液位的測量與變送課件

LF13-1“全民開講”系列之液位的測量變送

液位的測量與變送簡介

液位檢測儀表

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常遇到大量的液體物料和固體物料。他們占有一定的體積，堆成一定的高度。把生產(chǎn)過程中罐、塔、槽等容器中存放的液體表面位置稱為液位；把料斗、堆場倉庫等儲存的固體塊、顆粒、粉料等的堆積高度和表面位置稱為料位；兩種互不相溶的物質(zhì)的界面位置叫做界位。液位、料位以及相界面總稱為物位。對物位進(jìn)行測量的儀表被稱為物位檢測儀表。測量液位的儀表：1:玻璃管（板）式2:靜壓式（壓力式、差壓式）3:稱重式、浮力式（浮筒、浮球、浮標(biāo)）4:電容式、電感式、電阻式5:超聲波式、放射性式、激光式及微波式等2壓力法測液位

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。

下圖為用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。

(a)壓力表式液位計(b)法蘭式液位變送器(c)吹氣式液位計

對于具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固的介質(zhì)

引壓導(dǎo)管易被腐蝕或堵塞，影響測量精度，應(yīng)用法蘭式壓力（差壓）變送器。敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測介質(zhì)接觸，省去引壓導(dǎo)管，從而克服導(dǎo)管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經(jīng)毛細(xì)管與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。法蘭式壓力（差壓）變送器

無遷移保證正壓室與零液位等高當(dāng)H為零時，差壓輸出為零。差壓變送器的作用是將輸入的差壓信號轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。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：當(dāng)H=0時，差壓的輸出并不為零，而是-B。為使H=0時，差變的輸出為4mA，就要消除-B的影響。稱之為量程遷移。由于要遷移的時為負(fù)值，所以稱為負(fù)遷移。

正遷移正壓室：負(fù)壓室：壓差：當(dāng)H=0時，差壓輸出并不為零，其值為其遷移量為正值，所以稱為正遷移。綜上所述：正負(fù)遷移的實質(zhì)是改變變送器的零點，同時改變量程的上下限，而量程范圍不變。鋼帶浮子式液位計

右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。

浮球液位計

電動浮球液位變送器的測量部分由浮球與平衡桿和平衡錘組成力矩平衡機(jī)構(gòu)，因此浮球可以自由地隨液位的變化而升降。當(dāng)液位改變時，浮球的位置發(fā)生相應(yīng)的變化，通過球桿帶動主軸轉(zhuǎn)動，表頭內(nèi)角位移傳感器與主軸通過齒輪嚙合，將液位的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號

磁浮子液位計磁性浮子、浮球式液位計主要由本體部分、就地指示器、遠(yuǎn)傳變送器以及上、下限液位報警器等幾部分組成。磁性浮子式液位計通過與工藝容器相連的筒體內(nèi)浮子隨液面（或界面）的上下移動，由浮子內(nèi)的磁鋼利用磁耦合原理驅(qū)動磁性翻板指示器，用紅藍(lán)兩色（液紅氣藍(lán)）明顯直觀地指示出工藝容器內(nèi)的液位或界位。

浮筒式液位計

浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當(dāng)被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器。

電動浮筒液位計

杠桿的末端吊有內(nèi)筒，浮筒隨介質(zhì)的浮力F1變化而升降，這個浮力作用在杠桿1上，使杠桿系統(tǒng)以軸封膜片為支點而產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)（軸封膜片一方面作為杠桿的支點，另一方面起密封作用）。帶動杠桿2轉(zhuǎn)動，傳感器將偏移量經(jīng)信號處理及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，即完成變換過程。

電阻式液位計

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。

為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖。圖中：1-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。

電感式液位控制器的原理圖。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。圖中：1、3-上下限線圈；2-浮子

電容式液位計

電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量。

電容式液位計的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等等。它的適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器。還能用于連續(xù)測量。(1)檢測原理

在液位的連續(xù)測量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖所示。同心圓柱式電容器的電容量：式中：D、d——外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑(m)；ε——極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)；

L——極板相互重疊的長度(m)。

液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計的檢測原理。 圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極。

熱學(xué)法

在冶金行業(yè)中常遇到高溫熔融金屬液位的測量。由于測量條件的特殊性，目前除使用核幅射法外，還常用熱學(xué)方法進(jìn)行檢測。它利用了高溫熔融液體本身的特性，即在空氣和高溫液體的分界面處溫度場出現(xiàn)突變的特點，用測量溫度的方法間接獲得高溫金屬熔液液位。熱學(xué)法按溫度測量轉(zhuǎn)換原理的不同，通常又分為熱電法和熱磁感應(yīng)法。

熱電法

熱電法采用熱電偶測量溫度場，右圖為熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖。圖中:a-容器壁；b-凝固金屬；c-鋼水；d-熱電偶。熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖

在容器壁上選定一系列測量點，裝上熱電偶，并將各測點上熱電偶的輸出記錄下來，得到如圖所示的溫度-電勢分布曲線，曲線上反映出第7個和第8個測點之間產(chǎn)生了溫度突變，因此液面就在第7與第8測點之間。溫度-電勢分布圖

熱電偶測液位只是一個較為粗略的測量方法，精度一般不高；而且精度與熱電偶分布、安裝情況有關(guān)。適當(dāng)減小各熱電偶的間距、增加測量點，則可提高金屬液位測量分辨力和測量精度。另外，熱電偶工作端與容器的接觸點要細(xì)而牢固，為此可將熱電偶絲焊在容器壁上，由容器壁充當(dāng)熱電偶的另一極。這種測量方法雖然精度不高，但很可靠；在連鑄機(jī)結(jié)晶過程等應(yīng)用場合中，仍是一種很適用的液位檢測控制方法。

熱磁感應(yīng)法

熱磁感應(yīng)法也稱熱磁敏法.

前面熱電法測溫元件為一組耐高溫?zé)犭娕?，它們把金屬熔液液面處溫度場出現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電勢大小的變化；熱磁感應(yīng)法測溫元件為一組熱敏磁性元件，把金屬熔液液面處溫度場出現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電抗（電感）大小的變化。

超聲波法

超聲波液位計利用波在介質(zhì)中的傳播特性。因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。

超聲波液位計按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。(a)氣介式(b)液介式(c)固介式單探頭超聲波液位計

由上圖看出，超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時間為Δt，則：

L是與液位有關(guān)的量，故測出L便可知液位，L的測量一般是用接收到的信號觸發(fā)門電路對振蕩器的脈沖進(jìn)行計數(shù)來實現(xiàn)。

單探頭液位計使用一個換能器，由控制電路控制它分時交替作發(fā)射器與接收器。雙探頭式則使用兩個換能器分別作發(fā)射器和接收器，對于固介式，需要有兩根金屬棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計

導(dǎo)波雷達(dá)液（界）位變送器運用了TDR（時域反射原理）技術(shù)，發(fā)射的電磁波脈沖沿著桿或纜傳送當(dāng)遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)（空氣或蒸發(fā)汽）介電常數(shù)大的介質(zhì)表面時，脈沖波被反射回來。用超高速計來計算脈沖波的傳導(dǎo)時間，從而達(dá)到精確的液位測量。雷達(dá)式液位計示意圖

雷達(dá)波由天線發(fā)出到接收到由液面來的反射波的時間t由下式確定

由于故

雷達(dá)探測器對時間的測量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻法兩種方式。微波脈沖法原理示意圖射線式物位檢測放射性同位素在蛻變過程中會放射出α、β、γ三種射線。α射線的電離本領(lǐng)最強(qiáng)，但穿透能力最弱。β射線是電子流，電離本領(lǐng)比α射線弱，而穿透能力較α射線強(qiáng)。γ射線是一種從原子核中發(fā)出的電磁波，它的波長較短，不帶電荷，它在物質(zhì)中的穿透能力比α和β射線都強(qiáng)，但電離本領(lǐng)最弱。由于射線的可穿透性，它們常被用于情況特殊或環(huán)境條件惡劣的場合實現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測，如位移、材料的厚度及成分、流體密度、流量、物位等。

中子料位計基本工作原理

反向散射式中子料位計，或稱中子氫密度界面/料位計。它通過對焦炭塔特定區(qū)域內(nèi)物料含Ｈ、Ｃ密度的連續(xù)測量，給出塔內(nèi)全部物料狀態(tài)（油氣、泡沫、焦炭或水）的動態(tài)分布規(guī)律,并在塔底注油起始信號配合下給出泡沫層、焦炭層上沿實時高度指示值。從而為實現(xiàn)焦化生產(chǎn)的實時在線控制提供信息。其基本工作原理為：1、所用中子源為50毫居钚/鈹（Pu-238/Be）中子源。2、快中子與輕質(zhì)元素特別是氫原子極易發(fā)生彈性反散射碰撞并經(jīng)多次碰撞后被“慢化”為低能量的“慢”中子。3、采用專用的高效慢中子探測器將這種慢中子接收。該探測器只對慢中子靈敏，而對快中子則基本無作用。把中子源、高效慢中子探測器及變送器組裝在一起，構(gòu)成中子料位計，并安裝在被測裝置壁外特定高度上。中子源發(fā)出的快中子能夠穿透被測裝置外壁