第四节第四节 物位检测仪表物位检测仪表一、物位检测和分类一、物位检测和分类物位：物位：容器中固体（颗粒）料位，液体液位，两种液容器中固体（颗粒）料位，液体液位，两种液体的分界面。物位检测实际上就是料位、液位和界面体的分界面。物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。的检测。意义：意义：确定容器内储存量。确定容器内储存量。通过测量达到控制物位。通过测量达到控制物位。- - 液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低，液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为液位计；用来测量液位的仪表称为液位计；- - 料位是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用料位是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用来测量料位的仪表称为料位计；来测量料位的仪表称为料位计；- - 相界面是指两种液体介质的分界面，用来测量分界面相界面是指两种液体介质的分界面，用来测量分界面的仪表称为界面计的仪表称为界面计概述常用的物位仪表分类:直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。差压式物位仪表：液柱或物料堆积对某定点产生压力。差压式物位仪表：液柱或物料堆积对某定点产生压力。浮力式物位仪表：浮子高度或浮力随液位高度而变化。浮力式物位仪表：浮子高度或浮力随液位高度而变化。电学式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化。电学式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化。核辐射物位仪表：射线透过物料时强度随物质层的厚度而变化。核辐射物位仪表：射线透过物料时强度随物质层的厚度而变化。声波式物位仪表：由于物位的变化引起声波反射时间的不同。声波式物位仪表：由于物位的变化引起声波反射时间的不同。光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作物位仪表检测原理可归纳为以下三类物位仪表检测原理可归纳为以下三类:基于力学原理基于力学原理:敏感元件所受到的力的大小敏感元件所受到的力的大小与物位成正比，如静压式、浮力式与物位成正比，如静压式、浮力式基于相对变化原理基于相对变化原理:当物位变化时，物位与当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化来测量物位。如声学法、光距离的相对变化来测量物位。如声学法、光学法。学法。基于某强度性物理量随物位的升高而增加原基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理理:如射线法。如射线法。概述二、静压式液位计二、静压式液位计检测原理检测原理容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：为介质的密度，为介质的密度，对于固体颗粒，对于固体颗粒，应理解为堆积密度应理解为堆积密度由于物料（液体）上方的自由空间有由于物料（液体）上方的自由空间有压力压力p0,则根据静力学原理，有则根据静力学原理，有差压式液位计差压式液位计 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 P=gH P=gH P=gH P=gH 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移 P=P=P=P=1 1 1 1gH gH gH gH P=P=P=P=1 1 1 1gH -gH -gH -gH -2 2 2 2g g g g（h h h h2 2 2 2-h-h-h-h1 1 1 1） P=P=P=P=1 1 1 1gH +gH +gH +gH +1 1 1 1ghghghgh1 1 1 1 零点迁移的目的：使零点迁移的目的：使零点迁移的目的：使零点迁移的目的：使HH0 0时，变送器输出为时，变送器输出为时，变送器输出为时，变送器输出为I Iominomin（如（如（如（如4mA4mA）无迁移无迁移无迁移无迁移 负迁移负迁移负迁移负迁移 迁移量：迁移量：迁移量：迁移量： -2 2 2 2g g g g（h h h h2 2 2 2-h-h-h-h1 1 1 1） 正迁移正迁移正迁移正迁移 迁移量：迁移量：迁移量：迁移量： 1 1 1 1ghghghgh1 1 1 1 例例 已知已知已知已知1 1 1 1=1200kg/m=1200kg/m=1200kg/m=1200kg/m3 3 3 3，2 2 2 2=950kg/m=950kg/m=950kg/m=950kg/m3 3 3 3，h h h h1 1 1 1=1m=1m=1m=1m，h h h h2 2 2 2=5m=5m=5m=5m，液位变化范围液位变化范围液位变化范围液位变化范围02.502.502.502.5米，求：变送器的米，求：变送器的米，求：变送器的米，求：变送器的量程量程量程量程和和和和迁移量迁移量迁移量迁移量。解解解解 H H H Hmaxmaxmaxmax1 1 1 1g=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pa变送器量程可选为：变送器量程可选为：变送器量程可选为：变送器量程可选为：40kPa40kPa40kPa40kPa当当当当H=0H=0H=0H=0时，时，时，时，-2 2 2 2g g g g（h h h h2 2 2 2-h-h-h-h1 1 1 1）=-4*950*9.8=-37.24 kPa=-4*950*9.8=-37.24 kPa=-4*950*9.8=-37.24 kPa=-4*950*9.8=-37.24 kPa变变送器需要送器需要送器需要送器需要进进行行行行负负迁移，迁移量迁移，迁移量迁移，迁移量迁移，迁移量为为37.24 kPa37.24 kPa37.24 kPa37.24 kPa 差压式液位计的特点是：差压式液位计的特点是： 检测元件在容器中检测元件在容器中几乎不占空间几乎不占空间，只需在容器壁上，只需在容器壁上开一个或两或两个孔即可；开一个或两或两个孔即可； 检测元件检测元件只有一、两根导压管只有一、两根导压管，结构简单，安装，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠；方便，便于操作维护，工作可靠； 采用法兰式差压变送器采用法兰式差压变送器可以解决高粘度、易凝固、可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题； 差压式液位计差压式液位计通用性强通用性强，可以用来测量压力和流，可以用来测量压力和流量等参数量等参数 。实现方法实现方法对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力（差压）传感器；对于不易在壁面开孔（常压容器）（差压）传感器；对于不易在壁面开孔（常压容器）或容器在地面以下或容器在地面以下的，可导用投入式压力传感器，的，可导用投入式压力传感器，将压力传感器投到容器的底部，通过电缆线传输压力将压力传感器投到容器的底部，通过电缆线传输压力信号。信号。静静 压压 式式 液液 位位 变变 送送 器器三、浮力式液位计三、浮力式液位计 原理：基于浮力原理，适用于液原理：基于浮力原理，适用于液位的检测。位的检测。可分为恒浮力式和变浮力式两类。可分为恒浮力式和变浮力式两类。1.变浮力式液位计变浮力式液位计变浮力式亦称筒式液位计，当液面变化时，沉筒浸变浮力式亦称筒式液位计，当液面变化时，沉筒浸泡于液体内的体积有变化，因而所受浮力变化，该变泡于液体内的体积有变化，因而所受浮力变化，该变化转化为角位移，以此测量液位。化转化为角位移，以此测量液位。2.恒浮力式液位计恒浮力式液位计恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降。面变化而升降。干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器(恒浮力式恒浮力式)干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器用途：石油化工、造纸、食品、污水处用途：石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽开口或密闭储罐，地下池槽中各种液位的液位测量，被检测的介质中各种液位的液位测量，被检测的介质可分水、油、酸、碱、工业污水等各种可分水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体，本控制导电及非导电液体，本控制器可对液位器可对液位进行自动控制。进行自动控制。干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器工作原理工作原理在控制器中装若干只干簧管，当装有磁钢的浮球随液位上、下时干簧管的触点随着发生动作，从而达到控制液位的目的。可驱动泵对液位进行全自动控制干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器安装和接线安装和接线1、法兰安装和螺纹安装两种法兰安装和螺纹安装两种2、传感器与显示仪之间的联接线不能与交传感器与显示仪之间的联接线不能与交流电源同路敷设。流电源同路敷设。3、传感器装在被测容器上，传感器下端最传感器装在被测容器上，传感器下端最好与容器底部固定牢。好与容器底部固定牢。4、由于受运输的限制，大于由于受运输的限制，大于4m以上采取分以上采取分段装箱，焊接后做好水压试验（压力小于段装箱，焊接后做好水压试验（压力小于0.6MPa）确定不漏方可使用。）确定不漏方可使用。5、垂直安装、垂直安装干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器型号：工业产品常用的有UQK-71系列干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器结构形式结果功能a一只常开干簧（上位）一只常闭干簧（下位）高水位开泵低水位停泵b一只常闭干簧（上位）一只常开干簧（下位）高水位开泵低水位停泵c一只常开干簧管（上位）一只常闭干簧管（下位）与电机控制箱配套实现自动控制结构形式说明：浮筒液位计（浮筒液位计（变浮力式）变浮力式） 结构与原理结构与原理:将圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上。当将圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上。当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，浮筒浮力液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，浮筒浮力与弹簧力之和等于浮筒重力，液位计平衡。弹簧的与弹簧力之和等于浮筒重力，液位计平衡。弹簧的伸缩使其与刚性连接的铁芯产生位移。通过差动变伸缩使其与刚性连接的铁芯产生位移。通过差动变压器将位移信号转变为电压。压器将位移信号转变为电压。设此时弹簧的设此时弹簧的位移为位移为x x，则，则浮筒液位计浮筒液位计浮筒液位计使用和特点浮筒液位计使用和特点1、适用于高温，高压的场合、适用于高温，高压的场合2、精度较高（精度等级、精度较高（精度等级0.5）、可靠性好、调整方便、测、可靠性好、调整方便、测量范围广、经久耐用。量范围广、经久耐用。3、适合工艺流程中敞口或带压容器内的液位、界位、密度、适合工艺流程中敞口或带压容器内的液位、界位、密度的连续测量。的连续测量。4、该仪表带二线制、该仪表带二线制420mA输出和输出和HART传输协议输出；传输协议输出；5、有本安型、隔爆型、液晶指示型、电池型多种产品。、有本安型、隔爆型、液晶指示型、电池型多种产品。6、智能式的具有参数设定、故障提示等功能、智能式的具有参数设定、故障提示等功能四、电容式物位计四、电容式物位计原理：原理：把物位的变化变换为电容量的变化；检测元件常为一个把物位的变化变换为电容量的变化；检测元件常为一个圆筒式的电容器。圆筒式的电容器。由两个长度为由两个长度为L，半径分别为，半径分别为R和和r的圆筒形金属导体构成的圆筒形金属导体构成当两圆筒中间所充介质介电常数为当两圆筒中间所充介质介电常数为0 0的气体时，则的气体时，则该圆筒间的电容量为：该圆筒间的电容量为：如果电极的一部分被另一部分介电常数为如果电极的一部分被另一部分介电常数为的液体的液体（物料）所浸没时，设上半部分介质的介电常数仍（物料）所浸没时，设上半部分介质的介电常数仍为为0 0，浸没的部分长度为，浸没的部分长度为H H，则电容器上半部分的，则电容器上半部分的电容器为：电容器为： 下半部分为：下半部分为：结论：当几何尺寸一定，当几何尺寸一定，0 0不变时，电容的变化不变时，电容的变化量是被测介质物位量是被测介质物位H H的线性函数。的线性函数。电容式物位计电容式物位计制造主要考虑因素：电容式物位计制造主要考虑因素：1、温度对介电常数的变化的影响；、温度对介电常数的变化的影响；2、物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是、物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是几纳法（几千皮法），而且易受干扰影响，电容几纳法（几千皮法），而且易受干扰影响，电容测量比较困难。测量比较困难。3、如果被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物如果被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。电极。电容式物位计电容式物位计产品特点及使用：1、结构简单、安装方便、性能可靠的优点；、结构简单、安装方便、性能可靠的优点；2、电极多为不锈钢材料制造，耐腐蚀性强、电极多为不锈钢材料制造，耐腐蚀性强;3、依照过程温度不同分成三类：普通型：、依照过程温度不同分成三类：普通型：-2060、中温型：、中温型：-40200、高温型：、高温型：-408004、本仪表不适于介电常数变化过大的场合以及物料、本仪表不适于介电常数变化过大的场合以及物料不能与电极良好接触的固体介质。不能与电极良好接触的固体介质。5、被测介质为结晶、结垢或粘度很高时对测量精度、被测介质为结晶、结垢或粘度很高时对测量精度有一定影响有一定影响。6、传感器与二次仪表的连线及距离：距离、传感器与二次仪表的连线及距离：距离200m，用直径用直径1.5mm以上的导线（最好是双绞线）连接，每以上的导线（最好是双绞线）连接，每条导线电阻应小于条导线电阻应小于3欧姆欧姆；电容式料位计电容式料位计电容式液位电容式液位计计第四节第四节物位检测物位检测检测原理检测原理利用声波在介质中传播速度，能量衰减以及在界面的利用声波在介质中传播速度，能量衰减以及在界面的反射等特性。反射等特性。超声波物位计超声波物位计当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射；被反射；在容器底部安装一只超声波发射器和一只接收器在容器底部安装一只超声波发射器和一只接收器（也可以只用一个探头轮换发射和接收超声波脉冲）（也可以只用一个探头轮换发射和接收超声波脉冲），设声速为，设声速为v（对于一定的气体来说，（对于一定的气体来说，v是已知的），是已知的），实际物位高度为实际物位高度为H，则从发射到接收所需时间，则从发射到接收所需时间t为：为：第四节第四节物位检测物位检测实现方法实现方法超声波传播速度的补偿方法有：超声波传播速度的补偿方法有：1、温度补偿：温度对声波声速的影响最大，安、温度补偿：温度对声波声速的影响最大，安装温度传感器测温以补偿温度对声波声速的影装温度传感器测温以补偿温度对声波声速的影响；响；2、设置校正具：设置两组换能器探头，一组作、设置校正具：设置两组换能器探头，一组作为测量探头，一组作为声速校正用探头，两组为测量探头，一组作为声速校正用探头，两组换能器探头都放在被测介质中，声速校正用探换能器探头都放在被测介质中，声速校正用探头发射的声波在固定时间内走过固定的距离，头发射的声波在固定时间内走过固定的距离，以此测出实际声速。以此测出实际声速。超声波物位计设置校正具在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成速度校正用的探头。 A、固定校具：校正的方法是将校正用的探头固定在校正具（一般是金属圆筒）的一端，校正具的另一端是一块反射板。 应用固定校正具检测液位原理图应用固定校正具检测液位原理图设置校正具A、固定校具： 由于校正探头到反射板的距离为已知的固定长度 L L0 0 ，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间T0，则可得声波在介质中的传播速度为：设置校正具因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即 =v，则可得 结论：只要测出时间T和 ，就能获得物位的高度H（消除了声速变化引起的测量误差）。 适用于容器中介质的声速各处相同适用于容器中介质的声速各处相同B、活动校具、活动校具主要用于声速沿高度方向变化的介质 。应用活动校正具检测液位原理图超声波物位计超声波物位计使用特点：1、非接触式测量，超声波物位计安装于料仓、液、非接触式测量，超声波物位计安装于料仓、液罐上方，不直接接触物料。罐上方，不直接接触物料。2、超声波料位计仪表可配置可编程继电器输出、超声波料位计仪表可配置可编程继电器输出、高精度高精度420mA电流输出、电流输出、RS-485数字通信输出数字通信输出三种形式。三种形式。3、低功耗，超声波料位计主机功耗小于、低功耗，超声波料位计主机功耗小于5W。4、内置温度补偿，运行稳定，抗干扰能力强。、内置温度补偿，运行稳定，抗干扰能力强。5、高至、高至16位位D/A转换，测量精度高（转换，测量精度高（0.2%）。）。6、特别适合煤堆、石块等固体物位测量，以及江、特别适合煤堆、石块等固体物位测量，以及江河、污水液位、罐装液体、泥浆等液位测量。河、污水液位、罐装液体、泥浆等液位测量。射线式物位计射线式物位计检测系统组成检测系统组成射线源射线源探测器探测器电子线路电子线路检测原理检测原理:当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。射线料位计射线料位计射线料位计射线料位计介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。检测原理检测原理:当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。检测原理检测原理:当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。射线料位计射线料位计实现方法实现方法放射源可以是一个点源，也可以做成线源，放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。接收器同样可以是单点或是线状的。用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示图所示图 称重式液罐计量仪1下波纹管；2上波纹管；3液相引压管；4气相引压管；5砝码；6丝杠；7可逆电机；8编码盘；9发讯器称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪第四节第四节物位检测物位检测第四节第四节物位检测物位检测称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪该计量仪既能该计量仪既能测液位测液位测液位测液位，又能反映出罐中，又能反映出罐中真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量。称重仪根据称重仪根据称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理天平原理天平原理设计。设计。设计。设计。杠杆平衡时由于（2-4-1）代入（2-4-1）（2-4-2）如果液罐是均匀截面（A）（2-4-3）M为砝码质量，A1为波纹管有效面积1下波纹管；2上波纹管；3液相引压管；4气相引压管；5砝码；6丝杠；7可逆电机；8编码盘；9发讯器式中如果液罐的横截面积A为常数，得将式（2-4-3）代入式（2-4-2），得称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪物位开关物位开关分类示意图与介质接触部分分类示意图与被测介质接触部浮球式浮球微波穿透式非接触 电导式电极核辐射式非接触振动叉式振动叉或杆运动阻尼式运动板表2-9常见物位开关及特点进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，并发出相应的开关量信号。并发出相应的开关量信号。