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1、料位计种类及实际应用仪控一班：丁伟宁仪控一班：丁伟宁主要内容主要内容1 1概述概述2 2电容式液位测量电容式液位测量3 3超声波物位测量超声波物位测量4 4雷达物位测量雷达物位测量5 5射频导纳式料位计射频导纳式料位计概述概述 在热工检测中，我们常把开口容器或密封在热工检测中，我们常把开口容器或密封 容器中液体介质液面的高低称为液位；把两种容器中液体介质液面的高低称为液位；把两种 液体介质分界面的高低称为界面液体介质分界面的高低称为界面；把固体粉状；把固体粉状 或颗料物在容器中堆积的高度称为料位。而物或颗料物在容器中堆积的高度称为料位。而物 位则是液位、界面和料位的总称位则是液位、界面和料位的
2、总称。什么叫物位什么叫物位什么叫物位计什么叫物位计 将用来检测液位的仪表称为液位计；把将用来检测液位的仪表称为液位计；把 检测分界面的仪表称为界面计；把用来检测检测分界面的仪表称为界面计；把用来检测 固体料位的仪表称为料位计，它们统称为物固体料位的仪表称为料位计，它们统称为物 位计。位计。 概述概述物位检测的目的物位检测的目的 物位检测为保证生产过程的正常运行，如物位检测为保证生产过程的正常运行，如 调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确产品产调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确产品产 量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过 程监测中物位检测占有重要的地位。
3、程监测中物位检测占有重要的地位。概述概述液位测量的工艺特点液位测量的工艺特点液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象。起泡沫的现象。大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。度等物理量不均匀的现象。容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大，容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大，或含有大量杂质、悬浮物等。或含有大量杂质、悬浮物等。概述概述物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因此料物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因
4、此料 面是不平的面是不平的, ,难以确定料位高度。难以确定料位高度。物料进出时，又存在着滞留区（由于容器物料进出时，又存在着滞留区（由于容器 结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区 ），影响），影响 到物位最低位置的测准。到物位最低位置的测准。储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔 隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响料位测量的工艺特点料位测量的工艺特点概述概述界位测量中最常见的问题界位测量中最常见的问题 是界面位置不明显，浑浊是界面位置不明显，浑浊 段的存在也影响段的存在也影响 测准。测准
5、。 对物料储量的计算，而后者则在振动或力、对物料储量的计算，而后者则在振动或力、 湿度变化时物位也随之变化。湿度变化时物位也随之变化。概述概述物位测量仪表的分类物位测量仪表的分类 按其工作原理可分为以下几种：按其工作原理可分为以下几种： 概述概述电容式：电容式：物位测量仪表物位测量仪表超声波：超声波：式物位测量仪表式物位测量仪表雷达波：雷达波：式物位测量仪表式物位测量仪表射频导纳：射频导纳：料位测量仪表料位测量仪表电容式物位计电容式物位计电容物位计：电容物位计：将将物位物位的变化转换成的变化转换成电容量电容量的变的变 化来进行物位测量的仪表。化来进行物位测量的仪表。 组成：组成：传感器、电容检
6、测两大部分。传感器、电容检测两大部分。 电容式物位计电容式物位计适用于适用于各种各种导电、非导电液导电、非导电液体体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。较广。电容式物位计电容式物位计结构：结构： 两个同轴圆筒电极组成两个同轴圆筒电极组成 的电容器。的电容器。导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计当液位高度为
7、当液位高度为0 0时，传感器电容量时，传感器电容量C0C0为为电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计原理：原理：基于圆筒形电容器的基于圆筒形电容器的电电 容值随物位而变化。容值随物位而变化。当液位变化，园筒形电极一部份被当液位变化，园筒形电极一部份被物料浸没，浸没深度物料浸没，浸没深度H H， 极板间存在极板间存在两种介质的介电常数两种介质的介电常数1 (1 (原设有中间原设有中间介质介电常数介质介电常数) )、2 (2 (被测物料的介被测物料的介电常数电常数) ,) ,将引起电容量的变化将引起电容量的变化CHCH。电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导
8、电介质用电容式物位计电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计液位由液位由0 0增加到增加到H H，传感器电容变化量，传感器电容变化量C C为：为：D0DD0D，且，且00电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计实现形式：实现形式：测量导电液体液位时：测量导电液体液位时： 等效电路如图。等效电路如图。c11c12c2电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计实现形式：实现形式：测量导电液体液位时：测量导电液体液位时： 等效电路如图。等效电路如图。c11c12c2电容式物位计电容式物位计检测电路：检测电路：电容式物位
9、计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。测的关键。常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。注意：注意：电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反而
10、不利于检测。而不利于检测。以单臂桥式电路为例：以单臂桥式电路为例：导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计检测电路：检测电路：如图：如图：电容式物位计电容式物位计导电介质用电容式物位计导电介质用电容式物位计特点特点电容式物位计一般不受真空、压力、温度电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。维修；价格较低。但是不适合于以下介质：如介质的介电常但是不适合于以下介质：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积数随温度等影响而变
11、化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等情况。或附着、介质中有气泡产生等情况。电容式物位计电容式物位计非导电介质用电容式物位计非导电介质用电容式物位计若被测介质是粘性非导电液若被测介质是粘性非导电液体，其测量结果也会受到体，其测量结果也会受到虚虚假液位假液位的影响，但一般很小，的影响，但一般很小，可以可以忽略忽略。电容式物位计电容式物位计固体物料用电容式物位计固体物料用电容式物位计因为固体摩擦较大，容易因为固体摩擦较大，容易“滞留滞留”，所以一般不用双，所以一般不用双层式电极。对于非导电固体料位，可采用以层式电极。对于非导电固体料位，可采用以电极棒电极棒和和容器壁容器壁为两电极、以被测
12、物料作为电介质的电容器来为两电极、以被测物料作为电介质的电容器来测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为 对于像钢筋水泥料仓的料位测量，用对于像钢筋水泥料仓的料位测量，用钢丝绳钢丝绳及及仓仓库钢筋库钢筋作为容器的两极，以测量非导电物料的料位。作为容器的两极，以测量非导电物料的料位。钢丝绳对地及钢筋用绝缘材料加以绝缘。钢丝绳对地及钢筋用绝缘材料加以绝缘。电容式物位计电容式物位计固体物料用电容式物位计固体物料用电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：在使用时主要应注意以下几点：电极必须垂直安装，安装前要校直。电极必须垂直安装，安装前要校直。注意不要把电极安装在管口、
13、孔、凹坑等里面，以防注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。止介质停留而造成误动作。仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。电容量，否则将影响零点和整个线性。当被测介质改变后，需重新调整仪表。当被测介质改变后，需重新调整仪表。当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。调整仪表。电容式物位计电容式物位计射频导纳液位计射频导纳液位
14、计( ( ( (去除挂料影响的电容式液位传感器去除挂料影响的电容式液位传感器去除挂料影响的电容式液位传感器去除挂料影响的电容式液位传感器) ) ) )电容式物位计电容式物位计射频导纳液位计射频导纳液位计挂料的等效阻抗为：挂料的等效阻抗为：通过分析传输电流的波动方程，通过分析传输电流的波动方程，得（得（射频导纳定理射频导纳定理）：）：电容式物位计电容式物位计射频导纳液位计射频导纳液位计当：当：进行测量。进行测量。超声波物位测量超声波物位测量测量原理测量原理声波遇到两相界面时会声波遇到两相界面时会发生发生反射反射高出最高高出最高液位液位单探头气介式单探头气介式单探头气介式单探头气介式气介声速气介声
15、速测量盲区约测量盲区约1m1m基本测量方法基本测量方法基本测量方法基本测量方法超声波物位测量超声波物位测量测量方法测量方法设置声速校正具方法设置声速校正具方法 声波在介质中的声波在介质中的传播速度传播速度与介质的与介质的密度密度有关，而密度是有关，而密度是温度和压力温度和压力的函数的函数 v v（P,TP,T）eg.eg.空气空气 V0 = 331 m/sV0 = 331 m/s；V100 = 387 m/sV100 = 387 m/s带有声速校正杆的超声波液位计带有声速校正杆的超声波液位计 tt0hh0超声波物位测量超声波物位测量测量原理测量原理 发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位发射接
16、收高频电磁波，原理类似于超声液位计。计。电磁波电磁波，波速与空气温度、湿度等无关波速与空气温度、湿度等无关。雷达液位计雷达液位计导波雷达液位计导波雷达液位计雷达物位测量雷达物位测量德国德国E+H FMR230 雷达液位计雷达液位计用于液体、颗粒及浆料物位的用于液体、颗粒及浆料物位的连续非接触测量连续非接触测量。测量不受介质变化、温度变化、测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽的影响；惰性气体及蒸汽的影响；喇叭式天线喇叭式天线，频率，频率6 GHz；量程量程20 m，精度，精度3mm；两线制，两线制，HART协议；协议；西门子西门子SITRANS LR400 雷达液位计雷达液位计适于测量高粉
17、尘固体物料适于测量高粉尘固体物料和低介电常数液体物位。和低介电常数液体物位。连续波调频工作方式连续波调频工作方式；工作频率工作频率24 GHz；量程量程50 m，精度，精度60 mm；两线制，两线制，HART协议；协议；现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。德国科隆德国科隆(KROHNE) BM70P 雷达液位计雷达液位计液体和液化气的液位测量。液体和液化气的液位测量。工作频率工作频率8.99.9 GHz；量程量程35 m；精度精度: 110 m时，时，1mm 10 m时，时，0.01% 示值误差示值误差具有改进信噪比的微波窗，具有改进信噪比的微波
18、窗，高灵敏性高灵敏性，动态响应达动态响应达 140 dB 。计数法测时计数法测时若计数时钟频率为若计数时钟频率为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接收，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有脉冲瞬间停止计数，共有N个计数脉冲，个计数脉冲，则传播时间则传播时间t为为由由得得其中其中 t t计数脉冲周期计数脉冲周期 f f计数脉冲频率计数脉冲频率 H H液位分辨率液位分辨率电磁波速度（即光速）电磁波速度（即光速） m/s， H1.5 mm 计数脉冲频率计数脉冲频率为为而当前集成电路的运算速度为几十而当前集成电路的运算速度为几十MHz，相差，相差几个数量级，几个数量级，必须另寻出路必须另寻出路
19、！等效时间采样法测时等效时间采样法测时 被测信号是周期为被测信号是周期为T的的周期性信号周期性信号，采样周期采样周期为为T+t，每周期只采一个，每周期只采一个瞬时值，瞬时值，等效采样周期等效采样周期为为t。周期性重复的高频信号周期性重复的高频信号均可采用此方法，降低采样频均可采用此方法，降低采样频率。率。原理原理等效时间采样法在时间量检测中的应用等效时间采样法在时间量检测中的应用t（最小分辨时间）为（最小分辨时间）为发射发射与与采样信号采样信号周期差值，又称周期差值，又称等效采样周期，只要满足两信号周期之差为等效采样周期，只要满足两信号周期之差为t10ps。举例：举例：发射时钟发射时钟采样时钟
20、采样时钟相应的，相应的，前已述，分辨前已述，分辨H=1.5mm液位，等效采样周期液位，等效采样周期t10ps故，若实测距离故，若实测距离 hD6.182m第第n个采样脉冲可测到反射波，求个采样脉冲可测到反射波，求n？若取若取n=4294，则发射接收，则发射接收4294次完成测量，次完成测量，用计数器计数用计数器计数n，即可测出，即可测出tD，进而求出，进而求出hD。需时需时验验 算算n=4293n=4293n=4294n=4294今测得今测得n=23654,n=23654,求求h:h:连续波调频法连续波调频法调频连续波调频连续波接收到的信号接收到的信号频率与发出的频率与发出的信号频率之差信号频
21、率之差时间差时间差液位高度液位高度连续波调频法连续波调频法射频导纳式物位计射频导纳式物位计 射频导纳料位计产品的结构分为主电极和补偿电射频导纳料位计产品的结构分为主电极和补偿电极两部分。在主电极与补偿电极间分别施加一组极两部分。在主电极与补偿电极间分别施加一组RFRF射射频信号，因而具有很好的抗粘料、挂料特性，是取代频信号，因而具有很好的抗粘料、挂料特性，是取代电容料位开关的新型物电容料位开关的新型物/ /液位测量产品。液位测量产品。 由于保护电极的存在，检测电路将检测电极和保由于保护电极的存在，检测电路将检测电极和保护电极的信号进行比较，从而实现克服物料粘附对物护电极的信号进行比较，从而实现
22、克服物料粘附对物位测量的影响。位测量的影响。射频导纳式物位计射频导纳式物位计射频导纳料位计的工作原理介绍: 点位射频导纳技术与电容技术的重要区别是采用了三端技术。在电路单元测量信号上引出一根线，经同相放大器放大，其输出与同轴电缆屏蔽层相连，然后连接到探头的屏蔽层上。该放大器是一个同相放大器，其增益为1，输出信号与输入信号等电位，同相位，同频率，但互相隔离。地线是电缆中最外面的屏蔽层。由于同轴电缆的中心线与中间屏蔽存在上述关系，所以二者之间没有电位差，也就没有电流流过，即没有电流从中心线漏出来，相当于二者之间没有电容或者说电容为零。因此电缆的温度效应，安装电容等也就不会产生影响。对于探头上的挂料
23、问题，采用一种新的探头结构，五层同心结构:最里层是中心测杆，中间是中心屏蔽层，最外边是接地的安装螺纹，用绝缘层将其分别隔离开来。射频导纳式物位计射频导纳式物位计 与同轴电缆的情况是一样的，中心测杆与屏蔽层之间没有电势差，即使传感元件上挂料阻抗很小，也不会有电流流过，电子仪器测量的仅仅是从探头中心到对面罐壁的电流，因为中心元件能阻碍电流沿探头向上流向容器壁，因而对地电流只有经探头末端通过被测物料到对面容器。即Ua=Ub lab=(Ua-Ub)/R=0。由于屏蔽层与容器壁之间存在电势差，两者之间虽有电流流过，但是该电流不被测量，不影响测量结果。这样就将测量端保护起来，不受挂料的影响。只有容器中的物位确实上升接触到中心测量杆时，通过被测物料，中心测杆与地之间形成被测电流。
