物位测量

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1、1,第四节 物位检测及仪表 65,一、概论,几个概念,液位 料位 液位计 界位计,测量物位的目的,按其工作原理分为,直读式物位仪表 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电磁式物位仪表 核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表,2,一、定义及检测方法分类,物位的定义： “物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。 对应不同性质的物料又有以下的定义。 1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。 2、料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。 3、界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的

2、分界面，为液-固相界面。 液-液、液-固相界面的位置简称界位。,3,一、定义及检测方法分类,物位的定义： 物位是液位、料位、界位的总称。 对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。,4,物位测量的意义及目的,正确测得容器中储藏物质的容量或重量； 监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。 所以，一般测量物位有两种目的： (1)一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储存库中的原料、辅料、半成品或成品的数量； (2) 另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映

3、某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。,5,一、定义及检测方法分类,物位检测仪表的分类： 由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。 物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。 连续测量方式能持续测量物位的变化。 定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。 按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。,6,一、 定义及检测方法分类,（1）直读式物位仪表 采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容

4、器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。 （2）差压式物位仪表 基于流体静力学原理，适用于液位检测。 容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。 这类仪表有压力式和差压式等型式。,7,4.1 常用物位检测仪表,利用静压原理测量液位：,1、工作原理 静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。 将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为：,举例说明,8,3.1 常用物位检测仪表,举例说明,9,（3）浮力式物位仪表 其工作原理基于

5、阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。 这类仪表有各种浮力式液位计、浮筒式液位计等。,浮力式液位计： 浮力式液位计有两类： 恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计. 变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的浮力不同来测定液位的高低.,10,（4）电磁式物位仪表 将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。 （5）辐射式物位仪表 辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。 （6）声波式物位

6、仪表 （7）光学式物位仪表,11,12,3.1 常用物位检测仪表,恒浮力法测量液位的原理：,3、浮力式物位仪表,13,3.1 常用物位检测仪表,平衡时： 浮标的重量-浮力=平衡物的重量。 即:W-F=G 当液位上升时： 浮标浸没部分增加，浮力增大，W-FG, 浮标 上升，浮力下降，使 W-F=G 浮标的位置就反映了物位的高度。,3、浮力式物位仪表,14,3.2 常用物位检测仪表,变浮力法测量物位的原理：,设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X, 弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：,弹簧的伸长量通过变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。,3、浮力式物位仪表,15,

7、3.1 常用物位检测仪表,3、浮力式物位仪表,16,17,（6）声波式物位仪表,利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。 注意事项： 确保反射波能回到探头； 防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。,18,：无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量； 不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关； 适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动； 测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。,（6）声波物位仪表的特点,19,表3-5

8、 物位仪表的分类和主要特征,20,表3-5 物位仪表的分类和主要特征续,21,第四节 物位检测及仪表,二、差压式液位变送器,1.工作原理,图3-37 差压液位变送器原理图,图3-38 压力表式液位计,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。,22,第四节 物位检测及仪表,将差压变送器的一端接液相，另一端接气相,因此,当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-38所示。,（3-44）,（3-45）,23,第四节 物位检测及仪表,2.零点迁移问题,图3-39 负迁移示意图,在使用差压变

9、送器测量液位时，一般来说,实际应用中， 这时正、负室压力p1、p2分别为,则,无迁移,加装隔离罐,24,我们采用的方法一般是在仪表上加一迁移装置，用变送器内部反馈调整方式抵消掉固定差压 的作用， 我们称这种方法为“零点迁移”。 调节仪表上的迁移弹簧来达到此目的。,25,第四节 物位检测及仪表,迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。,迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。,迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。,这里零点迁移的作用，其实质就是改变差压变送器测量范围的上、下限，相当于测量范围的平

10、移，它不改变量程的大小。,26,4.2 常用物位检测仪表,零点迁移问题 由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差 P 与液位高度 H 满足上式的条件是： (1)差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上； (2)差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在； (3)被测介质的密度保持不变。在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工作状态。,27,4.2 常用物位检测仪表,正迁移 假定我们采用的是输出为 4mA 20mA 的差压变送器，则当液位 H=0时，变送器输入信号p=0，其输出电流为 4mA ，当液位达到测量上限时，变送器的输入信号 p = Hmaxpg

11、，其输出电流为 20mA 。 在实际应用中，如果差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上时，需要将零点进行正迁移。,28,4.2 常用物位检测仪表,正迁移实例：,29,4.2 常用物位检测仪表,与无迁移情况的相比，差压中多出一项,即在高压室增加了一个恒定的静压 。 由于它的存在，使得当 H = 0 时， p= 此时的变送器输出必然大于 4mA 。,30,4.2 常用物位检测仪表,为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系，就必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消这一静压的影响。 当H=0，p= 时，变送器输出为4mA。 由于在这种工作状态下，变送器的起始输入点由零点变

12、为一个正值，因而是正迁移。,31,4.2 常用物位检测仪表,负迁移 在工程应用中还 经常遇到负迁移 的情况。如图 (b)所示。 若被测液体的密度 为 P1 ，隔离液的密 度为 P2 ，且 P 1 P2 ，则变送器高低压室的压力分别为：,32,4.2 常用物位检测仪表,高低压室所感受的压差为,与无迁移情况的相比较，总的差压减少了 ，,33,4.2 常用物位检测仪表,即相当于在低压室增加了一个恒定的静压 由于它的存在，使得当 H =0 时， p= -（ h2 - h1 ）p g 此时变送器的输出必然小于 4mA ， 当 H =Hmax 时，变送器的输出也达不到 20mA 。 为了使变送器输出与被测

13、液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系。就必须借助差压变送器的零点迁移功能来抵消这静压力的影响。使得当 p =-（ h2- h1）pg 时，变送器的输出为 4mA 。这种情况就是负迁移。,34,4.2 常用物位检测仪表,针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围为 0 5kPa ，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分别为+2kPa 和 -2kPa ，则这台差压变送器零点迁移特性曲线如图 所示。,35,第四节 物位检测及仪表,图3-40 正负迁移示意图,图3-41 正迁移示意图,举例,某差压变送器的测量范围为05000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这

14、是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。,36,特别注意,37,第四节 物位检测及仪表,3.用法兰式差压变送器测量液位,图3-42 法兰式差压变送器测量液位示意图,1法兰式测量头；2毛细管；3变送器,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。,38,第四节 物位检测及仪表,三、电容式物位传感器,1.测量原理,图3-43 电容器的组成,1内电极；2外电极,两圆筒间的电容量C,当 D 和 d 一定时，电容量 C 的大小与极板的长度 L 和介质的介电

15、常数的乘积成比例。,通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。,39,第四节 物位检测及仪表,2.液位的检测,3-44 非导电介质的液位测量,1内电极；2外电极；3绝缘套；4流通小孔,当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为,对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。,当液位上升为H时，电容量变为,电容量的变化为,40,第四节 物位检测及仪表,41,第四节 物位检测及仪表,3.料位的检测,用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。,1金属电极棒；2容器壁,左图所示为

16、用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。,电容量变化与料位升降的关系为,图3-45 料位检测,42,第四节 物位检测及仪表,优点,电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。,缺点,需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。,43,分为3种工作方式,Summary,44,(a)适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。 在这种应用中，器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作为内电极。 (c)适用于立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。,Summary,45,(b)适用于非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，物料为非导电性液体的液位的测量。 在这种应用中，中心棒状电极的外面套有一个同轴金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容的中间介质为气体和液体物料。 这样组成的电容Cx与容器的形状无