第六章 物位测量-2014

1、第6章 物位测量 8:39:56 主要分类 接触式接触式 直读 浮力 静压 电气 恒浮力恒浮力 变浮力变浮力 压力压力 压差压差 电容电容 电阻电阻 非接触式非接触式 超声波 射线式 8:39:56 直读式液位计 测量原理：测量原理：连通器连通器的工作原理，通过与被测容的工作原理，通过与被测容 器连通的玻璃管来直接显示容器中的液位高器连通的玻璃管来直接显示容器中的液位高 度度 特点：特点：简单、经济，无需外加能源。但受玻璃简单、经济，无需外加能源。但受玻璃 强度的限制，被测容器内的压力、温度不能太强度的限制，被测容器内的压力、温度不能太 高；只能原地显示，不能测量高；只能原地显示，不能测量高粘

2、度液体高粘度液体8:39:56 第1节 静压式物位检测 一、一、静压法测量原理静压法测量原理 液位的高度变化时，液柱产生的静压随之改变液位的高度变化时，液柱产生的静压随之改变 BA PPgH BA PPPgH P H g 测得表压力即可求得液位高度测得表压力即可求得液位高度h h B A H 8:39:56 二压力计式液位计 （开口容器的液位测量） 1、用压力表测量液位用压力表测量液位 压力计式液位计示意图压力计式液位计示意图 8:39:56 2法兰式压力变送器测量液位法兰式压力变送器测量液位： 用于粘度大、有沉淀、易结晶、易凝固或用于粘度大、有沉淀、易结晶、易凝固或 具有腐蚀性的介质具有腐蚀

3、性的介质 金属膜盒直接与被测介金属膜盒直接与被测介 质接触，省去引压导管，质接触，省去引压导管， 从而克服导管的腐蚀和从而克服导管的腐蚀和 阻塞问题。膜盒经毛细阻塞问题。膜盒经毛细 管与变送器的测量室相管与变送器的测量室相 通，并充以硅油，作为通，并充以硅油，作为 传压介质。为了毛细管传压介质。为了毛细管 经久耐用，其外部均套经久耐用，其外部均套 有金属蛇皮保护管。有金属蛇皮保护管。 8:39:56 静压液位计静压液位计 8:39:57 三差压式液位计 （密闭容器的液位测量） 抵消了容器上部压力抵消了容器上部压力 变化对测量的影响变化对测量的影响 0 PPgH 0 PP PPPgH 差压液位计

4、原理差压液位计原理 示意图示意图 8:39:57 法兰式差压液位计原理示意图法兰式差压液位计原理示意图 1-容器容器 2-差压计差压计 3-零位线零位线 4-法兰法兰 5-毛细管毛细管 8:39:57 带隔离罐的差压式液位计原理示意图带隔离罐的差压式液位计原理示意图 8:39:57 四、量程迁移 v取压口与压力（或差压）测量仪表的入口不取压口与压力（或差压）测量仪表的入口不 在同一水平高度在同一水平高度时，都会产生一个附加静压时，都会产生一个附加静压 误差。这种情况下，通过对液位计或物位计误差。这种情况下，通过对液位计或物位计 的零点进行调整，使它在只受附加静压（或的零点进行调整，使它在只受附

5、加静压（或 静压差时输出为静压差时输出为“0”，这种方法称为，这种方法称为量程迁量程迁 移移。 v量程迁移有量程迁移有无迁移、负迁移和正迁移无迁移、负迁移和正迁移三种。三种。 8:39:57 差压变送器测量液位原理图差压变送器测量液位原理图 （a）无迁移）无迁移 （b）负迁移）负迁移 8:39:57 （c）正迁移）正迁移 8:39:57 8:39:57 8:39:57 8:39:57 1 1、无迁移 v压力表与取压点处于压力表与取压点处于同一水平位置同一水平位置 v差压式液位计正、负压室分别与容器下部的差压式液位计正、负压室分别与容器下部的 零液位线和上部气体的取压口连接零液位线和上部气体的取

6、压口连接 PgH 8:39:57 2 2、负迁移 v压力表比容器的零液位压力表比容器的零液位 线线高高 v加隔离罐或采用法兰式加隔离罐或采用法兰式 的差压式液位计的差压式液位计 0121 PPgHgh 022 PPgh 1gH B 1221 ()PgHg hh 221 ()Bg hh负迁移量负迁移量 8:39:57 3 3、正迁移正迁移 v压力表或差压变送器比压力表或差压变送器比 容器的零液位线容器的零液位线低低 011 PPgHgh 0 PP 1gH C 11 PgHgh 1 Cgh正迁移量正迁移量 8:39:58 差压变送器的正负迁移示意图差压变送器的正负迁移示意图 8:39:58 例例

7、已知已知 ， ， ， ，当地加速度为，当地加速度为g=9.8m/s2， 求：求：1）计算差压的变化量？）计算差压的变化量？2）选择差变送器的量程？）选择差变送器的量程？ 3）计算差压变送器的迁移量？）计算差压变送器的迁移量？4）计算迁移后差压变）计算迁移后差压变 送器的压差测量范围？送器的压差测量范围？5）计算迁移后差压变送器的）计算迁移后差压变送器的 液位测量范围？液位测量范围？ mh0 . 5 2 m0 . 30 m L 3 1 /1200mkg 3 2 /950mkgmh0 . 1 1 max1max 12009.8 3PgH 35.28kPa 解：解： 1） 2）根据国际规定的差压变送

8、器的量程系列，选差压）根据国际规定的差压变送器的量程系列，选差压 变送器的量程为变送器的量程为40kPa 3）迁移量）迁移量 212 ()37.24PhhgkPa 8:39:58 min212 0()37.24PhhgkPa 所以，差压变送器需进所以，差压变送器需进 行负迁移，将其零点调行负迁移，将其零点调 为为-37.240kPa。 4）迁移后的量程范围为）迁移后的量程范围为 max212 40()2.76PhhgkPa 5）差压变送器的液位测量范围）差压变送器的液位测量范围 6）为了使）为了使H=3.0m时，差压变送器输出为时，差压变送器输出为20mA， 需进行量程进行调节。通过量程满度调

9、节螺钉使输需进行量程进行调节。通过量程满度调节螺钉使输 出为出为20mA， maxmax maxmax PP HH max maxmax max 40 33.4 35.28 P HHm P max 1.96PkPa 8:39:58 第二节 浮力式液位检测 一、一、恒浮力式液位检测 基本原理基本原理：浮于液面上的：浮于液面上的 浮子随着液位上升或下降，浮子随着液位上升或下降， 根据浮子的位置实现液位根据浮子的位置实现液位 的检测的检测 如：如：浮球式浮球式水位控制器水位控制器 调整箱调整箱 组件组件 上限水上限水 银开关银开关 浮筒浮筒 连杆连杆 非导非导 磁管磁管 下限下限 水银水银 开关开关

10、 磁钢磁钢 浮球浮球 8:39:58 敞口容器的浮子重锤液位计敞口容器的浮子重锤液位计 1-滑轮滑轮 2-标尺标尺 3-指针指针 4-平衡锤平衡锤5-导向杆导向杆 6-浮子浮子 闭容器的浮子重锤液位计闭容器的浮子重锤液位计 8:39:58 二变浮力式液位检测（浮筒式液位计） 一质量为一质量为m的浮筒悬挂在的浮筒悬挂在 弹簧上，弹簧的下端被固定，弹簧上，弹簧的下端被固定， 当测量桶内无水时，浮筒的当测量桶内无水时，浮筒的 重力与弹簧力达到平衡时，重力与弹簧力达到平衡时， 有：有： 0 Cxmg 当测量筒内有一定高度的液当测量筒内有一定高度的液 位位H H时，浮筒受到液体的浮力时，浮筒受到液体的浮

11、力 上浮：上浮： xhH )( 0 xxCghAmg 根据力平衡：根据力平衡： 8:39:58 一般一般 xh hH 则则 x gA C H 被测液位被测液位H H可表示为可表示为 弹簧的位移量与液位成正弹簧的位移量与液位成正 比。比。弹簧的顶端连接有一弹簧的顶端连接有一 铁芯，铁芯随着弹簧的位铁芯，铁芯随着弹簧的位 移在差动变压器内上下移移在差动变压器内上下移 动输出位移信号。动输出位移信号。 )( 0 xxCghAmg 8:39:58 浮球式液位计浮球式液位计 浮子液位变送器浮子液位变送器 UQK-701磁性浮磁性浮 球液位变送器球液位变送器 8:39:58 DFL-901 浮筒浮筒 液位

12、变送器液位变送器 浮筒液位计浮筒液位计 8:39:58 第三节 电气式物位检测 v基本原理基本原理：利用敏感元件将物：利用敏感元件将物 位变化转换为电量参数的变化，位变化转换为电量参数的变化， 通过测量电量参数来得到物位通过测量电量参数来得到物位 的变化的变化 v以以电容式电容式液位检测为例：液位检测为例： r R L C ln 2 1 0 当两圆筒间充以介电常数为当两圆筒间充以介电常数为1 的气体时，圆筒的电容量为：的气体时，圆筒的电容量为： 同轴圆筒同轴圆筒 形电容器形电容器 8:39:59 12 CCC H r R r R L ln )(2 ln 2 121 CC 0 当圆筒形电容器几何

13、尺寸一定，电容器当圆筒形电容器几何尺寸一定，电容器电容增量电容增量与与 液位高度液位高度H H成正比。同时，两种介质的介电常数的差成正比。同时，两种介质的介电常数的差 值越大，值越大， 越大，灵敏度高。越大，灵敏度高。C 如果圆筒形电极间的一部分被介电常数为如果圆筒形电极间的一部分被介电常数为2 的液体所浸没，被浸没的电极长度为的液体所浸没，被浸没的电极长度为H，此，此 时的电容量为：时的电容量为： r R H r R HL CCC ln 2 ln )(2 21 21 8:39:59 v适用对象：适用对象：非导电液体或固体非导电液体或固体 v对于对于导电液体导电液体，电极要用，电极要用绝缘物绝

14、缘物覆盖作为中间介覆盖作为中间介 质，而液体和外圆筒一起作为外电极。质，而液体和外圆筒一起作为外电极。 导电液体电导电液体电 容式液位测容式液位测 量示意图量示意图 8:39:59 v1、2、3分别为液位上方气分别为液位上方气 体、被测量介质及绝缘物体的体、被测量介质及绝缘物体的 介电常数介电常数 vC11、C12、C2分别是液位上方分别是液位上方 绝缘套管与内电极间、绝缘套绝缘套管与内电极间、绝缘套 管与容器间及液位下方绝缘套管与容器间及液位下方绝缘套 管与内电极间的电容管与内电极间的电容 3 11 2() ln LH C R r 1 12 2() ln i LH C R R 3 2 2 l

15、n H C R r 8:39:59 v一般一般 31，且 ，且R iR，则 ，则 C11C12，因此，总电容可写，因此，总电容可写 为为 122 CCC 31 22 lnln i HL RR rR 0 CKH v上式表明，电容增量上式表明，电容增量 随液位的高度而线随液位的高度而线 性变化性变化 0 CC C 113 222 lnlnln ii LHH RRR RRr 8:39:59 v电阻式物位计电阻式物位计 v电感式物位计电感式物位计 电阻式液位计原理图电阻式液位计原理图 1-电阻棒电阻棒 2-绝缘套绝缘套 3-测量电桥测量电桥 浮子式电感液位控制器浮子式电感液位控制器 1、3-上下限线圈

16、上下限线圈 2-浮子浮子 8:39:59 第4节 声学式物位检测 一、超声波性质一、超声波性质 v超声波可以在气体、液体及固体中传播。传播速度超声波可以在气体、液体及固体中传播。传播速度 不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温 度）有关。度）有关。 v声波在介质中传播时会被吸收而衰减，声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最气体吸收最 强而衰减最大强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最，液体其次，固体吸收最小而衰减最 小。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与小。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波声波 的频率的频率有关，频率越高，

17、声波的衰减也越大，因此有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此 超声波比其他声波在传播时的衰减更明显超声波比其他声波在传播时的衰减更明显 20kHz以上频率的机械波称为超声波以上频率的机械波称为超声波 8:39:59 v声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强， 发射的声束也越尖锐，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，超声波可近似为直线传播， 具有很好的方向性具有很好的方向性 v当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种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，在介质的密度不同和声波在其中传播的

18、速度不同，在 分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为：为： 式中式中 IR, ,I0反射和入射声波的声强；反射和入射声波的声强； ,声波的入射角和反射角；声波的入射角和反射角； Z1,Z2两种介质的声阻抗，其值为两种介质的声阻抗，其值为Z1=1v1， Z2=2v2 。 2 21 021 coscos coscos R IZZ R IZZ 8:39:59 在声波垂直入射时，在声波垂直入射时，0，0则，其反射系数变则，其反射系数变 为为 v说明当声波说明当声波从液体或固体传播到气体，或从液体或固体传播到气体，或 相反的情况下，相反的情况下，由于两种介质

19、的声阻抗相由于两种介质的声阻抗相 差悬殊，差悬殊，声波几乎全部被反射。声波几乎全部被反射。 假设声波从水传播到空气，在常温下它们的声假设声波从水传播到空气，在常温下它们的声 阻抗约为阻抗约为Z11.44106，Z24102，则得，则得R 0.999。 2 21 21 ZZ R ZZ 8:39:59 二、超声波检测原理二、超声波检测原理 v超声波物位检测就是通过测量声波从发射至接受反超声波物位检测就是通过测量声波从发射至接受反 射回波的时间间隔来确定物位高低。射回波的时间间隔来确定物位高低。 1 2 Hvt 当超声波传播速度已知，可根据时间求得物位。当超声波传播速度已知，可根据时间求得物位。 v

20、超声波发射器被置于容器超声波发射器被置于容器 底部，当它向液面发射短底部，当它向液面发射短 促的脉冲时，在液面处产促的脉冲时，在液面处产 生反射，回波被超声接收生反射，回波被超声接收 器接收。器接收。 8:39:59 （a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下 （b）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中 （c）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最 高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端 采

21、用采用自发自收单探头自发自收单探头 方式测量时的几种基本方式测量时的几种基本 方案方案 V的含义相同吗？的含义相同吗？ 基本方案基本方案 1 2 Hvt 8:39:59 （d）双探头液介式）双探头液介式 一般情况下，两个探头安装很近，即一般情况下，两个探头安装很近，即a 较小，所以在高液位时较小，所以在高液位时L值近似地与值近似地与S相相 等，因此仍可用等，因此仍可用S公式计算公式计算L值，不会产值，不会产 生较大的误差，但在低液位时会产生较大生较大的误差，但在低液位时会产生较大 的计算误差。的计算误差。 采用采用一发一收两探头一发一收两探头方式测量方式测量 时的几种基本方案时的几种基本方案

22、1 2 Svt 22 LSa （e）双探头气介式）双探头气介式 8:39:59 v基于基于压电效应压电效应和和逆压电效应逆压电效应。 v发射器发射器：将交变电压转换成向外：将交变电压转换成向外 发射的机械波发射的机械波 v接收器接收器：把声能转换成电能：把声能转换成电能 v实现方法实现方法：检测时一般采用较高：检测时一般采用较高 频率的超声脉冲。这样可减少了频率的超声脉冲。这样可减少了 单位时间超声波的发射能量，又单位时间超声波的发射能量，又 可提高超声脉冲的幅值可提高超声脉冲的幅值 v好处好处：前者有利于减少空化效应前者有利于减少空化效应 和温升效应，后者可提高测量精和温升效应，后者可提高测

23、量精 度。度。 二、超声波物位计的接收和发射 8:39:59 超声波物位测量仪表的特点超声波物位测量仪表的特点 v无机械可动部分，安装维修方便，换能器压电体无机械可动部分，安装维修方便，换能器压电体 振动振幅小，振动振幅小，寿命长寿命长 v能实现非接触测量，能实现非接触测量，适应性强适应性强 v能测量能测量高速运动或有倾斜晃动高速运动或有倾斜晃动的液体液位，如置的液体液位，如置 于汽车、飞机、轮船中的液体液位于汽车、飞机、轮船中的液体液位 v量程大，可从毫米数量级到几十米以上量程大，可从毫米数量级到几十米以上 v结构复杂，价格相对昂贵；当传播介质温度或密结构复杂，价格相对昂贵；当传播介质温度或

24、密 度变化时，声速也发生变化，影响测量准确度，应度变化时，声速也发生变化，影响测量准确度，应 采取应的补偿措施采取应的补偿措施 8:39:59 超声波传播速度的补偿方法超声波传播速度的补偿方法 v温度补偿温度补偿 v设置校正具设置校正具 应用校正具校正液位应用校正具校正液位 (a) (a) 固定式校正具物位检测固定式校正具物位检测 (b)(b)活动式校正具物位检测活动式校正具物位检测 8:39:59 8:39:59 超声波物位变送器超声波物位变送器 8:40:00 v 射线源和被测介质确定后，射线源和被测介质确定后，I0和和是常数，测量通是常数，测量通 过介质后的射线强度过介质后的射线强度I，

25、就可以得出被测介质的厚度，就可以得出被测介质的厚度H 第5节 射线式物位检测 一、检测原理一、检测原理 v当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质吸当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质吸 收，所穿透的射线强度随所通过的介质厚度增加而收，所穿透的射线强度随所通过的介质厚度增加而 减弱，变化规律为：减弱，变化规律为： 0 H II e 介质对射线的吸收系数介质对射线的吸收系数 8:40:00 v不受不受温度、压力、湿度、粘度和流速等温度、压力、湿度、粘度和流速等被测介质性被测介质性 质和状态的影响；可以穿透各种介质进行非接触式测质和状态的影响；可以穿透各种介质进行非接触式测 量；适合于特殊

26、场合或恶劣环境下的物位测量；使用量；适合于特殊场合或恶劣环境下的物位测量；使用 时应注意控制剂量，做好防护时应注意控制剂量，做好防护 二、检测系统二、检测系统 v由射线源、探测器和电子线路组成由射线源、探测器和电子线路组成 射线源：射线源：射线（射线（Co60和和Cs137） 探测器：将接收到的射线强度转变为电探测器：将接收到的射线强度转变为电 信号信号 电子线路：将探测器输出的脉冲信号处电子线路：将探测器输出的脉冲信号处 理并转换为统一的标准信号理并转换为统一的标准信号 三、特点三、特点 8:40:00 液位计种类液位计种类作用原理作用原理主要特点主要特点 静静 压压 式式 玻璃管玻璃管液位

27、计液位计 连通器原理连通器原理 结构简单、价格低廉，结构简单、价格低廉， 易损坏，读数不明显易损坏，读数不明显 压力表压力表液位计液位计 液位高度与液柱静压液位高度与液柱静压 成正比成正比 适用于敞口容器，使用适用于敞口容器，使用 简单简单 压差式压差式液位计液位计 基于液位升降时能造基于液位升降时能造 成液柱差的原理成液柱差的原理 敞口容器或密闭容器都敞口容器或密闭容器都 能使用，但要注意能使用，但要注意“零零 点迁移点迁移”问题问题 浮浮 力力 式式 浮子式浮子式液位计液位计 浮子浮于液体中随液浮子浮于液体中随液 面变化而升降面变化而升降 结构简单、价格低廉结构简单、价格低廉 浮筒式浮筒式

28、液位计液位计 浮筒在液体中受到浮浮筒在液体中受到浮 力而产生的位移与液力而产生的位移与液 位变化成正比位变化成正比 结构简单、价格低廉结构简单、价格低廉 液位检测仪表的种类及特点液位检测仪表的种类及特点 液位计种类液位计种类作用原理作用原理主要特点主要特点 电电 气气 式式 电容式电容式液位计液位计 置于液体中电容，其置于液体中电容，其 值随液位高低而变化值随液位高低而变化 测量滞后小，能远距测量滞后小，能远距 离传输，但离传输，但z z线路复线路复 杂，价格高杂，价格高 电接点式电接点式液位计液位计 应用电极等电装置，应用电极等电装置， 当液面超过规定值时，当液面超过规定值时， 发出电信号发

29、出电信号 不能连续测量，用于不能连续测量，用于 要求不高的场合要求不高的场合 超声波超声波液位计液位计 利用超声波在气体和利用超声波在气体和 液体中的衰减程度、液体中的衰减程度、 穿透能力和辐射声阻穿透能力和辐射声阻 抗等各不相同的性质抗等各不相同的性质 非接触测量，准确性非接触测量，准确性 高，惯性小，但成本高，惯性小，但成本 高高 液位检测仪表的种类及特点液位检测仪表的种类及特点 第6节 应用实例 系统水箱水位、锅炉汽包水位的测量系统水箱水位、锅炉汽包水位的测量 系统水箱水位和运行平稳的底压锅炉汽包水位系统水箱水位和运行平稳的底压锅炉汽包水位 可以用简单的连通管液位计、电极式水位计和电接可

30、以用简单的连通管液位计、电极式水位计和电接 点水位计测量。连通管液位计是在水箱或汽包上设点水位计测量。连通管液位计是在水箱或汽包上设 置连通管，将水箱或汽包的水位等高地显示在与汽置连通管，将水箱或汽包的水位等高地显示在与汽 包连通的玻璃管中。常用的连通管液位计有管式和包连通的玻璃管中。常用的连通管液位计有管式和 板式两种。板式两种。 8:40:00 系统水箱水位、锅炉汽包水位的测量系统水箱水位、锅炉汽包水位的测量 管式管式 板式板式 8:40:00 电极式液位计 v利用液体导电原利用液体导电原 理制成，是一种理制成，是一种 简易液位计。工简易液位计。工 作原理见图作原理见图 电极式液位计工作原理图电极式液位计工作原理图 8:40:00 8:4