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1、2.6 物位的检测与变送（液位、料位、界位）2.6.1 物位检测的主要方法 1. 静压式测量法：根据流体静力学原理，装有液体的容器中某一 点的静压力与液体上方自由空间的压力之差同该点上方液体的 高度成正比。 压力式：敞口容器；差压式：闭口容器2. 电气式测量法 物位变化电气参数：电阻、电容、磁场等 变化与电容式差压变送器配合标准信号。3. 声学式测量法：利用特殊声波（如超声波）在介质中传播速度 及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。4. 射线式测量法：利用同位素放出的射线（如r射线等）穿过被 测介质时被介质吸收的程度来检测物位。 22.6.2 2.6.2 典型的液位变送器典型的液位变送器 液
2、位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器内的原料，半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料平衡，从而保证生产过程顺利进行。 此外，通过液位测量可对生产过程中各环节所耗物料进行统计和经济核算。 液位测量由于受到被测介质的物理性质，化学性质以及工作条件的影响，再加上以往未得到足够重视，因此，目前仍然是一个比较薄弱的环节。 3一、浮力式液位变送器 浮力式液位变送器是根据阿基米德原理工作的，即液体对一个物体浮力的大小，等于该物体所排出的液体的重量。浮力式液位变送器可分为恒浮力式和变浮力式两种。 恒浮力式液位计原理 1恒浮力式液位变送器 42.变浮力式液位变送器
3、浮筒式液位计原理右图为浮筒式变浮力液位计原理图。圆柱形浮筒部分沉浸于液体中，当浮筒被 液体浸没的高度变化时，其所受浮力F也 变化，F的变化压缩弹簧，弹簧的弹性力与浮筒的重力相平衡时，浮筒便处于某一 平衡位置，测量弹簧的压缩位移，并转换 成统一标准信号，便可得知液位高度。 5浮 筒GF弹F浮浮 筒弹簧 磁钢室输出指示器内置式外置式静井基本工作原理基本工作原理 主要由四个基本部分主要由四个基本部分组组组组成：浮筒、成：浮筒、弹弹弹弹簧、磁簧、磁钢钢钢钢室和室和输输输输出指示器出指示器当浮筒沉浸在液体中当浮筒沉浸在液体中时时时时，浮筒将受到向下的重力，浮筒将受到向下的重力G G、向上的浮力、向上的浮
4、力F F浮浮和和弹弹弹弹簧簧弹弹弹弹力力F F 弹弹弹弹 的复合作用。的复合作用。弹弹弹弹簧的伸簧的伸缩缩缩缩使其与使其与刚刚刚刚性性连连连连接的磁接的磁钢产钢产钢产钢产 生位移，再通生位移，再通过输过输过输过输 出指示器出指示器内磁感内磁感应应应应元件和元件和传动传动传动传动 装置或装置或变换输变换输变换输变换输 出装置，使其指示出液位或出装置，使其指示出液位或输输输输出与液位出与液位对应对应对应对应的的电电电电信号。信号。 特点和要求特点和要求 浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式，测量浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式，测量原理完全相同，但外置式安装更适用于温度
5、较高的场合。原理完全相同，但外置式安装更适用于温度较高的场合。 6二、静压力式液位变送器-差压（压力）液位变送器 基本工作原理基本工作原理 （静力学原理）（静力学原理）P=P=gHgH零点迁移零点迁移 零点迁移的目的：使零点迁移的目的：使H H0 0时，变送器输出为时，变送器输出为I Iominomin（如（如4mA4mA）P=P=1 1gH gH P=P=1 1gH -gH -2 2g g（h h2 2-h-h1 1） P=P=1 1gH +gH +1 1ghgh无迁移无迁移 负迁移负迁移 迁移量：迁移量： -2 2g g（h h2 2-h-h1 1） 正迁移正迁移 迁移量：迁移量： 1 1
6、ghgh7例 已知已知1 1=1200kg/m=1200kg/m3 3，2 2=950kg/m=950kg/m3 3，h h1 1=1m=1m ，h h2 2=5m=5m，液位变化范围，液位变化范围0 02.52.5米，求：变米，求：变送器的送器的量程量程和和迁移量迁移量。 解解 H Hmaxmax1 1g=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：40kPa40kPa当当H=0H=0时，时，-2 2g g（h h2 2-h-h1 1）=-4*950*9.8=-37.24 =-4*950*9.8=-37.24 kPa
7、kPa变变变变送器需要送器需要进进进进行行负负负负迁移，迁移量迁移，迁移量为为为为37.24 37.24 kPakPa 结论：结论：差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液位高度位高度H H成线性关系，因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的成线性关系，因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。安装是完全相同的。为为为为了解决了解决测测测测量具有腐量具有腐蚀蚀蚀蚀性或含有性或含有结结结结晶晶颗颗颗颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位粒以及粘度大、易凝固等液体液位时
8、时时时，引引压压压压管管线线线线容易出现容易出现被腐被腐蚀蚀蚀蚀、被堵塞的、被堵塞的问题问题问题问题 ，应应应应使用在使用在导压导压导压导压 管入口管入口处处处处加隔离膜盒加隔离膜盒的法的法兰兰兰兰式差式差压变压变压变压变 送器（送器（压力信号的压力信号的远传远传远传远传 装置），分装置），分单单单单法法兰兰兰兰式及双法式及双法兰兰兰兰式两种。式两种。 8右图为吹气式液位变送的原理。将一根吹气管 插入至被测液体的最低液 位（零液位）处。压缩空 气或惰性气体经恒压阀和 流量计吹入贮液罐内，当 吹气管的下端有微量气泡 溢出时，导管内的压力几 乎与液封压力相等。 吹气式液位测量原理 三、吹气式液位变
9、送四、 电容式液位计原理：介电常数不同电容变化物位高频电源E；AB为可调桥臂，DA为测量 桥臂；开关S检查工作状况（工作时Cx接入 ，检查时C2接入）。用这种方法测量时要求物料的介电常数 必须稳定。交流电桥法测量电容原理图五、超声波液位计换能器原理（压电效应）：交变电 场作用下，压电晶体将电能转换成 振动称逆压电效应；将振动声波转 换成交变电场称正压电效应； 发 射器和接收器。电子装置：产生交变电信号、处理电 信号缺点及补偿：超声波液位计测量精度主要取决于传播速度 和时间，而传播速度受温度、成分影响大。常在换能器附 近安装一个温度传感器，并根据声速与温度的关系进行补 偿或修正。11六、辐射式物
10、位计 原理：射线强度随介质厚度的增加而衰减IiI0h122.7 2.7 成分分析仪表成分分析仪表 成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。在现代工业生产过程中，必须对生产过程中的原料、成品、半成品的化学成分、化学性质、粘度、浓度、密度、重度、以及PH值等进行自动测量和自动控制，以达到优质高产、降低能源消耗和产品成本，保证安全生产和防止环境污染的目的。 按使用场合来分，成分分析仪表又分为实验室分析仪表和过程分析仪表，自动分析仪表或在线分析仪表。 按仪表原理分类如下表13成分分析仪表的分类 类别品种 热学式热导 式分析仪表，热化学式分析仪表，差热式分析仪表 磁力式热磁式分析仪表，磁力
11、机械式分析仪表 光学式光电比色分析仪表，红外吸收式分析仪表，紫外吸收式分析仪表，光干涉式分析 仪表，光散射式分析仪表，光度式分析仪表，分光光度分析仪表，激光分析仪表 ，化学发光式分析仪表 射线式X射线分析仪表，电子光学式分析仪表，核辐射式分析仪表，微波式分析仪表 电化学 式电导 式分析仪表，电量式分析仪表，电位式分析仪表，电解式分析仪表，极谱 仪，酸度计，离子浓度计 色谱仪气相色谱仪 ， 液相色谱仪 质谱 仪静态质谱仪 ，动态质谱仪 ，其他质谱仪波谱仪核磁共振波谱仪 ，电子顺磁共振波谱仪 ，共振波谱仪 物性仪温度计，水分计，粘度计，密度计，浓度计，尘量计 其他晶体振荡分析仪表，蒸馏及分离分析仪
12、表，气敏式分析仪表，化学变色式分析 仪表142.7.1红外气体分析仪 红外气体分析仪是利用不同的气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性来进行气体浓度分析的。它具有量程范围宽、灵敏度高、反应迅速、选择性强的特点。 红外线的波长范围为0.751000，红外气体分析仪中利用的波长范围为225，可以用恒定电流加热镍铬丝到某一适当的温度而产生某一特定波长范围的红外线。 气体特征吸收峰波长/m气体特征吸收峰波长/m CO CO2 CH4 NH3 SO24.65 2.7，4.26，14.5 2.4，3.3，7.65 2.3，2.8，6.1，9 7.3H2S HCl C2H4 H2O7.6 3.4
13、3.4，5.3，7，10.5 在2.610之间都有相当的吸收表24 部分气体特征吸收峰波长 15红外气体分析仪原理框图 光源平行光束切光 片光脉冲滤波气室 吸收干扰组分两室能量 差监测室压差电容 变化正比于被测组分的 含量。优点：可与电容式变送器 配合使用以产生标准信号 。不足：1）不能保证线性； 2）不能检测双原子分子( 如氧气、氯气）和单原子 分子（如氩气）气体；3） 一台仪表只能测一种被测 气体。16样气在色谱柱中的分离过程 2.7.2 气相色谱分析仪 基于各种组分吸附和脱离某种介质的差异情况，得出一系列色谱峰，以 反映混合物中各组分的含量。172.7.3 氧成分分析仪 在生产过程中，尤
14、其是燃烧和氧化过程中，以及安全保护和粮食果品储存等方面，准确测量和严格控制混合气体中的氧含量，对节约能源和安全生产等具有十分重要的作用。 在氧分析仪表中，应用最广泛的是热磁式氧分析仪，它具有量程宽，稳定性好，不消耗被分析气体和使用简便等优点。 传感器是一个具有中间水平通道的测量环室。 （一）热磁式氧气分析仪1. 原理：物质处于磁场被磁化，磁化率不同；氧气的磁化 率远高于其他气体，且对温度特别敏感。2. 热磁式氧气分析仪的构成及工作原理样气中无氧气中间 通道中气体不流动， 桥路输出为零；样气 中含有氧气时，氧气 受磁场作用进入中间 通道并被加热，顺磁 性能下降“磁风” 电阻之差桥路输出 不为零。
15、含氧量 磁风电阻之差 桥路输出。从而实 现对氧气的连续测量 。19(二）氧化锆氧量分析仪 氧化锆氧分析器是近年来发展起来的一种新型分析仪表，它由氧化锆探头和变送器两部分组成。氧化锆探头可直接插入管道内进行检测。它将被测气体中的氧含量（浓度）转换成氧浓差电势，经变送器将氧浓差电势转换成 DC 15V或 420mA的统一标准信号输出或远传。 因此，在冶金、炼油、化工等工业部门被广泛用于测量各种锅炉、轧钢加热炉等烟道气的氧含量；它亦可方便地与调节器配合组成氧含量自动控制系统，实现最佳燃烧控制。 201、检测原理：氧化锆对含氧量的检测原理是基于它在800C以上的 高温时对氧离子具有良好的传导特性而导致
16、“浓差电池”的生 成过程。如图所示。当温度达到800C以上时，空穴型氧化锆就成为良好的氧离子导体；在 氧化锆管的内外侧固定了一层多孔性铂膜电极，其内侧与空气接触，而外 侧与烟道气接触；由于两侧氧含量的百分比不同，因而使两极的氧离子浓 度产生差异，导致两极间产生氧浓差电动势，可算出一定温度下该氧浓差 电动势与待测气体的含氧量的关系。能斯特方程 ：R-理想气体常数（8.3151/mol.K）F-法拉第常数（96500C/mol),n为电子数（4）当两压力相等时：当参比气体含氧量与温度一定：当空气的含氧量为20.8%,温度控制在850时:按此式可算出氧浓差电动 势与含氧量的关系。说明：工作温度越高，灵敏度越高，但氧化锆探头受温度所限，一般在800850 为宜。练习1.如图所示，利用双
