)，這時(shí)，正、負(fù)壓室的壓力分別為：正、負(fù)壓室的壓力分別為：P1h10g H1g P0 P2h20gP0 正、負(fù)壓室間的壓力差為正、負(fù)壓室間的壓力差為PH1g （h2h1）0g 3.4 物位

9、檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表 對(duì)比兩式可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)壓差減少了對(duì)比兩式可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)壓差減少了(h2h1)0g一項(xiàng)，一項(xiàng)， 即即H0時(shí)，時(shí)，P(h2h1)0g。 對(duì)比無遷移的情況，相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定數(shù)值對(duì)比無遷移的情況，相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定數(shù)值為為:（h2h1）0g。PH1g （h2h1）0g PP氣氣HgP氣氣Hg 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表如何抵消固定壓差如何抵消固定壓差（h2h1）0g的作用？的作用？使使液位的零值和滿量程液位的零值和滿量程 與與 變送器輸出的上下限變送器輸出的上下限對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)。 儀表中的遷移彈簧儀表中的遷移彈簧 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)： 改變變送

10、器的零點(diǎn)。改變變送器的零點(diǎn)。 遷移遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，但同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，但不改變量程不改變量程的大小的大小，相當(dāng)于，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移測(cè)量范圍的平移。 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表某儀表的測(cè)量范圍為某儀表的測(cè)量范圍為05000Pa05000Pa，無遷移無遷移時(shí)，當(dāng)壓差時(shí)，當(dāng)壓差由由0 0變化到變化到5000Pa5000Pa時(shí)，時(shí)，變送器的輸出將由變送器的輸出將由4mA4mA變化到變化到20mA20mA。如圖如圖3-403-40中曲線中曲線a a所示。所示。 當(dāng)當(dāng)有遷移有遷移時(shí)，假定固定壓差為時(shí)，假定固定壓差為2000Pa2000Pa，那么當(dāng)，那么當(dāng)H H0 0

11、時(shí)，根據(jù)前時(shí)，根據(jù)前式有：式有： P(h2h1)0g 即即PP2000Pa2000Pa，這時(shí)變送器，這時(shí)變送器輸出應(yīng)為輸出應(yīng)為0.02MPa0.02MPa，H H為最大時(shí)，為最大時(shí)，PP50005000200020003000Pa3000Pa，這，這時(shí)變送器輸出應(yīng)為時(shí)變送器輸出應(yīng)為0.1MPa0.1MPa，如圖，如圖3-403-40中的曲線中的曲線b b所示。所示。1p2pI0/mAp/Pa3.4 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表單法蘭式差壓變送器單法蘭式差壓變送器雙法蘭式差壓變送器雙法蘭式差壓變送器3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表三三.電容式物位傳感器電容式物位傳感器電容器極板間所充

12、介質(zhì)的差異，會(huì)導(dǎo)致電容量的電容器極板間所充介質(zhì)的差異，會(huì)導(dǎo)致電容量的不同?？衫么嗽頊y(cè)量液位、料位和分界面。不同?？衫么嗽頊y(cè)量液位、料位和分界面。兩圓筒間的電容量表達(dá)式：兩圓筒間的電容量表達(dá)式：2lnLdCD3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表（1 1）液位為）液位為0 0時(shí)，零點(diǎn)電容為：時(shí)，零點(diǎn)電容為：002lnLCDd（2 2）液位為）液位為H H時(shí)，電容為：時(shí)，電容為：02()2lnlnLHHCDDdd（3 3）電容變化量為：）電容變化量為：002 ()lniKDHCdCCH 3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表電容量變化與料位升降關(guān)系為：電容量變化與料位升降關(guān)系為：002 ()l

13、nCDHCdC3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表三三.核輻射物位計(jì)核輻射物位計(jì)0HII e射線的投射強(qiáng)度隨著通過射線的投射強(qiáng)度隨著通過介質(zhì)層介質(zhì)層厚度厚度的增加而減弱。的增加而減弱。穿透力強(qiáng)，無接觸，穿透力強(qiáng)，無接觸，適用于各種惡劣環(huán)境適用于各種惡劣環(huán)境3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表四四.磁致伸縮式液位計(jì)（浮子式液位計(jì)）磁致伸縮式液位計(jì)（浮子式液位計(jì)）磁致伸縮原理磁致伸縮原理：某些磁性材料，在周圍某些磁性材料，在周圍磁場(chǎng)作用下內(nèi)部磁疇取磁場(chǎng)作用下內(nèi)部磁疇取向改變，因而引起尺寸向改變，因而引起尺寸伸縮。伸縮。適用于高精度要求的清潔液體的液位測(cè)量。適用于高精度要求的清潔液體的液位測(cè)量。3.

14、4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表n 舌簧管：是一種有觸點(diǎn)的開關(guān)元件，利用舌簧管：是一種有觸點(diǎn)的開關(guān)元件，利用磁場(chǎng)磁場(chǎng)控制舌簧管控制舌簧管內(nèi)觸點(diǎn)通斷的原理。內(nèi)觸點(diǎn)通斷的原理。 磁浮子舌簧管液位計(jì)磁浮子舌簧管液位計(jì) 環(huán)形永磁體的兩面分環(huán)形永磁體的兩面分別為別為N N和和S S極，磁力線極，磁力線將使管內(nèi)的舌簧閉合。將使管內(nèi)的舌簧閉合。因此處于浮子中央的因此處于浮子中央的舌簧管吸合導(dǎo)通，其舌簧管吸合導(dǎo)通，其它呈斷開狀態(tài)。它呈斷開狀態(tài)。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表五五.光纖式液位計(jì)光纖式液位計(jì)組成組成：液位敏感元件（棱鏡）；液位敏感元件（棱鏡）；傳輸光信號(hào)的光纖；傳輸光信號(hào)的光纖；光源；光源；

15、光檢測(cè)元件。光檢測(cè)元件。只要檢測(cè)出只要檢測(cè)出裸露在空氣中裸露在空氣中和和淹沒在液體中淹沒在液體中的的輸出光功率差值，即可判斷。輸出光功率差值，即可判斷。3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表1.1.機(jī)械轉(zhuǎn)換部分機(jī)械轉(zhuǎn)換部分2.2.光纖光路部分光纖光路部分3.3.電子電路部分電子電路部分圖圖3-49 3-49 稱重式液罐計(jì)量?jī)x稱重式液罐計(jì)量?jī)x11下波紋管；下波紋管；22上波紋管；上波紋管；33液相引壓管；液相引壓管；44氣相引壓管；氣相引壓管；55砝碼；砝碼；66絲杠；絲杠；77可可逆電機(jī)；逆電機(jī)；88編碼盤；編碼盤；99發(fā)訊器發(fā)訊器3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表六六.稱重式液罐計(jì)量?jī)x稱重式

16、液罐計(jì)量?jī)x 該計(jì)量?jī)x既能將該計(jì)量?jī)x既能將，又能反映出罐中，又能反映出罐中。21121MgLLAppgHpp12杠桿平衡時(shí)杠桿平衡時(shí)由于由于（3-573-57）112ALLHMK H代入（代入（3-573-57）（3-583-58）3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表02MKLiAMLAAKKi11式中式中如果液罐的橫截面積如果液罐的橫截面積A A為常數(shù)，得為常數(shù)，得將式（將式（3-603-60）代入式（）代入式（3-583-58），得），得20KLMA（3-613-61）HAM0AMH0如果液罐是均勻截面如果液罐是均勻截面（3-593-59）（3-603-60）即即3.4 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表八八.物位儀表的選型物位儀表的選型（1）液面和界面測(cè)量應(yīng)選用差）液面和界面測(cè)量應(yīng)選用差壓式、浮筒式和浮子式壓式、浮筒式和浮子式儀表。儀表。（2）儀表的）儀表的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性決定。，應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性決定。（3）