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1、第三章 物位检测仪表,3.1概述 3.1.1物位测量的内容及意义 物位：物料的位置和高度，包括液位、界位和料位。 液位：气液分界面高度； 界位：两种液体的分界面高度； 料位：固液（气）分界面高度。 物位测量目的：一是用于确定物料的体积或质量；二是调节流入与流出物料的平衡。,3.1.2物位检测方法及仪表分类 1按工作原理分类 （1）直读式液位仪表 连通器原理，有玻璃管式、玻璃板液位计等。 （2）浮力式物位仪表 浮力原理，有恒浮力式和变浮力式两种。 （3）静压式物位仪表 流体静力学原理。 （4）电气式物位仪表 将物位的变化转换为电量检测。 （5）反射式物位仪表 利用超声波、微波反射信号行程间接测量
2、液位。 （6）射线式物位检测 利用射线在被测介质中的吸收程度。 2按传感器与被测介质是否接触分类 （1）接触式物位仪表 如直读式、浮力式、静压式、电容式等。 （2）非接触式物位仪表 如雷达式、超声波式、射线式等。,3.2 直读式液位计 3.2.1玻璃管液位计,图3.1 玻璃管液位计 1、5-连通阀；2-标尺；2防溢钢球；3玻璃管；4密封填料；6排污阀；7-放溢钢球；8、10-连接法兰；9-压盖,原理：连通器原理。 1=2，则h1=h2 量程3001200mm，工作压力1.6MPa，耐温400C。,3.2.2 玻璃板液位计,图3.2 玻璃板液位计 1液罐；2连通阀；3-玻璃板；4-金属压框；5-
3、排污阀；6-连通阀,结构：由厚钢化玻璃板、金属压框和连通阀构成。玻璃板液位计的长度为5001700mm，最大耐压为5MPa，耐温400C。 透光式玻璃板液位计：液体处在两块玻璃板之间。缺点是液体粘附玻璃，不宜看清真实液位。 折光式玻璃板液位计：液体处在金属框与棱形玻璃板之间。 原理：由于玻璃板对气、液的折光率不同，液相看起来是暗的，气相部分亮，气液界面明显。,3.2.3 双色水位计,图3.3 双色水位计结构和工作原理示意图 1-上侧连通管；2-加热用蒸汽进汽管；3-水位计钢座；4-加热室；5-测量室；6-加热蒸汽出口管；7-下侧连通管；8-光源；9-毛玻璃；10-红色滤光玻璃；11-绿色滤光玻
4、璃；12-组合透镜；13-光学玻璃板；14-垫片；15-云母片；16-保护罩；17-观察窗,结构：光源的白光经红、绿滤光玻璃后成为红、绿混合光，再经透镜分光形成红、绿两股光束以不同角度射入测量室。 原理：在测量室汽相部分，蒸汽对红、绿光折射率都很小，红光直射到观察窗口，而绿光偏离窗口。所以在观察窗看到水位计中蒸汽呈红色。 测量室液相部分形成一段水棱镜。水中绿光折射率比红光大，使绿光折射后正好射到观察窗口、红光折射后偏离观察窗口。因而在观察窗看到的水呈绿色。 特点：显示醒目、便于观察。工作压力4-22MPa，工作温度300。,3.3 浮力式物位计 3.3.1 恒浮力式液位计 1浮标式液位计 结构
5、：,原理：当浮标受力平衡时，浮标可以随液面稳定：,式中 W浮标的重力； F浮标所受的浮力； G平衡重物的重力。,液位上升时，其上浮力F增加，,新的力平衡，反之亦然。因而实现了浮标对液位的跟踪。通过同步移 动的平衡锤便可以指示出液位的高度。 特点：简单直观，测量精度低。 误差原因：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。,，浮标向上移动。直达到,2. 浮子钢带式液位计 结构特点：用恒力弹簧（盘簧）7代替平衡锤。用均匀穿孔钢带代替钢丝绳，钉轮13周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为钉轮转动，通过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。 原理：液位下降时，浮子重量拉动钢带使收带轮-卷簧轮6顺时针转动
6、，将卷绕在储簧轮8上恒力卷簧7反绕在卷簧轮上。 液位升高时，钢带拉力减小，恒力卷簧7将卷簧收回到储簧轮8上，收带轮-卷簧轮逆时针转动。 钢带通过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。 特点：钢带拉力恒定、测量精度高（可达0. 3%）、测量范围大（020m）。,图3.5 浮子钢带式液位计 1-浮子；2-钢带；3-滑轮；4-导向轮；5、6-收带轮-卷簧轮（同轴）；7-恒力卷簧；8-储簧轮；9-计数器；10-指针；11-传动齿轮；12-转角传感器；13-钉轮；14-导向钢丝,3. 编码钢带液位计 通过在连接钢带上打孔编码，用光电变送器转换为数字编码信号输出。,图3.6 编码钢带式液位计的结构 1浮
7、子；2导向钢丝；3滑轮；4连接钢带；5码带；6重锤；7仪表箱；8变送器；9过带轮；,特点： 测量精度高，绝对误差小于2mm。 无复杂的齿轮传动机构，寿命长，系统运行平稳可靠。 420mA标准信号输出，便于远传。 采用红外光电技术及格雷码带，抗干扰能力强。,4. 浮球式液位计 用途：密闭容器，液体介质的温度、压力、粘度较高，而变 化范围较小的液位测量。 原理：杠杆力矩平衡原理,图3.7 浮球式液位计 1浮球；2连杆；3转动轴；4杠杆；5指针标尺；6-平衡锤 类型：内浮球式、外浮球。,5磁翻板式液位 结构：连通器、带磁铁浮子、磁翻版（每个磁翻板都有磁性，一面是红色，另一面为白色）。,图3.9 磁翻
8、板液位计 1磁翻板；2内装磁钢的浮子；3翻板支架；4连通器；5连接法兰；6连通阀；7被测容器,原理：当磁浮子随液位升降时，浮子磁场对磁翻板的吸引，迫使磁翻板转向，使磁浮子以下翻板为红色，磁浮子以上翻板为白色，显示液位。 特点：结构牢固，工作可靠，显示醒目。精度低、磁翻板易腿色退磁、浮子易卡。,3.3.2变浮力式物位计 1.浮筒式物位计原理,图3.10 浮筒式物位计结构,浮筒是一不锈钢空心长圆柱体。浮筒的重量大于同体积的液体重量，使浮筒不能漂浮在液面上。 原理：浮筒6悬挂在杠杆4一端，与扭力管3固连。扭力管3是一种密封式的输出轴，利用扭力管的弹性变形把浮筒上的力变成芯轴的转动。,图3.11 扭力
9、管平衡的浮筒测量原理,1外壳；2芯轴；3扭力管；4杠杆；5支点；6-浮筒,当浮筒拉力f与扭力管扭角关系,式中 M0作用在扭力管上的扭力矩； d1、d2分别为扭力管的内、外径； C 扭力管横向弹性系数； L0扭力管的长度。,L浮筒中心到扭力管中心的距离。,为常数,当液位为零时f=W最大，扭力管扭角达到最大，约为7。 当液位上升时，浮筒浮力增大，拉力f减小，减小。 当液位为H时，浮筒上拉力变化,液体的密度； A浮筒的截面积； W浮筒的重量。 与H =0时相比，扭力管扭角变化量,与液位H成正比关系，负号表示液位H越高，扭角越小。,2变送环节 F2390电动浮筒液位变送器。主要由振荡器、涡流差动变压器
10、、解调器、直流放大器组成。,图3.12 转换器电路框图,原理：当芯轴带动差动变压器动臂传动时，输出线圈上的感应电压 u变化与 成正比。 u变为直流电压V，送入差分放大器U放大，其输出电压经解调器将功率放大器转换为420mA电流I0输出。,3.浮筒液位变送器的校验,（1）干校法 用挂法码干校浮筒液位计。该砝码所产生的重力f应等于浮筒的重力(包括挂链或挂杆的重力)W与液面在校验点时浮筒所受的浮力F之差。 当测量两种介质的界面高度时,fH液面在被校点H处砝码的重力，N； D浮筒外径，m； L仪表量程，m； H液面高度，m； 1重相液体的密度，kgm3； 2轻相液体的密度，kgm3。,mH液面在被校点
11、H处砝码的质量，kg； M浮筒、挂链或挂杆的质量，kg。 当测液面高度时，2为气相密度。12，可简化为,（2）水校法 校验时关闭浮筒室的上、下引压阀，向测量筒中灌水，用换算灌水高度进行校验。校验时所加水位高度h应满足与被校液位高度为H时浮筒对杠杆的拉力相同。校验所加水位高度h为,则所挂砝码的质量为,3.4 静压式液位计 3.4.1 测量原理 原理：流体静力学原理,对敞口容器， PA为大气压,p B点的表压力； Pa当地大气压力。,3.4.2 迁移问题 安装条件限制、引压管路隔离液影响，会造成附加静 压。为消除附加静压影响，需调整差压变送器点，使之H=0时指零，仪表输出上、下限的与液位的零点、量
12、程相对应。这种方法称为“零点迁移”。,当H =0时，P=0，差压变送器未受任何附加静压。差压变送器无需迁移。 当H =0时，P0，差压变送器受附加正差压作用，需进行正迁移，迁移量：,当H =0时，P0，差压变送器受附加正差压作用，需进行正迁移，迁移量：,正、负迁移的实质是同时改变量程的上、下限，而不改变量程的大小。,(a)无迁移 (b)正迁移 (c)负迁移 图3.15 差压式液位计的应用,3.4.3 法兰式差压变送器测量液位 如果被测介质易凝、易结晶或有腐蚀性，为避免导压管阻塞与腐蚀，可采用法兰式差压变送器。,图3.17 用法兰式差压变送器测量液位,法兰式差压变送器的敏感元件是金属膜盒，经毛细
13、管与变送器的测量室相通。由膜盒、毛细管、测量室组成的封闭系统内充有硅油，通过硅油传递压力，省去引压导管，安装也比较方便，解决了导管的腐蚀和阻塞问题。,选择原则如下： 单平法兰式：用于易凝固、强腐蚀介质的液位测量。 插入式法兰：插入容器内部，适合于检测高粘度、易沉淀或结晶介质。 双法兰式：被测介质腐蚀性较强、负压室又无法选用适用的隔离液时。,3.4.4 吹气法测量液位 适合于测量具有强腐蚀、高粘度或含有悬浮颗粒介质。,图3.19 吹气式液位计 1过滤器；2减压阀；3节流元件；4流量计；5吹气管；6压力表或压力变送器,原理：压缩空气经过滤器1、减压阀2、节流元件（调节阀）3、转子流量计4，最后由导
14、管的下端逸出时。忽略导管5中气体的摩阻，导压管内气体压力与导管下端出口处的液体静压力（又称液封压力）,相等。由压力计6显示的压力即可反映出液位的高度。,节流元件3作用，气源流量恒定（满足p2 0.528p1）。 克服气流摩阻影响：采用间断测量法，在暂时停气时进行读数。,3.4.5 投入式液位变送器,结构：扩散硅式传感器位于导气电缆的底端，被安置到罐底， 将承受的液相压力。 特点：便于安装、使用方便等优点。,引压导管应按最短距离敷设，总长度不应超过50米。管线的弯曲处应该是均匀的圆角，拐弯曲率半径不小于管径的10倍。 引压管路水平安装时，应该保持不小于1：10的倾斜度，并加装集气、凝液收集器和沉
15、淀器等，并定期排出。 引压导管要注意保温、防冻。 对有腐蚀作用的介质，应加装充有中性隔离液的隔离罐。在测量锅炉汽包水位时，则应加装冷凝罐。 全部引压管路应保持密封，而无泄漏现象。 引压管路中应装有必要的切断、冲洗、排污等所需要的阀门，安装前必须将管线清理干净。,3.4.6.静压式液位计的安装,(1)引压导管的安装,H两极板的长度； 两极板中间介质的介电常数； d圆筒形外电极的内径； D圆筒形内电极的外径。,图3.21 圆柱型电容器 1内极板；2-被测介质；3-外极板,3.5 电容式物位计 3.5.1 测量原理 电容式物位传感器的电容量,3.5.2 电容式物位计的测量方式 1测量非导电介质液位
16、电容传感器外电极2上有孔，使介质能流进电极之间。利用被测液体作电极间绝缘介质。 H=0时,空气介电常数；,H0时,为被测液体的介电系数。电容量的增量C液位高度h成正比。,图3.22 非导电介质的液位测量,2测量导电介质的液位 为防止内、外电极被导电的液体短路，内电极加一绝缘层，导电液体作为外电极。传感器电容量 ：,绝缘层介电常数；,在测量粘性导电介质时，介质沾染电极，产生“虚假液位”。 选用和被测介质亲和力较小的套管材料。 采用隔离型电极,图3.23 导电介质液位测量原理,3. 测量固体颗粒料位 通常采用一根金属电极棒与金属容器壁构成电容器的两电极。传感器电容量：,为固体物料的介电常数；D0为容器的内径
