定點式物位測量儀表的技術(shù)發(fā)展

定點式物位測量儀表的技術(shù)發(fā)展第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一一、概述物位測量儀表可分為兩類：（1）連續(xù)測量的物位計：能連續(xù)測量被測物料在整個量程中的變化，并以模擬或數(shù)字信號輸出相應(yīng)的物位值。（2）定點測量的物位控制器：用來檢測物位是否到達預(yù)定高度（通常是安裝探頭的位置），并發(fā)出相應(yīng)的限位信號，以O(shè)N/OFF（通/斷）形式的開關(guān)量輸出。第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一一、概述本文簡述定點式物位測量儀表的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概況。常用的定點式物位控制器列表如下：第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器浮球式液位控制器是最古老的液位儀表，已有數(shù)百年歷史，曾經(jīng)是液位儀表中的主要品種，技術(shù)上近年沒有什么發(fā)展，主要是制造工藝上及材質(zhì)上有進步。由于其簡單、可靠、價廉，迄今仍被廣泛使用。目前主要在下列二方面廣泛應(yīng)用。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(1)小型通用型浮球液位控制器該類儀表都有一個球狀或圓柱體的傳感部件，內(nèi)含磁鋼，隨液面漂浮。在到達設(shè)定位置時，磁鋼帶動干簧等開關(guān)部件通/斷，發(fā)出限位信號。隨應(yīng)用不同，結(jié)構(gòu)也不同，但都有下列特點：簡單、小型、價廉，使用方便。因此，應(yīng)用量仍較大，主要在一些設(shè)備配套上。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器圖2.2.1第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(2)用于高溫、高壓的液位控制高溫高壓同時存在的工況主要是鍋爐汽包液位測量控制，工況嚴酷，而且對可靠性要求高，只有機械型浮球液位控制器能適應(yīng)該工況。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器壓力溫度20.7MPa370℃11.5MPa427℃6MPa538℃

第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器上世紀50年代中誕生了第一臺利用電技術(shù)的物位控制器－電容式物位控制器。上世紀80年代以來，隨微電子技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的、利用電子技術(shù)的定點物位控制器。由于其使用方便、可靠，價格不斷下降，在國外電子型物位控制器已占主導(dǎo)地位。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器各種電子型物位控制器都是利用被測物料的某個物理參數(shù)（如：電導(dǎo)率、光導(dǎo)率、介電率、聲阻抗、熱導(dǎo)率等），對某物理過程的影響，來檢測物位，所以每種測量原理都有一定應(yīng)用范圍，選型時要注意。第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1電容式物位控制器的技術(shù)發(fā)展3.1.1測量電路部分測量頻率從早期的幾十千赫提高到幾百千赫（射頻范圍），以提高對低介電率物料的測量靈敏度。測量參數(shù)已不是作為一個純電容，而是考慮到被測介質(zhì)可能產(chǎn)生的損耗，作為一個復(fù)數(shù)阻抗。故有的公司稱為射頻導(dǎo)納原理。電子器件目前基本是專用模塊，體積、功耗減少，可靠性提高。第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1.2探頭電極部分增加保護電極，以克服根部積料對測量的影響，在測量電極與接地之間增加一層與它們相互絕緣的保護電極。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1.3頂端敏感型電極測量電極的結(jié)構(gòu)如圖所示，在頂端有一傘狀測量電極，在其后端有一環(huán)狀參考電極，兩者構(gòu)成一電容器，來感應(yīng)被測物料，整個電極被絕緣材料包裹。在非金屬罐上也可使用。這種結(jié)構(gòu)較多用于頂裝式高位報警，由電纜與電子盒中的測量模塊連接。第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.2電導(dǎo)式液位控制器用于對導(dǎo)電液體的限位控制，結(jié)構(gòu)簡單、價廉，使用方便。由于其它測量方法的發(fā)展，應(yīng)用逐漸萎縮，在一般場合已很少使用。典型應(yīng)用工況：鍋爐汽包水位指示、控制。工況條件:高溫，高壓同時存在，純水第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器傳感器（測量筒）是旁路連接在鍋爐汽包上的連接器，上面安裝多個電極（7～11個），電極由陶瓷絕緣體與測量筒絕緣安裝，外殼接為接地電極，個電極與相應(yīng)指示單元相連接，水位與某個電解接觸時，相應(yīng)的指示燈亮，指示液位到達該點位置。第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.3聲導(dǎo)式液位控制器聲導(dǎo)式液位控制器利用高頻（1MHz或更高）超聲波在氣體及液體中發(fā)射效率及傳播損耗的巨大差別來發(fā)出限位信號。液體能很好傳導(dǎo)高頻超聲波，而氣體傳播損耗很大。如圖所示，探頭缺口兩側(cè)各有一個壓電晶體，分別稱為發(fā)射晶體和接受晶體，用來發(fā)射與接受高頻超聲信號。當間隙中是液體時（濕態(tài)），發(fā)射晶體發(fā)出的超聲波傳過液體被接收第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器晶體接收。當間隙中是空氣時（干態(tài)），由于氣體傳播衰減大，接收晶體幾乎收不到超聲信號，檢測電路發(fā)出相應(yīng)的限位信號。探頭的材質(zhì)可以是不銹鋼等耐蝕金屬，也可以是高分子塑料。使用時安裝在需要發(fā)信的位置上，可以應(yīng)用于各種液體介質(zhì)（包括酸、堿），測量不受介第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器質(zhì)物料性質(zhì)（介電率、電導(dǎo)率、密度等）影響，體積小，價格低廉，故應(yīng)用廣泛。

第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器特殊應(yīng)用1、非侵入限位檢測探頭安裝在金屬容器的外側(cè)，不需開孔，檢測超聲脈沖的衰減率來檢測液位。如圖所示：測量不受被測介質(zhì)物理參數(shù)影響，適用于不結(jié)晶的、不含固體顆粒的各種液體。第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、液－固分界面限位檢測聲導(dǎo)式液位控制器可以用于檢測污水中污泥等固態(tài)物的沉淀層界面，如圖所示：探頭安裝在需檢測位置上，當該位置是較清的水時，超聲波能從發(fā)射探頭經(jīng)水傳播到接收探頭，但污泥上升到探頭位置時，水中污泥衰減聲波，接收信號減弱，發(fā)出限位信號。第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、液－固分界面限位檢測第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.4熱導(dǎo)式液位控制器利用液體與氣體導(dǎo)熱率的顯著差別，因此散熱效果不同來檢測液體有否浸沒探極，并發(fā)出限位信號。特點：可用于較高溫度，不受被測介質(zhì)電特性影響。第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器特殊應(yīng)用舉例連鑄鋼水結(jié)晶器液位檢測。結(jié)晶器壁中均勻布置了13個熱電偶，鋼水導(dǎo)熱系數(shù)高，故與之接觸的結(jié)晶器壁溫度與鋼水同，而氣相導(dǎo)熱系數(shù)低，壁溫度也低，檢測各熱電偶溫度，得到垂直溫度分布曲線，溫度突變處就是鋼水液面位置。第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.5光導(dǎo)式液位控制器利用被測液體介質(zhì)與空氣光折射率的不同，來檢測端部是液體還是氣體，從而發(fā)出限位信號。當一束光從玻璃中以＝45o角入射玻璃與水分界面時，根據(jù)光折射定律第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器θ1－光束在玻璃中的入射角θ2－光束在水中的折射角n1－玻璃折射率，約1.51n2－水的折射率，約1.33故光束將以θ2＝53.4°折射角進入水中。當與玻璃接觸的是空氣時，空氣折射率≈1從玻璃入射空氣的臨界角約41.5°，由于第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器大于臨界角，光束不能折射入空氣，而是在分界面上全反射，反射角等于入射角。實用中的檢測探頭，端部是45°椎體，椎體與氣體接觸時，光反射回尾部，當與有問題接觸時，光折射入液體中，反射回的光強減少，據(jù)之發(fā)出限位信號。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.6微波物位控制器微波式物位控制器是利用被測物料對微波能量的吸收或反射的差別來發(fā)出限位信號。

第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器1、微波穿透式物位控制器在需要限位的位置上，微波發(fā)射頭發(fā)送微波束穿過測量區(qū)，被相對安裝的接收探頭收到。被測物料上升，阻斷微波束通道，接收信號減弱，據(jù)之發(fā)出限位信號。特點：1.可檢測非金屬容器內(nèi)物位2.可檢測較大距離（數(shù)十米）3.對探頭積料不敏感（相對于超聲、激光）第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、微波反射式物位控制器微波探頭安裝在容器外部需要限位的位置上，如金屬罐需穿透密封安裝，或安裝透波窗口。探頭向容器內(nèi)發(fā)射微波并接收發(fā)射波。不同介電率的介質(zhì)對微波的反射量是不同的，反射信號正比于緊貼窗口的物料的相對介電率。氣體或泡沫的介電率很低，近似于1，反射回波很第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器小。任何物料介電率都大于1。實例：檢測水－碳氫化合物界面，中間有乳化層。水εr≈80碳氫化合物≈1.5～3排水時檢測乳化層，以免碳氫化合物排出第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.7振動阻尼式物位控制器振動阻尼式物位控制器利用被測物料對處于共振狀態(tài)的探頭的阻尼作用，來發(fā)出限位信號。由于探頭的振動部分大多做成叉體，故通常稱其為音叉物位控制器，可以用于檢測液體或粉狀及顆粒狀固態(tài)散料。在具體設(shè)計中，也有將探頭振動體設(shè)計成單桿狀，實際上也是一個第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器半波長共振體，只是另一半隱藏在桿體（管狀）內(nèi)部。根據(jù)檢測對象是液體還是固態(tài)散料，儀表結(jié)構(gòu)也有所不同：

?用于檢測液體的叉體尺寸較小，共振頻率較高（約400Hz）。

?用于檢測固態(tài)散料的叉體尺寸較大，共振頻率約80～120Hz。

?有的產(chǎn)品用于檢測液－固界面。第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器該類產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展已成熟，是電子型物位控制器中應(yīng)用量最大的品種。目前主要的發(fā)展是增加品種，降低價格，以更大擴展市場。國外液體音叉液位控制器大量替代浮球式液位控制器，因其性價比更好，輸出信號種類也更多樣。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器4、定點式物位控制器的輸出信號物位控制器以開關(guān)量（ON/OFF）形式輸出信號，輸出信號有兩種狀態(tài)：

?正常態(tài)（當物位未達到預(yù)設(shè)值時）

?報警態(tài)（當物位達到或超過預(yù)設(shè)值時）

第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器通常有以下形式：1）觸點輸出：以觸點的閉合（ON）或斷開（OFF）來表示物位的狀態(tài)。觸點可以是繼電器觸點或干簧觸點。觸點類型有常開（NO）、常閉（NC）及轉(zhuǎn)換（C型觸點）三種。第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2）電平信號輸出：通過晶體三極管的通 /斷輸出高/低電平信號來表示物位開關(guān)的正常態(tài)及報警態(tài)，用于提供PLC等控制裝置。有P-N-P晶體管輸出（負電平）及N-P-N（正電平）以適應(yīng)不同的PLC要求。新推出的無極性場效應(yīng)晶體管輸出，根據(jù)所使用電源極性不同，正、負電平均可輸出。第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3）二線制阻抗輸出：實際上儀表提供一個無觸點的通/斷信號。通常采用通用電源（12～250VAC/DC）。當與外部設(shè)