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1、2.3物位检测方法及仪表一、 概述1、物位检测的作用及意义物位检测在现代工业生产中具有重要的地位，通过物位测量，确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。2、物位的基本概念物位指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称。 液位容器中的液体介质的高低。料位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。 3、物位检测方法直读法、浮力法、静压法、电学法、声学法、核辐射法以及激光法、微波法等。二、物位检测方法1、应用浮力原理检测物位定义：利用漂浮于液面上的浮标或
2、浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的方法。只要测出浮标位移或浮筒所受力的变化就能知道液位的高低。分类：恒浮力法和变浮力法。 (a)恒浮力（）变浮力 图2.15浮力原理检测液位恒浮力法测量原理：当液位变化时，浮标产生相应的位移，而浮标所受到的浮力维持不变，只要检测出浮标的位移就可以知道液位的高低。如图2.15(a)为钢绳式浮子液位计原理示意图，浮子的顶端与钢绳相连，钢绳的另一端与平衡重物和指针相连，浮子随液位而升降时，指针就随着在标尺上指示出液位的高度。变浮力法测量原理：通过检测元件把液位变化转换为力的变化，再把力的变化转换成机械位移（线位移或角位移），通过转换器把机械位移转换为电或气的信号，以便
3、配合仪表使用，如图2.15()浮筒式液位计，当液位变化时，浮筒所受的浮力随之变化，由于重力不变，要达到新的平衡状态，浮简的浸没高度必然变化，使弹簧的张力也随之而变。液位的变化量与弹簧的长度变化量成正比。弹簧起到了把大位移转变成小位移的作用，弹簧的长度变化量即是差动变压器铁芯的位移量。因此，差动变压器的输出反映了液位的高度，即将液位的变化转换成电量的变化。浮力式测量方法的特点：浮力式液位仪表受外界温度、湿度、强光、气流等影响较小，但由于浮力式液位计具有可动部件，因而会因摩擦而引起灵敏度降低和变差增大，另外，浮子占有较大空间，体积较大，测量范围受到限制，只适用于压力较低和范围较小的液位测量。2、应
4、用静压原理检测物位（1）工作原理通过液柱静压的方法对液位进行测量。 图2.16（a）压力表测量液位原理敞口容器：如图2.16(a)。多用直接测量容器底部压力的方法。测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度 。其关系为式中测压仪表的指示值；液位的高度；液体的密度；重力加速度。密闭容器：图2.16（b） 图2.16（b）密闭容器差压式测量液位原理测量容器底部压力，除与液面高度有关外，还与液面上部介质压力有关，其关系为式中容器中液面上部的气体压力液面以H深度的液体压力；由此可知，测出差压，就可以知道密闭容器中液位的高度。因此凡是能够测量差压的仪表都可用于密闭容器液
5、位的测量。由上两式可知：差压式液位计所测压差只与液位高度成正比，而与液体上方的气相介质的压力无关。当用差压式液位计测量敞口容器液位时，只要把差压式液位计的负压室通大气即可。（2）差压变送器测量液位的零点迁移问题(重点)使用差压式液位计测量液位时，若安装位置条件不同，将造成液位H与压差 之关系不象式那么简单，利用差压变送器测量液位时，差压变送器（常用的DDZ型仪表）将由液位形成的差压p转换成相应的统一标准电信号输出。往往存在仪表零点迁移问题。所谓迁移就是将原来仪表输入信号的始点向正或负向移动。迁移是通过压力变送器或差压变送器内的一个迁移弹簧实现，通过它给变送器预加一个输出信号。在变送器上一般都注
6、明是否附加正、负迁移装置，型号后面加“A”的为附加正迁移装置，带“B”的为附加负迁移装置的变送器。必须根据现场要求正确选用仪器。 无迁移 当测量装置如图2.17（a）所示时，差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（=0）处于同一水平位置。差压p与液位高度H的关系为。当H =0时，正负压室的差压0，变送器输出信号为起点值I0=4mA当H=时，差压，变送器的输出信号为满量程20 mA。当H=0，在0之间线性变化。此时，无需对差压变送器的零点进行迁移。变送器特性曲线：如图2.18中曲线a所示。负迁移 在实际测量中，有时为了不让被测容器内的液体或气体进入变送器而造成导压管线结晶、堵塞、腐蚀仪表，
7、或为了保持负压室凝液高度（容器内外的温差较大，气相容易凝结成液体。凝结液体的高度就叫凝液高度。）恒定，常在变送器的正、负压室与取压点间分别加装隔离罐，并充以密度为2的中性隔离液（隔离液应与被测液体密度不同且不相溶、不易挥发、无腐蚀、低粘度且易于流动的液体），如图2.17（b）所示。此时差压变送器的正、负压室的压力分别为0讨论：当H=0时，0，使变送器在H=0时输出电流小于4mA；当H=Hmax时，输出电流小于20 mA。这样液位在0Hmax变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉负压室的固定压差的作用。变送器的正常使用要求是：当液位从零变化到最高位置时，
8、变送器输出电流对应为4mA20 mADC。因此上述情况必须进行零点负迁移，通过调整负迁移弹簧，将变送器的测量从起点迁移到某一负数值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。使变送器的输出仍为4mA20 mA。从而使变送器可满足正常的使用要求。负迁移特性曲线就是向负轴平移一个固定压差Z，就称为负迁移，迁移量为Z，其变送器特性曲线如图2.18中线所示。正迁移 当变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置时。如图2.17（）所示，此时正、负压室的压力分别为0式中h1差压计正压室到液位起点处的垂直高度。讨论：当H=0时，0，使变送器在H=0时输出电流大于起
9、点值4 mA；当H=Hmax时，输出电流大于满量程20mA。这样在液位在0Hmax变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉正压室的固定压差的作用。 为了使仪表输出能正确反映出液位的高度，必须调整迁移弹簧，使得H=0时，变送器的输出仍然回到4 mA；H=Hmax时，输出电流为20 mA，通过调整正迁移弹簧，将变送器的测量从起点迁移到某一正数值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。特性曲线向正方向平移了一个固定压差Z，称为正迁移，迁移量为。其变送器特性曲线如图2.18中线所示。 (a) 无迁移 ( b)负迁移 (c)正迁移图
10、2.17 差压变送器测量液位原理 无迁移；负迁移；正迁移 图2.18零点迁移下的特性曲线 小结：零点迁移的实质是同时改变差压变送器的上限与下限（即测量范围），即相当于把测量上、下限的坐标同时平移一个位置，相当于量程范围的平移，而不改变量程的大小，以适应现场安装变送器的条件。在实际应用中，在差压变送器的产品手册中，通常注明是否带有迁移装置以及相应的迁移量范围，应根据现场的具体情况予以正确选用。（实例见后）（3）静压原理检测物位特点l 检测元件在容器中几乎不占空间，只需在容器壁上开一个或两个孔即可；l 检测元件只有一、两根导压管，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠；l 采用法兰式差压变送器
11、可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮介质的液位测量问题。3、应用电学原理检测物位电学式物位检测就是直接把物位变化转换为电参数变化，然后再把电参数转换为统一电信号进行传输、处理、显示等。根据电参数的不同可以分成：电阻式、电容式和电感式等。下面主要介绍电容式物位检测原理。(1) 电容式物位检测原理电容法检测物位是通过电容传感器把被测介质物位转换成相应的电容量，利用测量电路测得电容量的变化。即可间接求得物位的高低。电容传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，结构如图2.19所示，由两个长度为L、半径分别为R和r的圆筒形金属导体，中间隔以绝缘物质便构成圆筒形电容器。设所充介质介电常数的1 气
12、体时，两圆筒间的电容量为 l 如果用于测量介电常数为2的非导电性液体时，设将电极浸没的长度为l，电容增量的值为 式中1、2、R、r不变时，电容增量与电极浸没的长度l成正比，因而测出电容增量便可知道液位的高度。l 如果用于测量介电常数为3的导电性液体时，电极要用绝缘物（聚乙烯、聚四氟乙烯或聚四氟乙烯加氟丙烯等材料，这些材料对被测介质具有很小的亲和力）覆盖作为中间介质，被测液体和外圆筒一起作为外电极。电极被导电性待测液浸没后，就会产生电容，如果浸没长度为l，则产生的电容量为 式中R、r分别为绝缘层外半径和内电极外半径。3为常数，C与l成正比。 图2.19 电容法测量物位原理图 非导电液体电容液位传
13、感器 导电液体电容液位传感器 (2)电容式物位检测特点可测导电液体和非导电液体，也可测粉料、块料、粒料和混合料，能将所测得物位转换成统一的电信号远传、记录和显示，应用广泛；但对液体的粘度或附着性大时，会粘在电极上，严重影响测量准确度。因此不适用于粘度较高或者粘附力强的液体的测量。4、应用超声波反射检测物位声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当震动频率在十余赫兹到万余赫兹时可以引起人的听觉，称为声波；更低频率的机械波称为次声波；振动频率20k赫兹以上的机械波称为超声波，物位检测一般使用超声波。 声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。根据传声介质的不同可以分为：液介式
14、、气介式、固介式三种。声波特点：(1) 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体次之,固体吸收最小而衰减最小。声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，衰减也越大。因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。(2) 声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声速也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。 (3)当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上会产生反射和折射。当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。 测量原理：通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低，实现液位测量的。（如图2.20所示）。图A测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间t后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。则有关系式 式中H探头到界面的距离（被测介质物位高度）；超声波在
