辽宁石油化工大学化工自动化及仪表第8章 物位检测及仪表

1、第第8章章 物位检测及仪表物位检测及仪表 8.1 物位的定义及物位检测仪表的分类物位的定义及物位检测仪表的分类 8.2 常用物位检测仪表常用物位检测仪表 8.3 影响物位测量的因素影响物位测量的因素 8.4 物位检测仪表的选型物位检测仪表的选型 8.1 物位的定义及物位检测仪表的分类物位的定义及物位检测仪表的分类 8.1.1 物位的定义 物位物位通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定义。 （1） 液位液位 指设备和容器中液体介质表面的高低。 （2） 料位料位 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） 界位界位 指相界面位置。容器中

2、两种互不相容的液体，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分界面，为液-固相界面； 液-液、液-固相界面的位置简称界位。 物位物位是液位、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。 8.1.2 物位检测仪表的分类 （1） 直读式物位检测仪表直读式物位检测仪表 采用侧壁开窗口或旁通管方式 ，直接显示容器中物位的高度。 （2） 静压式物位检测仪表静压式物位检测仪表 基于流体静力学原理，适用于 液位检测。 （3） 浮力式物位检测仪表浮力式物位检测仪表 其工作原理基于阿基米德定律 ，适用于液位检测。 （4） 机械接触式物位检测仪表机械

3、接触式物位检测仪表 通过测量物位探头与物料 面接触时的机械力实现物位的测量。 （5） 电气式物位检测仪表电气式物位检测仪表 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。 （6） 其他物位检测方法其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤 式仪表等。 8.2 常用物位检测仪表常用物位检测仪表 静压式物位检测仪表 浮力式物位检测仪表 其他物位检测仪表 8.2.1 静压式物位检测仪表 静压式检测方法的测量原理如图8-1 H a p b p 图8-1 静压式液位计原理图 设容器上部空间的气体压力为 a p 选定的零液位处压力为 b

4、 p 则自零液位至液面的液柱高H ， ， ， 所产生的静压差 p 可表示为： gHppp ab 当被测介质密度不变时，测量差压值P或液位零点位 置的压力Pb，即可以得知液位。 （8-1） 1.压力和差压式液位计 图8-3 压力计式液位计示意图 图8-2 差压式液位计示意图 气 p 将差压变送器的一端接液相，另一端接气相 pp gHpp 2 1 因此gHppp 21 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8-3所示。 1) 零点迁移问题 在使用差压变送器测液位时，一般来说， 这就属于一般的零点“无迁移”情

5、况，当H=0时，作用在正 负压室的压力相等。 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。 gHp （1）负迁移 在实际液位测量时，液位H与压差P的关系不那么简 单。如图8-4所示，为防止容器内液体或气体进入变送器而 造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在差 压变送器正、负压室与取压点之间安装有隔离灌，并充有隔 离液。若被测介质密度为1，隔离液密度为2 0112 pgHghp 022 pghp (8-2) (8-3) BgHghhgHppp 12121 )( (8-4) 0H0)( 212 ghhp， 有零点迁移，且属于“负迁移” 。 1 h H 0

6、p 1 2 2 p p 2 h 图8-4 负迁移测量液位原理图 0 pgHghp 0 pp CgHghgHppp （8-5） 由此可得正、负压室的压差为： （8-7） （8-6） 当H=0时，P=+C，即正压室多了一项附加压力C，这时变 送器输出应为4mA。画出此时变送器输出和输入压差之间的 关系，就如同图8-6曲线c所示。 （2）正迁移 由于工作条件不同，有时会出现正迁移的 情况，如图8-5所示。由图可知： 图8-5 正迁移示意图 4 20 mAI / p H 0 abc CB 图8-6差压变送器的正负迁移示意图 2）用法兰取压式差压变送器测量液位 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶 颗粒以及

7、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隔离膜盒的法兰式差压变 送器送器，如图8-7所示。作为敏感元件的测压 头1（金属膜盒），经毛细管2与变送器3的 测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所 图8-7 法兰式液位计示意图 1-法兰测压头；2-毛细管；3-变送器 组成的封闭系统内充有硅油，作为传 压介质，并使被测介质不进入毛细管 与变送器，以免堵塞。 法兰式差压变送器按其结构形式的不同又分为单法兰 式及双法兰式两种。容器与变送器间只需一个法兰将管路 接通的称为单法兰差压变送器，而对于上端和大气隔绝的 闭口容器，因上部空间与大气压力多半

8、不等，必须采用两 个法兰分别将液相和气相压力导致差压变送器，如图8-7所 示，这就是双法兰差压变送器。 8.2.2 浮力式物位检测仪表 1. 浮子式液位计 浮子式液位计是一种恒浮力式液位计。作为检测元件 的浮子漂浮在液面上，浮子随着液面的变化而上下移动， 其所受浮力的大小保持一定，检测浮子所在位置可知液面 高低。浮子的形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等，其结 构要根据使用条件和使用要求来设计。 2 4 D Fhg （8-8） 此浮力与浮子的重量减去绳带向 上的拉力相平衡。当液位发生变化时 ，浮子浸入液体的深度将改变，所受 浮力亦变化。浮力变化F与液位变化 H的关系可表示为： 4 2 D g H

9、F （8-9） 图8-8浮子重锤液位计 1-浮子；2-滑轮；3-平衡重锤 重锤式直读浮子液位计 浮子通过滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重 量及浮力相平衡，以维持浮子处于平衡状态而漂在液面上，平 衡重锤位置即反映浮子的位置，从而测知液位。若圆柱形浮子 的外直径为D、浮子浸入液体的高度为h、液体密度为。则其 所受浮力F为： 由于液体的黏性及传动系统存在摩擦等阻力，液位变化只有 达到一定值时浮子才能动作。按式(8-9)，若F等于系统的 摩擦力，则式(8-9)给出了液位计的不灵敏区，此时的F为 浮子开始移动时的浮力。选择合适的浮子直径及减少摩擦阻 力，可以改善液位计的灵敏度。 8.2.3

10、 其他物位检测仪表 1. 电容式物位计 电容式物位计的工作原理工作原理基于圆筒形电容器的电容值随 物位而变化。 这种物位计的检测元件是两个同轴圆筒电极组成的 电容器，见图8-9(a)，其电容量为： )d/Dln( L2 C 1 0 （8-12） 图8-9 电容器的组成 1内电极；2外电极 （8-10） (a) (b) 图8-10 电容式物位计的测量原理图 )/ln( )(2 )/ln( 2 12 dD HL dD H C （8-11） 则电容量的变化C为： KHH dD CCC )/ln( )(2 12 0 (8-12) 测量电容变化量即可得知物位。 当圆筒形电极的一部分被物料浸没时，极板间存

11、在的两种介质 的介电常数将引起电容量的变化。设原有中间介质的介电常数 为1，被测物料的介电常数为2，电极被浸没深度为H，如图8- 10（b）所示，则电容变化为： 图8-11 非导电液体液位测量 1-内电极；2-外电极；3-绝缘套 图8-12 非导电固体料位测量 1-金属棒内电极；2-金属容器外电极 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。 图图8-12所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。所示为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电容量变化与料位升降的关系

12、为 d D H CX ln 2 0 （8-13） 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 维修；价格较低。 如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质 在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等 2. 核辐射式物位计 核辐射式物位计核辐射式物位计是利用放射源产生的核辐射线（通常为 射线）穿过一定厚度的被测介质时，射线的投射强度将随 介质厚度的增加而呈指数规律衰减的原理来测量物位的。射 线强度的变化规律为： H eII 0 （8-14） 图8-13核辐射物位 计测量示意图 1-射线源；2-接收器 适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏 滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量 高温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。 称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪 该计量仪既能将该计量仪既能将，又能反映出罐中，又能反映出罐中 。 图8-14 称重式液罐计量仪 1下波纹管；2上波纹管；3 液相引压管；4气相引压管； 5砝码；6丝杠；7可逆电机；