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1、第七章 物位测量 物位 指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置 液位 液体介质液面的高低 界位 液体 液体或液体 固体的分界面 料位 固体粉末或颗粒状物质的堆积高度 物位测量 液位 界位及料位的测量统称为物位测量 物位计 测量液位 界位或料位的仪表称为物位计 根据测量对象不同 可分为液位计 料位计 为满 足生产过程中各种不同条件和要求的物位测量 物位计 的种类很多 测量方法也各不相同 1 液面测量的工艺特点 液面是一个规则的表面 但当物料流进流出时 会有波 浪 或在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象 大型容器中常会出现液体各处温度 密度和强度等物理 量不均匀的现象 容器中常会有高温高压 液体黏
2、度很大 或含有大量杂 质悬浮物等 2 料位测量的工艺特点 物料自然堆积时 有堆积倾斜角 导致料面不平 物料进 出时 又存在着滞留区 部分物料 挂 在容器出口的边缘 影响着物位最低位置的准确测量 储仓或料斗中 物料内部存在大的孔隙 或粉料之中存在 小孔隙 前者影响对物料储量的计算 而后者则在振动 压 力或湿度变化时使物位也随之变化 界位测量中最常见的问题是界面位置不明显 浑浊段 的存在影响准确测量 7 1 浮力式液位测量 7 1 1 测量原理 浮力式液位测量是应用浮力原理测量液位的 它利用漂 浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化 或利用浮子浮 力随液位浸没高度而变化 前者称为恒浮力法 后者称为
3、变 浮力法 1 恒浮力法液位测量 W F G W 浮子所受重力 N F 浮子所受浮力 N G 平衡重物的重力 N 设设浮子为为扁圆圆柱形 其直径为为D 高度 为为b 重量为为W 浮子浸没在液体中部分高度 为为 h 液体介质质密度为为 液面高度为为H 当它受的浮力F与本身的重量w相等时时 浮子平衡在某个位置 当液面H变化时 浮子随之上升 h应不变化才能准确 地测量 由于温度或成分变化会引起介质密度变化 或由于黏性 液体的黏附 腐蚀性液体的浸蚀以致改变浮子的重量或直径 这些都会引起测量误差 当液位变化一个 H时 浮子沉浸在液体中的部分变大 浮 力增加 原来的平衡关系被破坏 浮子上浮 其浮力变化 F
4、 为 浮子随液位变变化而上下浮动动的原因是浮力的变变化 F 只有 在浮力 F大到能够够使浮子动动作时时 才能反映出液位的变变化 由于仪仪表各部分具有摩擦 所以只有当浮力变变化 F达到一 定数值值 F 能克服摩擦时时 浮子才开始动动作 这这就是仪仪表 产产生不灵敏区的原因 H F 表示液位计计的不灵敏区 F 为为浮子开始移动动的浮力 设计浮子时 适当地增加浮子的直径D 可有效地减小仪 表的不灵敏区 提高仪表的测量精度 扁平形浮子做成大直径空心扁圆盘形 不灵敏区较小 测量精度高 因此 它可测量重度较小的介质液位 对高频 小变化的波浪 其抗波浪性也高 但对液面的大波动则比较 敏感 易随之漂动 高圆柱
5、形浮子的高度大 直径小 所以抗波浪性也好 但对液面变动不敏感 因此用它做成的液位计精度差 不灵 敏区较大 扁圆柱形浮子的抗波浪性和不灵敏区在上述两者之间 由 于其结构简单 易于加工制作 在实际工作中被大量采用 2 变浮力法液位检测 将一个截面相同 重量为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧 上 浮筒的重力被弹簧的弹性力所平衡 当浮筒的一部分被 液体浸没时 由于受到液体的浮力作用而使浮筒向上移动 当与弹性力达到平衡时 浮筒停止移动 此时满足如下关系 当液位变化时 由于浮 筒所受浮力发生变化 浮筒 的位置也要发生变化 如液位升高 H 则浮筒 要向上移动 x 此时的平衡 关系为 上两式相减 浮筒产生的位移
6、x与液位变化 H成比例 7 1 2 恒浮力式液位计 1 浮球式液位计 2 磁浮子式液位计 磁翻板液位计 自被测容器接出不锈钢管 管内有带磁铁的浮子 管外 设置一排轻而薄的翻板 每个翻板都有水平轴 可灵活转动 翻板一面涂红色 另一面涂白色 翻板上还附有小磁铁 小磁铁彼此吸引 使翻板总保持红色朝外或白色朝外 当浮 子在近旁经过时 浮子上的磁铁就会迫使翻板转向 以致液 面下方的红色朝外 上方的白色朝外 观察起来和彩色柱效 果相同 每块翻板高约10mm 3 浮子钢带式液位计 7 1 3 变浮力式液位计 7 2 静压式液位测量 7 2 1 测量原理 通过测得容器内液柱高度产 生的静压实现液位测量 根据流
7、体静力学原理 敞口容器 则pA为大气压 pB B点的表压压力 Pa 7 2 2 压力式液位计 1 测压仪表测量 注意 测压基准点与最低液位一致 a 适合黏度较小 洁净液体的液位测量 b 适合黏度较大 不结晶 不凝固的液体的液位测量 2 用吹气法测量 适用于测量有腐蚀性 高黏度或含有悬浮颗粒液体的液位 7 2 3 差压式液位计 1 零点迁移问题 零点迁移 液面高度为零时 即便 受附加静压差 输出仍为 零 三种情况 无迁移 负迁移和正迁移 a 无迁移 差压变送器正 负压室分别与容器下部和上部 的取压点相连通 并保证正压室与零液位等高 差压变送器作用 将输入差压 4 20mA P max P Pma
8、x b 负迁移 当容器中液体上方空间的气 体是可凝的 如水蒸气 为了保 持负压室所受的液柱高度恒定 或者被测介质有腐蚀性 为了引 压管的防腐 常常在差压变送器 正 负室与取压点之间分别装有 隔离罐 并充以隔离液 设隔离液的密度为 2 这时差变正 负压室所受到的压 力分别为 当 时时 P 4 调节变调节变 送器上的迁移机构 实实 现现 P H 0 4 当 max时时 P max 1 20 说说明 调调整的压压差 是作用于负负 压压室且附加静压压 调节调节 迁移机构 当 P C时时 0 当 max时时 P max 1 C I 20mA 说说明 调调整的压压差 是作用于正压压室 且附加静压压 0 正
9、迁移 7 3 电容式液位测量 7 3 1 导电导电 液体的液位测测量 当被测测液位H 0时时 即容器 内实际实际 液位低于h 非测测量区 传传感器与容器之间间存在分布电电容 这时电这时电 容量C0为为 0 聚四氟乙烯烯套管和容器内气体的等 效介电电常数 F m L 液位测测量范围围 可变电变电 容器两电电极的 最大覆盖长长度 m D0 容器内径 m d 不锈钢锈钢 棒直径 m 当液位高度为为 时时 传传感器电电 容量 H 为为 聚四氟乙烯烯的介电电常数 F m D 聚四氟乙烯烯套管外径 m 当容器内的液位由零增加到H时时 传传感器的电电容变变化量 C为为 当电电极确定后 D和d都是定值值 故可
10、以将式子改写为为 测量传感器的电容变化量就可方便地求出被测液位 绝缘材料的介电常数 较大 绝缘层厚度较薄 即D d较小 时 传感器的灵敏度较高 传感器的电容变化量与液位变化量之间有良好的线性关系 使用注意事项项 液位传传感器适用于电导电导 率不小于10 2S m的液体 被测测液体黏度不能大 否则则 当液位下降时时 被测测液体会 在电电极套管上产产生黏附层层 该该黏附层层将继续继续 起着外电电极的 作用 从而产产生虚假电电容信号 以致形成虚假液位 使仪仪表 指示液位高于实际实际 液位 这这种液位传传感器的底部约约有10mm的非测测量区 7 3 2 非导电导电 液体的液位测测量 当测测量液位H 0
11、时时 两电电极间间 介质质是空气 这时传这时传 感器的初始电电 容量C0为为 0 空气的介电电常数 F m L 两电电极的最大覆盖长长度 m D 外电电极的内径 m d 内电电极的外径 m 当液位高度为为 时时 传传感器电电 容量 H 为为 当容器内的液位由零增加到H时时 传传感器的电电容变变化量 C为为 当电电极给给定后 参数 D和d均 为为定值值 故传传感器的电电容变变化量是 液位H的单值单值 函数 即测测取传传感器电电 容量就可确定被测测液位 7 4 超声波物位测测量 凯泰克 K Tek 超声波液位 料位计 7 4 1 测测量原理 超声波具有反射 透射和折射的性质质 当超声波入射到 两种
12、不同介质质的分界面上时时会发发生反射 折射和透射现现象 这这就是应应用超声技术测术测 量物位常用的一个物理特性 超 声技术应术应 用于物位测测量中的另一特性是超声波在介质质中传传 播时时的声学特性 如声速 声衰减和声阻抗等 概括起来 基于声波的下述物理特性实现实现 物位检测检测 声波在某种介质质中以一定的速度传传播 在气体 液体和 固体等不同介质质中 因声波被吸收而减弱的程度不同 从而 区别别其穿过过的是固体 液体还还是气体 声波遇到两相界面时时会发发生反射 而反射角与入射角相 等 反射声强与介质质的特性阻抗有关 特性阻抗为为声速和介 质质密度的乘积积 当声波垂直入射时时 反射声强IR与入射声
13、强 IE间间存在如下关系 声波在传送中 频率越高 声波扩散越小 方向性越好 而频率越低 则衰减越小传输越远 利用声换能器发射一定频率的声波 声换能器 由压电元件组成 利用这种晶体元件的逆压电效应 交变电场 电能 振动 声波 正压电效应 振动 交变电场 做成声波发射器和接收器 测量原理 超声探头至物位的垂直距离 由发射到接收所经历的时间 超声波在介质中传播的速度 7 4 2 测测量方法 实际应用中可以采用多种方法 根据传声介质的不同 有气介式 液介式和固介式 根据探头的工作方式 又有自发自收的单探头方式和收 发分开的双探头方式 它们相互组合就可得到不同的测量 方法 1 液介式测量方法 探头固定在
14、液体中最低液位处 探头发出的超声脉冲在液体中由探头传 至液面 反射后再从液面返回到同一探 头而被接收 2 气介式测量方式 探头安装在最高液位之上的气体中 v代表气体中的声速 3 固介式测量方法 将一根传声的固体棒或管插入液体中 上端要高出最高液位 探头安装在传 声固体的上端 v代表固体中的声速 一发一收双探头方式 7 5 微波 雷达 物位测量 电磁波的波长在1mm到1m波段的称为微波 微波的特点 具有良好的定向辐射性 具有良好的传输特性 在传输过程中受火焰 灰尘 烟雾 及强光的影响极小 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例 水对微波的 吸收最大 微波 雷达 物位测量仪表的特点 没有可动部件
15、不接触介质 没有测量盲区 可以用于对 大型固定顶罐 浮顶罐内腐蚀性液体 高黏度液体 有毒液 体的液位进行连续测量 测量精度几乎不受被测介质温度 压力 相对介电常数及 其易燃易爆等恶劣工况的限制 7 5 1 测量原理 发射接收的是高频电磁波 原理类似于超声液位计 但 因是电磁波 波速与空气的温度 湿度等无关 德国E H FMR230 雷达液位计 被设计用于对液体 颗粒及浆料 进行连续非接触的物位测量 测量不受介质变化 温度变化 惰性气体及蒸汽的影响 喇叭式天线 频率6GHz 量程20m 精度 3mm 两线制 HART协议 西门子 Siemens SITRANS LR400 雷达液位计 适用于测量
16、高粉尘固体物料 和低介电常数液体物位 连续波调频工作方式 自动抑制虚假回波 工作频率24GHz 量程50m 精度 60mm 两线制 HART协议 现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程 雷达探侧器对时间测量有两种方式 即微波脉冲法及连 续波调频法 脉冲测量法大多采用5 6GHz辐射频率 发射脉宽约8ns 连续波调频法一般采用10GHz以上载波辐射频率 锯齿波 宽带调频 7 5 2 雷达液位计的应用问题 1 介质的相对介电常数 由于雷达液位计发射的微波沿直线传播 在液面处产生 反射和折射时微波有效的反射信号强度被衰减 当相对介电 常数小到一定值时 会使微波有效信号衰减过大 导致雷达 液位计无法正常工作 为避免上述情况的发生 被测介质的 相对介电常数必须大于产品所要求的最小值 2 温度和压力 微波的传播速度不受温度变化的影响 但对高温介质进 行测量时 需要对雷达液伙计的传感器和天线部分采取冷却 措施 以便保证传感器在允许的温度范围内正常工作 或使 雷达天线的喇叭口与最高液面间留有一定的安全距离 以免 高温介质对天线的影响 由于微波的传播速度仅与相对介电常数和磁导率有关 所以雷达液位计可以
