化工儀表及自動化教學(xué)課件第四節(jié)物位檢測及儀表

1、第四節(jié) 物位檢測及儀表玻璃液位計 差壓式液位計 液體的高度或自由表面的位置稱為液位。固體塊料、顆粒、粉料等堆積的高度或表面位置稱為料位。在同一容器中，兩種密度不同但互不相溶的液體之間或液體與固體之間的分界面位置高度稱為界位。上述液位、料位、界位統(tǒng)稱為物位。 玻璃管液位計測量物位的儀表叫做物位計。按其工作原理不 同可分為直讀式物位儀表 浮力式物位儀表 靜壓式物位儀表 電磁式物位儀表 核輻射式物位儀表 聲波式物位儀表 光學(xué)式物位儀表 直讀式物位計主要是玻璃液位計， 玻璃液位計是按照連通器液柱靜壓平衡的原理工作的，按結(jié)果可以分為玻璃管式和玻璃板式兩種。一、直讀式物位儀表 玻璃液位計的長度為30012

2、00mm。可就地指示較低的敞口或密閉容器的液位。玻璃液位計結(jié)構(gòu)簡單、價廉、直觀，適于現(xiàn)場使用。但易破損，內(nèi)表面沾污，造成讀數(shù)困難，不便于遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)。玻璃板液位計二、浮力式物位儀表 浮力式物位計利用漂浮在液面上的浮子（也稱浮標(biāo)）或浸沉于液體中的浮筒（也稱沉筒）所受的浮力隨液位而變化來進(jìn)行液位測量的。分為浮子式液位計 、翻版式液位計和浮筒式液位計。浮球式液位計浮筒液位計1浮子式液位計 它的浮子由于受到液體浮力作用而漂浮于液面上，并隨液位的變化而升降，即浮子的位移正確地跟隨液位而變化。浮子式液位計分為內(nèi)浮式和外浮式。使用時若有沉淀物或疑結(jié)物附在浮球上，要重新調(diào)整平衡錘的位置，校正零位。浮球式水位控制

3、器（內(nèi)浮式）調(diào)整箱組件浮筒浮球連桿非導(dǎo)磁管下限水銀開關(guān)磁鋼上限水銀開關(guān) 浮子式液位計是依靠浮標(biāo)或浮子浮在液體中隨液面變化而升降，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，適于各種貯罐的測量。 翻版式液位計的翻版由極薄的導(dǎo)磁金屬制成，兩面涂以顯著不同的顏色。當(dāng)磁性浮子隨液面升降時，帶動翻版繞小軸翻轉(zhuǎn)。兩種顏色的分界點即為液位。2翻版式液位計翻板式液位計工作原理動畫演示浮筒式液位計的檢測元件是浸沒于液體中的浮筒（或沉筒）。浮筒所受浮力隨液位發(fā)生變化。此浮力變化再以力或位移變化的形式，帶動電動或氣動元件發(fā)出信號給顯示儀表以顯示液位，也可以實現(xiàn)液位的報警和調(diào)節(jié)。 3浮筒式液位計 將一質(zhì)量為m的浮筒懸掛在彈簧上，彈

4、簧的下端被固定，當(dāng)測量桶內(nèi)無水時，浮筒的重力與彈簧力達(dá)到平衡時，有：當(dāng)測量筒內(nèi)有一定高度的液位H時，浮筒受到液體的浮力上浮，根據(jù)力平衡：一般 即從而被測液位H可表示為即彈簧的位移量與液位成正比。彈簧的頂端連接有一鐵芯，鐵芯隨著彈簧的位移在差動變壓器內(nèi)上下移動輸出位移信號。三 靜壓式物位計靜壓法測量原理h若液位的高度為h，則液體底部的壓力為：1、壓力式液位計（開口容器的液位測量）用壓力表測量液位2、法蘭式壓力變送器測量液位 用于粘度大、有沉淀、易結(jié)晶、易凝固或具有腐蝕性的介質(zhì)，為防止導(dǎo)壓管堵塞或腐蝕儀表，采用法蘭式壓力變送器。靜壓液位計4、差壓式液位計（密閉容器的液位測量）抵消了容器上部壓力變化

5、對測量的影響。安裝方式:導(dǎo)壓管、法蘭式。00零點遷移 同時改變量程的下限和上限而量程保持不變。1無遷移：2負(fù)遷移形成原因：加隔離罐或采用法蘭式測壓差。正壓室：負(fù)壓室：差壓：無遷移負(fù)遷移H = 0時，P =0，變送器的輸出I=4mA；H = Hmax時， P = Pmax,變送器的輸出I=20mA.H = 0時，P 0，變送器的輸出I4mA；H = Hmax時， P Pmax,變送器的輸出I20mA. 為了使儀表的輸出能正確反映出液位的數(shù)值，也就是使液位的零值與滿量程能與變送器輸出的上下限制相對應(yīng)，調(diào)解儀表上的遷移彈簧，來抵消固定壓值(h2-h1)2g的作用。這就是零點遷移。 為了使變送器的輸出

6、不受固定壓差的影響，采用零點遷移法，進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為(h2-h1)2g。遷移同時改變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。例如：已知 求量程和遷移量？例如：已知 求量程和遷移量？液位高度變化形成的差壓值為所以可選擇差壓變送器量程為40kPa當(dāng)H=0時，所以負(fù)遷移量為37.240kPa，即將差壓變送器的零點調(diào)為-37.240kPa。正遷移量為3正遷移：變送器位置低于液面基準(zhǔn)面。差壓式液位計特點檢測元件不占容器空間，而只需在容器側(cè)壁上開兩個引壓孔。檢測元件無可動部件，安全方便，使用可靠。采用法蘭式結(jié)構(gòu)還可以解決粘度大、易結(jié)晶、有懸浮物的介質(zhì)液位的測量。在冬季使用時，必

7、須采取保溫措施。四、核輻射式物位儀表 核輻射物位測量儀表的基本原理核輻射物位測量儀表中的輻射源（或稱放射源）有鈷 及銫 等放射性同位素。這兩種同位素能發(fā)出較強(qiáng)的射線，而且半衰期（輻射源的強(qiáng)度減至原來的一半所需的）較長。如 的半衰期為5.3年， 的半衰期為33年。射線在穿過物質(zhì)時，會被物質(zhì)的原子散射和吸收，它的強(qiáng)度隨著物質(zhì)層的厚度呈指數(shù)規(guī)律衰減： 即：利用物質(zhì)（一定物位的液體或固體）對核輻射的吸收，使射線強(qiáng)度減弱的原理來測量物位。核輻射能穿透較厚的鋼板和其他固體，所以這類儀表可進(jìn)行不接觸測量，對容器不必開孔，能在強(qiáng)光、濃煙、高壓、高溫等惡劣的工作條件下對高粘度、易爆、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)進(jìn)行液位測量。

8、這是其他類型的物位儀表不能與之相比的 優(yōu)點。但核輻射影響人體健康，需要采取現(xiàn)場勞動防護(hù)措施，這在一定程度上限制了核輻射物位儀表的推廣應(yīng)用。 五、電磁式物位儀表 電磁式物位測量儀表是將物位的變化轉(zhuǎn)換成為一些電量的變化來進(jìn)行物位測量的儀表?？煞譃殡娮枋剑姌O式）、電容式和電感式物位儀表等等。電極式水位計 電容式物位計電容式物位計 UYB-51型電容式液位計TV512電容式物位變送器 電容物位測量儀表是將物位的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化來進(jìn)行物位測量的儀表。電容式物位傳感器 在電容器的極板之間，充以不同介質(zhì)時，電容量的大小不同。因此可通過電容量的變化來檢測液位、料位和界位。LdD 電容式物位傳感器是由兩

9、個同軸圓筒極板組成的電容器。若在兩圓筒之間充以介電常數(shù)為的介質(zhì)時,則此電容器的電容量C為 介電常數(shù)。1、測量的基本原理2、非導(dǎo)電液體液位測量 非導(dǎo)電液體用電容傳感器內(nèi)電極直徑為d的金屬棒，外電極為與內(nèi)電極相絕緣的同軸金屬套管，工作時電介質(zhì)為被測的非導(dǎo)電液體。 當(dāng)液位為H時，電容變化為： Ki為比例常數(shù)，包含有 （-0） 。（-0）值越大，儀表越靈敏。D與d越接近，也就是兩級板距離越小，儀表的靈敏度越高。3、導(dǎo)電液體物位測量 內(nèi)電極為直徑為d的金屬棒，外套絕緣管或涂以搪瓷作為電介質(zhì)和絕緣層。LHHdDD00 電容物位計在測量導(dǎo)電液時，采用的是變面積的方法。此時變送器電極是電容極板之一，被測的導(dǎo)電

10、液是電容的另一個電極，變送器探頭的包覆絕緣材料是一個介電常數(shù)固定的電介質(zhì)。物料的高低決定了電容極板面積的大小，而改變了電容值。 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套 在測量粘性導(dǎo)電介質(zhì)時，由于介質(zhì)沾染電極，相當(dāng)于增加了液位的高度。這增加高度H是一個虛假的液位，為消除虛假液位的形成，通常采用如下方法: 1）采用與被測介質(zhì)親和力小的材料做電極套管,以減小液體的沾染。 2）采用隔離型電極。4、料位的測量 因為固體摩擦很大，容易“滯留”，所以一般不用雙層式電極。對于非導(dǎo)體固體料位，可以采用電極棒和容器壁為兩電極，以被測

11、物料做為電介質(zhì)的電容器來測量。（1）與物料密度無關(guān)。適合應(yīng)用于多種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體、固體顆粒的連續(xù)料位測量。（2）可以用在高壓、真空、高溫、低溫、強(qiáng)震動及應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕液體等惡劣環(huán)境中。（3）體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、靈敏度高、分辨率強(qiáng)。（4）兩線制輸出功耗小、使用簡便。（5）工作時無可動部件，工作可靠。（6）電容物位計價格低廉、經(jīng)濟(jì)耐用。 電容物位計特點電容式物位計使用注意事項（1）電極必須垂直安裝，安裝前要校直。（2）注意不要把電極安放在管口、孔、凹坑等里面，以防止介質(zhì)停留而造成誤動作。（3）儀表的同軸電纜心線不允許進(jìn)水，必須嚴(yán)格予以注意。（4）同軸電纜不許切斷和加長，因為在校驗中已計

12、入初始電容量，否則將影響零點和整個線性。（5）當(dāng)被測介質(zhì)改變后（指濃度和溫度與儀表調(diào)整時的被測介質(zhì)相比），需重新調(diào)整儀表（即校核儀表的零點和滿刻度值）。（6）當(dāng)周圍溫度與調(diào)整時的溫度偏離過大時，則必須重新調(diào)整儀表，以減小溫度的附加誤差。也可將顯示儀表安放在周圍環(huán)境溫度變化較小的室內(nèi)。電阻（電極）式物位計 電阻式液位計既可進(jìn)行定點液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測量。所謂定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。1、電阻式液位計（電極式液位計） 右圖為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖。圖中： 1-

13、電阻棒； 2-絕緣套； 3-測量電橋 該液位計的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。整個傳感器電阻為 該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，電阻大小與液位高度成正比。電阻的測量可用圖中的電橋電路完成。 利用液體導(dǎo)電原理制成，是一種簡易液位計。工作原理見圖 電阻式物位計在料位檢測中一般用作料位的定點控制，因此也稱作電極接觸式物位計。 測量時物料上升或下降至某一位置時，即與相應(yīng)位置上的電極接通或斷開，使該路信號發(fā)生器發(fā)出報警或控制信號。2、電阻式料位計 電極接觸式料位計 1-絕緣套； 2、3、4=電極 5-信號器； 6-金屬容器壁

14、電感式液位計 XZLT01電感式液位變送器 電感式液位計利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。電感式液位計既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行液位定點控制。 電感式傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，當(dāng)液面高度變化時，浮子隨著移動。線圈固定在液位上下限控制點，當(dāng)浮子隨液面移動到控制位置時，引起線圈感應(yīng)電勢變化，以此信號控制繼電器動作，可實現(xiàn)上、下液位的報警與控制。1、3-上下限線圈； 2-浮子 六、微波式物位計 在電磁波譜中將波長為11000mm的電磁波稱為微波。 微波的特點是: (1)在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具

15、有良好的定向輻射性能； (2)在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 1. 反射式微波液位計 利用微波反射的原理制作的液位計，可以連續(xù)檢測與實現(xiàn)液位定點控制。反射式微波液位計原理圖 微波功率的測量通常可用熱電偶或熱阻等元件，再配合相應(yīng)的測量電路，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集和信號處理根據(jù)接收到的微波信號功率，顯示和輸出液位測量結(jié)果。 在測量環(huán)境有大量水蒸汽時，由于水（蒸汽）會對微波產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，因此可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，對此應(yīng)該引起足夠重視。 2. 調(diào)頻連續(xù)波式物位計 下圖是目前在工程應(yīng)用較多的調(diào)頻連續(xù)波式微波物位（液位和料位）計。調(diào)頻式微波物位計 微波物位計通常

16、只需將發(fā)射、接收天線裝在被測料倉（罐）上方，即可對物位進(jìn)行連續(xù)測量。這種調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計抗機(jī)械噪聲、電磁噪聲能力強(qiáng)，在高溫、高壓、高粘度情況下，可連續(xù)、快速而準(zhǔn)確地測出目標(biāo)物體的物位 調(diào)頻式微波液位計原理示意圖 七、光學(xué)式物位計 激光物位計 激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點，使測量精度大為提高。 1、光學(xué)式液位計 激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在液位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進(jìn)行連續(xù)測量。 反射式激光液位檢測原理圖1-激光發(fā)射器； 2-上液位接收器； 3-下

17、液位接收器 2、 光學(xué)式料位計 光學(xué)法是一種比較古老的料位控制方法。一般只用來進(jìn)行定點控制，工作方式采用遮斷式。在儲料容器一側(cè)安裝激光發(fā)射器，另一側(cè)安裝接收器，當(dāng)料位未達(dá)到控制位置時接收器能夠正常接收到光信號，而當(dāng)料位上升至控制位置時，光路被遮斷，接收器接收的信號迅速減小，電子線路檢測到信號變化后轉(zhuǎn)化成報警信號或控制信號。八、重錘探測式料位計 重錘連在與電機(jī)相連的鼓輪上，電機(jī)發(fā)訊使重錘在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制下動作，從預(yù)先定好的原點處靠自重開始下降，通過計數(shù)或邏輯控制記錄重錘下降的位置；當(dāng)重錘碰到物料時，產(chǎn)生失重信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)停轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動重錘迅速返回原點位置。 重錘探測式料位計1-重錘；2-

18、伺服電機(jī)；3-鼓輪 九、稱重式料位計 一定容積的容器內(nèi)，物料重量與料位高度應(yīng)當(dāng)是成比例的，因此可用稱重傳感器或測力傳感器測算出料位高低。圖為稱重式料位計的原理圖 稱重式料位計 1-支承； 2-稱重傳感器 相界面的檢測 相界面的檢測包括液-液相界面、液-固相界面的檢測。 液-液相界面檢測與液位檢測相似，因此各種液位檢測方法及儀表(如壓力式液位計、浮力式液位計、反射式激光液位計等等)都可用來進(jìn)行液-液相界面的檢測。 液-固相界面檢測與料位檢測相似，因此重錘探測式、吊錐式、稱重式、遮斷式激光料位計或料位信號器也同樣可用于液-固相界面的檢測控制。 此外，電阻式物位計、電容式物位計、超聲波物位計、核幅射

19、式物位計等均可用來檢測液-液相界面和液-固相界面。進(jìn)行相界面的檢測必須了解被測介質(zhì)的物理性質(zhì)的差別，才能正確選擇合適的測量方法。 例如，若選用電阻式(或稱電極式)物位計檢測時，應(yīng)當(dāng)明確對被測介質(zhì)的要求，即位于容器下部密度較大的一相導(dǎo)電而浮于上面密度較小的一相不導(dǎo)電，如此等等。 十、 聲波式物位計英國Hycontrol超聲波式物位計 PUL3000超聲波液位計 超聲波物位計是利用超聲波在氣體、液體或固體中的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)來測量兩種介質(zhì)的界面。 超聲波檢測原理超聲波液位、料位訊號器的特點。 是利用超聲波在氣體、液體、固體中的吸收衰減的不同來探測探頭前有無液體、固體存在，從而發(fā)出物位報警信號。換能器相對安裝換能器裝于一邊聲阻尼式連續(xù)測量的超聲液位計的原理 測量的基本方案：從發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波在媒介中傳到液面，經(jīng)反射以后再通過該媒介返回到接收探頭。將測出的超聲波脈沖從發(fā)射到接受的時間乘以超聲波在媒介中的聲速，即可得到物位的高度。 自發(fā)自收單探頭方式有三種方法：液介式、氣介式、固介式。 液介式氣介式固介式HHLHL基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。發(fā)射器：將交變電壓轉(zhuǎn)換成向外發(fā)射的機(jī)械波。接收器：把聲能轉(zhuǎn)換成電能。實現(xiàn)方法：檢測時一般采用較高頻率的超聲脈沖。這樣可減少了單位時間超聲波的發(fā)射能量，又可提高超聲脈沖