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1、在生产过程中，常需要对一些设备和容器内的液体、固体颗粒或粉末、气体之间的分界面位置进行测量等，我们统称为物位的测量。 物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。现代大规模的工业生产，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。,第三章 物位测量及变送,物位测量的目的是： （1）正确测知容器中储藏物质的容量或重量。 （2）监视容器内物位，使之保持在一定高度，对物位允 许的上下限发出报警。 （3）连续监视或调节容器中流入流出物料的平衡。 如生产钻井过程中，如果泥浆池液面发生明显的变化，就需要考虑井下是否有异常发生，所以检测
2、液面的变化是安全生产的关键。合成氨生产中铜洗塔塔底液位的控制，如液位过高，精炼气就会带液，导致合成塔触媒中毒；反之如液位过低时，会失去液封作用，发生高压气冲入再生系统，造成严重的事故。,物位测量及变送（续）,物位测量及变送（续）,由于工业生产中对液位高度的要求不一，物位仪表是多种多样的，按基本原理分，主要有下列几种类型： （一）直读式物位仪表 利用连通器原理工作。这类仪表中主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。 （二）浮力式液位计 此类仪表是利用浮子高度随液位变化而改变的原理工作的。如浮标式、浮球式等。 （三）差压式物位仪表 是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。它
3、又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。,（四）声波式物位计 是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减程度、穿透能力等各不相同的性质进行物位测量的。 （五）电磁式物位仪表 使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量这些电量的变化间接的测知物位。如电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等。,物位测量及变送（续）,二、浮力式液位计 浮力式液位计是应用最早的一种液位测量仪表，随着变送方法的改造至今仍然为工业生产所广泛采用。它结构简单，造价低廉，维护也比较简单。 例如现在生产的部分汽车采用此类油箱传感器。它是由浮子带动电位器，通过电位器阻值的变化达到显示油位的目的。 1、浮标式液位计 （1）原理 浮
4、标式液位计是一种恒浮力式液位计。浮标式液位计的结构和工作原理示于图,物位测量及变送（续）,如果用F表示浮力；W表示浮标的重量；G表示平衡重物的重量，则上述平衡关系的数学式可表示为： WFG 当液位上升时，浮标所受的浮力F增加，则WFG使原有的平衡关系被破坏，浮标沿着导轨向上移动，移动的同时浮力F下降，WF又增加，直到WF又重新等于G时，浮标将停留在新的液面上。反之亦然。因而实现了浮标对液面的跟踪。,浮标式液位计（续）,假设浮子全部没入时,所受浮力为F，设计时应满足：,浮标式液位计（续）,装导向杆的目的是在液面有泡沫或波动时，保证浮标垂直起落。浮标的位置通过钢丝绳和滑轮带动指针沿标尺上下移动，便
5、可指示出液位的数值,为使吃水线在浮子中央，应使：,影响因素： 绳重对浮子施加的载荷随液位而变，相当于在恒定的重锤重力G上附加了变动成分； 摩擦阻力引起的误差最大，且与运动方向有关，无法修正，唯有加大浮子的定位力以减少其影响。浮子的定位力是指吃水线移动单位高度所引起的浮力增量，故得出定位力表达式：,浮力式液位计（续）,由上式可知：采用大直径的浮子能显著的增大定位力，这是减少摩擦阻力误差影响的最有效途径。,浮标式液位计（续）,浮子经过钢带和滑轮，将升降动作传到钉轮。钉轮周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带直线运动变为转动，由指针和 滚轮计数器 指示液位。,在钉轮轴上安装转角传感器或变送器实现液位的
6、远传送。标准电流信号的和数字通信的浮子钢带液位变送器在应用中。 为保证钢带张紧，绕过钉轮之后的钢带由收带轮收紧，其收紧力则由恒力弹簧提供。恒力弹簧在自由状态是卷紧在卷紧轴上的，受力反绕在轴8上以后，其恢复力f8始终保持常数，首端至尾端一样，因而有“恒力”之称。,浮标式液位计（续）,3、浮顶罐： 如前所述为了增大定位力，一切恒浮力式液位计都尽量加大浮子直径，极限情况就是整个储罐上全被浮子所掩盖，这就形成浮顶罐。 随着石油工业发展进入一个新的高峰期，从原油运输、储存中转、管道运输、炼油生产到成品油的储存都需要建设大量储罐，大型储罐多为浮顶罐。如舟山国家石油战略储备基地10万方原油储罐；黄岛国家石油
7、战略储备油库10万方原油罐均为浮顶罐。 一般油罐为拱顶形式，为了进出油时空气能够流通，拱顶上有通气孔。但油品中的宝贵的轻质成分挥发之后，随空气排出，特别进出油时这种呼吸更强烈，损失很大。浮顶罐则是将罐顶做成中空的大活塞，漂浮在油面上，将油品与空气隔绝，有效防止挥发。,浮标式液位计（续）,我国舟山原油贮罐容积105m3，直径80m，液位误差每lmm相当于体积误差5m3。 浮顶罐也用于贮存气体，例如我国很多城市的天然气贮罐就是用我国自行设计的5X104m3浮顶罐，它是用重锤法指示界位的，这里的界位是天然气和空气间的浮顶位置。其浮顶面积1000m2，重600t，保持天然气的压力600mmH20。因气
8、体无润滑作用，需在内壁不断供油润滑。 浮子法也可以测密度不等的两种液体间的界位，但密度差应足够大。以重油为例，其密度为0.95g/cm3，而水的密度为1，两者相差0.05，浮子直径及摩擦阻力都一样时，比仅测水位的绝对误差要大20倍。但若用来测水和汞的界位，密度差为12.6，比相同直径的浮子测水位时定位力要大十多倍，精确度显然大得多。,浮标式液位计（续）,5、磁翻板及磁滚柱液位计,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。翻板一面涂粉色，另一面涂白色。翻板上还附有小磁铁，小磁铁彼此吸引，使翻板总保持粉色朝外或白色朝外。当浮子在近旁经过浮
9、子上的磁铁就会迫使翻板转向以致液面下方的粉色朝外，上方的白色朝外。每块翻板高约10mm,浮力式液位计（续）,图中之(b)为磁滚柱液位计。将上述磁翻板改用有水平轴的小柱体代替，一侧涂红色，另一侧涂白色，也附有小磁铁，同样能显示液位。 以上两种磁浮子液位计指示部分都应防止尘沙侵入，所以成排的翻板或滚柱都有密封壳体保护。安装场所附近不可有强磁场。,磁翻板及磁滚柱液位计（续）,当液位升高时，浮球被液体浸没的深度增加，浮球所受的浮力增加，破坏了原有的力矩平衡状态，平衡重物拉动杠杆5作顺时针方向转动，浮球上升，直到浮球的一半浸没在液体时，恢复了杠杆系统的力矩平衡，浮球停留在新的位置上。 如果在转动轴的外端
10、安装一指针，便可以从输出的角位移知道液位的高低。也可以用喷嘴挡板等气动的方法或用差动变压器等电动的方法将信号进行远传，或用差动变压器等电动的方法将信号进行远传或进行液位控制。,浮球式液位计 （续）,三、差压式液位计,工作原理 差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压相应变化的原理而工作的。 如图所示，根据流体力学的原理： PPBPAHg 式中：PA、B两点的差压； H液位高度； 介质密度； g重力加速度。 通常被测介质的密度是已知的，由式可知，A、B两点之间的压差与液位高度成正比，这样就把测量液位高度的问题转换为测量差压的问题了。因此，各种压力计、差压计和差压变送器都可以根据液位
11、改变时，液柱产生的静压发生改变原理用来测量液位高度。,零点迁移问题 在使用差压变送器或差压计来测量液位高度时，一般说其压差P与液位高度H之间有如下关系： PHg （1) 这是最简单的情况，称为“无迁移”。当H0时，作用在正、负压室的压力是相等的。 在实际应用中，往往H与P之间的对应关系不那么简单。,差压式液位计（续）,差压式液位计（续）,例如图所示，当液面上的介质是可凝气体（如蒸汽）时，或为了防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保证负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。若被测介质的密度为1，隔离液的密度为0 ，这时，正、负压室的压力
12、分别为：,P1h10g H1g P0 P2h20gP0,假定采用的是气动差压变送器，其输出范围为0.020.1MPa的气压信号，在无迁移时H0，P0，这时变送器输出为0.02MPa；HHmax时，PPmax，这时变送器输出为0.1MPa。 但是有迁移时，根据式（2），由于固定压差的存在，当H0时，变送器的输出必定小于0.02MPa；HHmax时，变送器的输出必定小于0.1MPa。 为了使仪表能正确反映出液位的数值，必须设法抵消掉固定压差（h2h1）0g的作用，使得当H0时，变送器的输出仍为0.02MPa，而当HHmax时，变送器的输出仍为0.1MPa。采用的方法一般是在仪表上加一弹簧装置，用弹
13、簧的拉力抵消掉固定差压（h2h1）0g的作用，我们称这种方法为“迁移”，用来进行迁移的弹簧称为迁移弹簧。,差压式液位计（续）,迁移弹簧的作用实质：改变差压计测量范围的上、下限，相当于测量范围的迁移，它不改变量程的大小。 例如，某仪表的测量范围为05000Pa，无迁移时，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由0.02MPa变化到0.1MPa。如图3-9中曲线a所示。,差压式液位计（续）,差压式液位计（续）,三、用法兰式差压变送器测量液位 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体时，引压管线被腐蚀或被堵的问题，现在专门生产了法兰式差压变送器。,变送器的法兰直接与容器上
14、的法兰连接，作为敏感元件的测量头1（金属膜盒），经毛细管2，与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，并使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。,差压式液位计（续）,三、用法兰式差压变送器测量液位 法兰式差压变送器的测量部分及气动（或电动）转换部分的动作原理与普通差压变送器相同,且同样存在迁移问题，分析这种迁移量为：,h2 0g-h1 1g,将变送器的位置降低或提高，输入变送器的正、负压室增减的压力变化量仍相等，所以不会影响差压的大小，式中迁移量的大小与差压变送器安装位置的高度无关。 可见，用这种测量方法迁移量的大小决定于两法兰之间的高度差h2、最低液位到取压点的高度差h1，以及被测介质的密度1和硅油密度0，而与变送器安装位置的高低无关。 作业p55 页第七题,差压式液位计（续）,思考 1、差压式液位计的工作原理是什么？当测量有压容器的液位时，差压计的负压室一定需要与容器的气相相连接吗？ 2、正迁移和负迁移有什么不同？并简要说一下负迁移的实质。,差压式液位计（续）,
