建筑環(huán)境測量技術(shù) 第6章 物位測量

第六章物位測量

6.1物位檢測的主要方法和分類6.2靜壓式物位檢測6.3浮力式物位檢測6.4電氣式物位檢測6.5聲學(xué)式物位檢測6.6射線式物位檢測16.1物位檢測的主要方法和分類物位的定義：對于一種液體：物位——液位，即容器中液面的高低。使用液位計(jì)檢測。對于兩種液體：物位——界面，即兩種液體介質(zhì)的分界面的高低。使用界面計(jì)檢測。對于固體：物位——料位，即固體塊、散粒狀物質(zhì)的堆積高度。使用料位計(jì)檢測。液位計(jì)、界面計(jì)、料位計(jì)統(tǒng)稱物位計(jì)。通過物位檢測可以確定容器中被測介質(zhì)的儲存量。26.1.1物位檢測的主要方法1、靜壓式物位檢測根據(jù)流體靜力學(xué)原理，靜止介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)的靜壓力B與介質(zhì)上方自由空間(A點(diǎn))壓力之差，與該點(diǎn)上方的介質(zhì)高度H成正比。因此可利用差壓來檢測液位H。36.1.1物位檢測的主要方法2、浮力式物位檢測恒浮力法：利用漂浮于液面上的浮子隨液面變化的位置來檢測液位。變浮力法：利用部分浸沒于液體中的物質(zhì)的浮力隨液位變化來檢測液位。46.1.1物位檢測的主要方法3、電氣式物位檢測把敏感元件（內(nèi)筒、外筒）做成一定形狀的電極置于被測介質(zhì)中。電極之間的電氣參數(shù)，如電阻、電容等，隨物位的變化而改變。既可用于液位檢測，也可用于料位檢測。56.1.1物位檢測的主要方法4、聲學(xué)式物位檢測利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及在不同相界面之間的反射特性來檢測物位。液位和料位的檢測都可以用此方法。66.1.1物位檢測的主要方法5、射線式物位檢測放射性同位素所放出的射線（如α射線、β射線、γ射線等）穿過被測介質(zhì)（液體或固體顆粒）因被其吸收而強(qiáng)度減弱。吸收程度與物位有關(guān)?？梢詫?shí)現(xiàn)物位的非接觸式測量。76.1.2物位檢測的基本原理

1、基于力學(xué)原理 敏感元件所受到的力（壓力）的大小與物位成正比，包括靜壓式、浮力式和重錘式物位檢測等。2、基于相對變化原理 當(dāng)物位變化時，物位與容器底部或頂部的距離發(fā)生改變，通過測量距離的相對變化可獲得物位的信息。這種檢測原理包括聲學(xué)法、微波法和光學(xué)法等。3、基于物理量變化原理 某強(qiáng)度性物理量隨物位的升高而增加原理，例如對射線的吸收強(qiáng)度、電容器的電容量等。86.2靜壓式物位檢測

用于液體液位檢測。采用玻璃管及壓力（壓差）儀表。6.2.1

檢測原理 液位高度變化時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化。如圖，對于封閉容器，A代表實(shí)際液面，B代表零液位，H為液柱高度。根據(jù)流體靜力學(xué)原理可知，A、B兩點(diǎn)的壓力差為：96.2靜壓式物位檢測

當(dāng)被測對象為敞口容器，則PＡ為大氣壓，△P為B點(diǎn)的表壓力。因此，A、B兩點(diǎn)的壓差△P或B點(diǎn)的表壓力P與液位高度H成正比。把液位的檢測轉(zhuǎn)化為壓力差或壓力的檢測，選擇合適的壓力或差壓檢測儀表就可實(shí)現(xiàn)液位的檢測。106.2.2檢測方法

1、玻璃管檢測采用與被測容器相連通的玻璃管來直接顯示。敞口容器：在容器底部引出連通管，與顯示用玻璃管相連接。玻璃管的高度需要高出最高液位的高度，頂端敞口直接與大氣相通。密閉容器：在上下兩端引出連通管與顯示用玻璃管的上下端相連接。特點(diǎn)：簡單可靠，結(jié)果準(zhǔn)確。只能現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果無法遠(yuǎn)傳。密閉容器：使用玻璃管檢測液位116.2.2檢測方法

2、壓力儀表檢測敞口容器：將壓力表通過導(dǎo)壓管與容器底部零液位處相連。要求液體密度為定值，否則會引起誤差。圖6.2.2壓力計(jì)式液位計(jì)示意圖容器壓力表零液位導(dǎo)壓管壓力表實(shí)際指示的壓力是液面至壓力表入口之間的靜壓力。當(dāng)壓力表與取壓點(diǎn)（零液位）不在同一水平位置時，應(yīng)對其位置高度差而引起的壓力變化進(jìn)行修正，以消除由于安裝位置引起的靜壓誤差。126.2.2檢測方法

密閉容器：容器下部的液體壓力除與液位高度有關(guān)外，還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)。P2=P0+ρgH壓力表的指示值，除了與液位高度有關(guān)外，還與液體密度和壓力表的安裝位置有關(guān)。當(dāng)這些因素影響較大時，必須修正。對于安裝位置引起的指示偏差，可采用量程遷移來解決。容器壓力表零液位圖6.2.3差壓式液位計(jì)示意圖136.2.2檢測方法

特殊介質(zhì)具有腐蝕性、含有結(jié)晶顆粒、粘度大、易凝固的液體介質(zhì)，導(dǎo)壓管容易被腐蝕或堵塞，影響測量精度，甚至不能測量，應(yīng)使用法蘭式壓力變送器。敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測介質(zhì)接觸，省去導(dǎo)壓管，從而克服導(dǎo)壓管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經(jīng)毛細(xì)管與壓力變送器的測量室相通，它們所組成的密閉系統(tǒng)內(nèi)充以硅油，作為傳壓介質(zhì)。為了使毛細(xì)管經(jīng)久耐用，其外部均套有金屬蛇皮保護(hù)管。法蘭毛細(xì)管法蘭式液位計(jì)示意圖146.2.3量程遷移

當(dāng)取壓口與壓力表的入口不在同一水平高度時，會產(chǎn)生靜壓誤差。如對于地下凹槽，壓力表不能安裝在零液位處。因此，必須進(jìn)行校正。校正計(jì)算的方法稱為量程遷移。包括：無遷移、負(fù)遷移、正遷移。圖6.2.2壓力計(jì)式液位計(jì)示意圖容器壓力表零液位導(dǎo)壓管容器壓力表零液位圖6.2.3差壓式液位計(jì)示意圖15無遷移

將差壓變送器的正、負(fù)室分別與容器的下部和上部取壓點(diǎn)相連通，并保證正室與零液位等高。設(shè)壓差變送器的正、負(fù)室受到的壓力分別為P+和P-，則：零液位H=0時，△P=0H=Hmax時，△P=△Pmax16差壓變送器

差壓變送器的作用：將輸入差壓轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。對于DDZ-III型電動差壓變送器，輸入信號為差壓△P，輸出信號為4~20mA電流。對于液位H的測量，在無遷移的情況下：當(dāng)H=0時，△P=0，對應(yīng)差壓變送器的0點(diǎn)，輸出信號I=4mA。當(dāng)H=Hmax時，△P=△Pmax，對應(yīng)差壓變送器的滿量程，輸出信號I=20mA。圖6.2.6差壓變送器的正負(fù)遷移示意圖：b-負(fù)遷移a-正遷移17負(fù)遷移

當(dāng)容器上方空間的氣體是可凝性的（如水蒸氣），或如果被測介質(zhì)有腐蝕性，導(dǎo)壓管需要防腐。因此，在差壓變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝設(shè)隔離管，并充以隔離液。隔離液的密度為ρ2，則：B：負(fù)遷移量18負(fù)遷移

當(dāng)H=0時，△P=-B，輸出信號I<4mA。為了使得H=0時I=4mA，就要設(shè)法消去-B的作用，這稱為量程遷移。由于要遷移的量為負(fù)值，因此稱為負(fù)遷移，負(fù)遷移量為B。對于DDZ-III型差壓變送器，量程遷移只要調(diào)節(jié)變送器上的遷移彈簧，使得變送器：在H=0、△P=-B時，輸出電流I=4mA。在H=Hmax、△P=Hmaxρ1g-B時，輸出電流I=20mA。從而實(shí)現(xiàn)輸出電流與液位之間的線性關(guān)系。19正遷移

取壓點(diǎn)高于壓力表的入口。C：正遷移量20正遷移

當(dāng)H=0時，△P=C，輸出信號I>4mA。為了使得H=0時I=4mA，就要設(shè)法消去C的作用，這稱為量程遷移。由于要遷移的量為正值，因此稱為正遷移，正遷移量為C。對于DDZ-III型差壓變送器，量程遷移只要調(diào)節(jié)變送器上的遷移彈簧，使得變送器：在H=0、△P=C時，輸出電流I=4mA。在H=Hmax、△P=Hmaxρ1g+C時，輸出電流I=20mA。從而實(shí)現(xiàn)輸出電流與液位之間的線性關(guān)系。21例6.2.1

已知:ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1.0m，h2=5.0m，實(shí)際液位變化范圍為0~3.0m。重力加速度g=9.8m/s2。求:(1)計(jì)算差壓的變化量。(2)選擇差壓變送器的量程。(3)計(jì)算差壓變送器的遷移量。(4)計(jì)算遷移后差壓變送器的壓差測量范圍。(5)計(jì)算遷移后差壓變送器的液位測量范圍。解:(1)最高液位為3.0m時，最大的差壓量為：Pmax=Hmaxρ1g=3.0×1200×9.8=35.28kPa壓差變化量為0~35.28kPa(2)根據(jù)國家規(guī)定的差壓變送器的量程系列，大于35.28kPa的差壓變送器的量程為40kPa。(3)遷移量為-B=-(h2-h1)ρ2g=-(5.0-1.0)×950×9.8=-37.24kPa(4)最小測量量Pmin=0-37.24=-37.24kPa最大測量量Pmax=40-34.24=2.76kPa(5)按照實(shí)際選擇的量程計(jì)算。實(shí)際液位測量范圍：Hmax=40×3.0/35.28=3.4m226.3浮力式物位檢測

基本原理：恒浮力式檢測

通過測量漂浮于被測液面上的浮子（也稱浮標(biāo)）隨液面變化而產(chǎn)生的位移，檢測液位。變浮力式檢測

利用沉浸在被測液體中的浮筒（也稱沉筒）所受的浮力與液面位置的關(guān)系，檢測液位。236.3.1恒浮力式物位檢測

恒浮力式物位檢測包括浮標(biāo)式、浮球式、翻板式等等。本專業(yè)常用浮球式液位計(jì)測量或控制水位。浮球2安裝在浮筒1內(nèi)，其上端連接有連桿3，連桿頂端置有磁鋼6。當(dāng)水位發(fā)生變化時，浮球2帶動連桿3和磁鋼6在調(diào)整箱組件8中的非導(dǎo)磁管4中上下移動。當(dāng)磁鋼6分別移動到上限水銀開關(guān)7、下限水銀開關(guān)5處，與水銀開關(guān)上裝有的磁鋼相作用，帶動水銀開關(guān)動作，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制。浮筒浮球連桿磁鋼調(diào)整箱組件非導(dǎo)磁管上限水銀開關(guān)下限水銀開關(guān)246.3.2變浮力式物位檢測

原理：浮筒由于被液體浸沒高度的不同，導(dǎo)致所受的浮力不同，從而檢測液位變化。圓筒形空心金屬浮筒懸掛在彈簧上。彈簧的下端固定。浮筒沒有浸入液體中時，彈簧因浮筒的重力被拉長，當(dāng)浮筒重力與彈簧力達(dá)到平衡時，浮筒靜止。浮筒的一部分浸入液體中時，浮筒受到液位的浮力作用而向上移動。當(dāng)浮筒受到的浮力、彈簧力、浮筒重力三者平衡時，浮筒停止移動。256.4電氣式物位檢測

檢測方法： 利用敏感元件直接把物位變化轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的變化。根據(jù)電量參數(shù)的不同，可分為電阻式、電容式和電感式等。電容式檢測原理：圓筒電容器原理兩個長度為L、半徑分別為R和r的圓筒形金屬導(dǎo)體組成一個電容器。當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為ε1的氣體時，該圓筒組成的電容器的電容量為：

266.4電氣式物位檢測

如果兩圓筒形電極間的一部分被介電常數(shù)為ε2的液體所浸沒。設(shè)被浸沒的電極長度為H，此時的電容量為：未浸沒部分的電容浸沒部分的電容電容器電容增量△C與液體浸潤高度H成正比。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)的差值ε2-

ε1越大，△C越大，液位計(jì)的靈敏度越高。276.5聲學(xué)式物位檢測

聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過程。作為物位檢測，一般應(yīng)用超聲波。6.5.1超聲波檢測原理原理：利用超聲波從發(fā)射至接收到被測物位界面所反射的回波的時間間隔來確定物位的高低。超聲波發(fā)射器置于容器底部。當(dāng)它向液面發(fā)射短促脈沖時，在液面處產(chǎn)生反射，回波被超聲接收器接收。若超聲發(fā)射器和接收器到液面的距離為H，聲波在液體中的傳播速度為υ，則有如下簡單關(guān)系：286.5.2超聲波物位計(jì)

超聲波的發(fā)射和接收是基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的壓電晶體在受到聲波聲壓的作用時，晶體兩端將會產(chǎn)生與聲壓變化同步的電荷，從而把聲波轉(zhuǎn)換成電能。反之，如果將交變電壓加在晶體兩個端面的電極上，沿著晶體厚度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同頻率的機(jī)械振動，向外發(fā)射聲波，實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換——逆壓電效應(yīng)。用作超聲波發(fā)射和接受的壓電晶體稱為換能器。296.5.2超聲波物位計(jì)1.超聲波物位計(jì)換能器的結(jié)構(gòu)超聲波的發(fā)射和接收是基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。換能器的核心是壓電片。圖：超聲波換能器探頭的常用結(jié)構(gòu)。2.超聲波物位計(jì)的校正與補(bǔ)償超聲波在介質(zhì)中的傳播速度主要隨溫度變化。因此需要采取有效的補(bǔ)償措施。1）可以在附近安裝一個溫度傳感器。根據(jù)聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系，自動進(jìn)行聲速補(bǔ)償。