3第三章(4) 物位测量

1、1化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 2第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 65一、概论一、概论液位 料位液位计 界位计直读式物位仪表 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3一、定义及检测方法分类一、定义及检测方法分类物位的物位的定义定义：“物位物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。对应不同性质的物料又有以下的定义。n1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。n2、料位指设备和容器中所储存的块状、

2、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。n3、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分界面，为液-固相界面。n液-液、液-固相界面的位置简称界位。4一、定义及检测方法分类一、定义及检测方法分类物位的物位的定义定义：物位是物位是液位、料位、界位的总称液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪物位检测仪表表。5物位测量的意义及目的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；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

3、工艺要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。位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。所以，一般测量物位有所以，一般测量物位有两种目的两种目的：(1)一种是对物位测量的一种是对物位测量的绝对值要求非常准确绝对值要求非常准确，借以确定容器，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；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另一种是对物位测量的相对值要求非常准确相对值要求非常准确，要能迅速，要能

4、迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控正确反映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。制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。6一、定义及检测方法分类一、定义及检测方法分类物位检测仪表的物位检测仪表的分类分类：由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大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。生产过程的测量要求。物位检测仪表按物位检测仪表按测量方式测量方式可分为可分为连续测量连续测量和和定点测量定点测量两大

5、类。两大类。n连续测量方式能持续测量物位的变化。n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物位开关。按按工作原理工作原理分类，物位检测仪表有分类，物位检测仪表有直读式、静压式、直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式浮力式、机械式、电气式等。等。7一、一、 定义及检测方法分类定义及检测方法分类（1）直读式物位仪表直读式物位仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位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。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要的高度。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。用于液位检测和

6、压力较低的场合。（2）差压式物位仪表差压式物位仪表基于流体静力学原理，适用于液位检测。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。力可测知液位。这类仪表有这类仪表有压力式压力式和和差压式差压式等型式。等型式。84.1 常用物位检测仪表常用物位检测仪表利用静压原理测量液位：利用静压原理测量液位：1 1、工作原理、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静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱

7、高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。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压力与液位的关系为： 举例说明举例说明93.1 常用物位检测仪表常用物位检测仪表举例说明举例说明10（3）浮力式物位仪表）浮力式物位仪表其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂其工作原理基于阿基米德定律，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。动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。这

8、类仪表有各种这类仪表有各种浮力式液位计浮力式液位计、浮筒式液位计浮筒式液位计等。等。 浮力式液位计：浮力式液位计： 浮力式液位计有两类：浮力式液位计有两类： 恒浮力式：恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计球等液位计. . 变浮力式变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的：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浮力不同来测定液位的高低. .11（4 4）电磁式物位仪表）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

9、也将改变，通过检测这些电量的变气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。化可知物位。 （5 5）辐射式物位仪表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。等特性而设计制造的。（6 6）声波式物位仪表声波式物位仪表（7 7）光学式物位仪表）光学式物位仪表12133.1 常用物位检测仪表常用物位检测仪表恒浮力法测量液位的原理：恒浮力法测量液位的原理：3 3、浮力式物位仪表、浮力式物位仪表143.1 常用物位检测仪表常用物位检测仪表平衡时：平衡时：浮标的重量浮标的重量-浮力浮力=平衡物的重量。平

10、衡物的重量。 即即:W-F=G当液位上升时：当液位上升时： 浮标浸没部分增加，浮力增大，浮标浸没部分增加，浮力增大，W-F P2 ，则变送器高低压室的压力分别为：，则变送器高低压室的压力分别为：334.2 常用物位检测仪表常用物位检测仪表高低压室所感受的压差为高低压室所感受的压差为l与无迁移情况的相比较，总的差压减少了与无迁移情况的相比较，总的差压减少了 ，344.2 常用物位检测仪表常用物位检测仪表即相当于在即相当于在低压室低压室增加了一个恒定的静压增加了一个恒定的静压由于它的存在，使得当由于它的存在，使得当 H =0 时，时， p= -（ h2 - h1 ）p g 此时变送器的输出必然小于

11、此时变送器的输出必然小于 4mA ，当当 H =Hmax 时，变送器的输出也达不到时，变送器的输出也达不到 20mA 。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。就必须借助差压变送器的零点迁移功能来抵消对应关系。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。使得当这静压力的影响。使得当 p =-（ h2- h1）pg 时，变时，变送器的输出为送器的输出为 4mA 。这种情况就是负迁移。这种情况就是负迁移。354.2 常用物位检测仪表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针对上述三种情况，如果

12、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，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分别为+2kPa 和和 -2kPa ，则这台差压变送器零点迁移特性曲线，则这台差压变送器零点迁移特性曲线如图如图 所示。所示。 36第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表图3-40 正负迁移示意图图3-41 正迁移示意图 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。 37特别注意特别注意由上述分析可见，无论是正迁移还是负迁移，均是改变

13、了由上述分析可见，无论是正迁移还是负迁移，均是改变了测量的起始位置测量的起始位置(零点零点)，即，即改变差压计测量范围的上、下改变差压计测量范围的上、下限限，但，但它的量程不变它的量程不变。在差压变送器的规格中，一般需注有是否带正、负迁移装在差压变送器的规格中，一般需注有是否带正、负迁移装置。置。型号后面型号后面加加“A”的为正迁移的为正迁移加加“B”的为负迁移的为负迁移，无，无“A”或或“B”的为无迁移。必须根据现场要求正确选用。的为无迁移。必须根据现场要求正确选用。38第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表3.3.用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位图3-42 法兰式差

14、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 单法兰式单法兰式 双法兰式双法兰式 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隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。 39第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器dDLCln2图3-43 电容器的组成1内电极；2外电极当当 D 和和 d 一定时，电容量一定时，电容量 C C 的大小与的大小与极板的长度极板的长度 L 和介质的介电常数和介质的介电常数的乘积的乘积成比例。成比例。 通过测量电容量的变化可以用来检测液

15、位、料位和两种不同液体的分界面。 40第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表dDLCln200dDHLdDHCln2ln203-44 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 HKdDHCCCiXln200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41第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 电容量的变化与液位高度电容量的变化与液位高度H H成正比。该法是利用被成正比。该法是利用被测介质的介电系数测介质的介电系数与空气介电系数与空气介电系数0 0不等的原理进不等的原理进行工

16、作，（行工作，（- -0 0）值越大，仪表越灵敏。电容器两）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。极间的距离越小，仪表越灵敏。 42第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 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。dDHCXln201金属电极棒；2容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。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为图3-45 料位检测43第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 电容物

17、位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 需借助较复杂的电子线路。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。发生变化这种情况。44分为分为3种工作方式种工作方式Summary45(a)适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末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。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。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

18、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。液位测量。Summary46(b)适用于非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒适用于非金属容器，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。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，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。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，电容的中间介质中央圆棒与金属套筒构

19、成两个电极，电容的中间介质为气体和液体物料。为气体和液体物料。这样组成的电容这样组成的电容Cx与容器的形状无关，只取决于液位与容器的形状无关，只取决于液位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位的测量。极不适于固体物位的测量。Summary47第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表四、核辐射物位计四、核辐射物位计HeII0射线的透射强度随着，具体关系见式（3-63）。（3-633-63）图3-46 核辐射物位计示意图1辐射源；2接受器 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，

20、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。48 四、核辐射物位计四、核辐射物位计核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散核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。射等特性而设计制造的。不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得

21、物位高度。出通过介质射线强度就可获得物位高度。式中式中I为穿过厚度为为穿过厚度为X的物质后的辐射强度；的物质后的辐射强度；I0为射入物为射入物质前的辐射强度；质前的辐射强度；为物质的吸收系数为物质的吸收系数 ；H为介质层厚度。为介质层厚度。49属于非接触测量，属于非接触测量，放射性安全防护措施需放射性安全防护措施需按有关规范操作按有关规范操作。特别注意特别注意50六、光纤式液位计六、光纤式液位计51第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表七、称重式液罐计量仪七、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。21121MgLLAppgHpp12HKHMLAL11

22、2HAM0AMH0杠杆平衡时由于（3-57）代入（3-57）（3-58）如果液罐是均匀截面（3-59）（3-60）52第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表02MKLiAMLAAKKi11图3-51 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；8编码盘；9发讯器式中如果液罐的横截面积A为常数，得将式（将式（3-603-60）代入式（）代入式（3-583-58），得），得02MAKL （3-61）53八、物位测量仪表的选型八、物位测量仪表的选型选用液位和界位测量仪表时，一般需考虑下列几种因素。选用液位和界位测量仪表时，一般需考虑下列几种因素

23、。（1）液面范围和精度要求液面范围和精度要求，仪表的显示方式及其控制功能。，仪表的显示方式及其控制功能。（2）流体特性流体特性。如温度、压力、密度、流体是否污浊、是否含。如温度、压力、密度、流体是否污浊、是否含固体、是否气化、是否有腐蚀性、结晶及粘附等。固体、是否气化、是否有腐蚀性、结晶及粘附等。（3）在测量范围内，）在测量范围内，流体是否受扰动流体是否受扰动。（4）仪表安装场所仪表安装场所。如仪表的安装高度、防爆要求等。如仪表的安装高度、防爆要求等。对于大多数工艺对象的液面、界面测量，选用差压式仪表、对于大多数工艺对象的液面、界面测量，选用差压式仪表、浮力式仪表即可满足要求。当不满足时，则可

24、选用电容式、浮力式仪表即可满足要求。当不满足时，则可选用电容式、核辐射式、称重式液罐、超声波式等液位仪表。核辐射式、称重式液罐、超声波式等液位仪表。在选用料位测量仪表时，则需考虑物料的粒度、安息角及其在选用料位测量仪表时，则需考虑物料的粒度、安息角及其导电性能、料仓的结构形式及测量要求等。测量料位的仪表导电性能、料仓的结构形式及测量要求等。测量料位的仪表通常有电容式、核辐射式、阻旋式、重锤式等几种。通常有电容式、核辐射式、阻旋式、重锤式等几种。541、试述物位测量的意义及目的。、试述物位测量的意义及目的。2、怎样选用物位测量仪表？通常需考虑哪些因素？、怎样选用物位测量仪表？通常需考虑哪些因素？

25、3、在进行液位测量时，法兰式差压变送器和普通差压变、在进行液位测量时，法兰式差压变送器和普通差压变送器相比，有什么优缺点？送器相比，有什么优缺点？4、为什么要用法兰式差压变送器？它有哪几种结构型式？、为什么要用法兰式差压变送器？它有哪几种结构型式？5、“正迁移正迁移”和和“负迁移负迁移”有什么不同？如何判断？有什么不同？如何判断？6. 试述物位计的分类及其工作原理。试述物位计的分类及其工作原理。课堂提问？课堂提问？55课堂提问答案课堂提问答案1、试述物位测量的意义及目的试述物位测量的意义及目的。答：通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物料答：通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物料

26、的体积或重量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持的体积或重量；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。料的平衡。所以，一般测量物位有两种目的：一种是对物位测量的绝所以，一般测量物位有两种目的：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；另一种是对物位测量的相对值料、半成品或成品的数量；另一种

27、是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物要求非常准确，要能迅速正确反映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。表进行监视和控制。562、怎样选用物位测量仪表？通常需考虑哪些因素？、怎样选用物位测量仪表？通常需考虑哪些因素？答：物位包括液位、界位和料位。答：物位包括液位、界位和料位。在选用液位和界位测量仪表时，一般需考虑下列几种因素。在选用液位和界位测量仪表时，一般需考虑下列几种因素。（1）液面范围和精度要求，仪表的显示方式及其控制功能。）液面范围和精度要求，仪表的显示

28、方式及其控制功能。（2）流体特性。如温度、压力、密度、流体是否污浊、是否含固体、是否）流体特性。如温度、压力、密度、流体是否污浊、是否含固体、是否气化、是否有腐蚀性、结晶及粘附等。气化、是否有腐蚀性、结晶及粘附等。（3）在测量范围内，流体是否受扰动。）在测量范围内，流体是否受扰动。（4）仪表安装场所。如仪表的安装高度、防爆要求等。）仪表安装场所。如仪表的安装高度、防爆要求等。对于大多数工艺对象的液面、界面测量，选用差压式仪表、浮力式仪表即对于大多数工艺对象的液面、界面测量，选用差压式仪表、浮力式仪表即可满足要求。当不满足时，则可选用电容式、核辐射式、称重式液罐、超可满足要求。当不满足时，则可选

29、用电容式、核辐射式、称重式液罐、超声波式等液位仪表。声波式等液位仪表。在选用料位测量仪表时，则需考虑物料的粒度、安息角及其导电性能、料在选用料位测量仪表时，则需考虑物料的粒度、安息角及其导电性能、料仓的结构形式及测量要求等。测量料位的仪表通常有电容式、核辐射式、仓的结构形式及测量要求等。测量料位的仪表通常有电容式、核辐射式、阻旋式、重锤式等几种。阻旋式、重锤式等几种。573、在进行液位测量时，法兰式差压变送器和普通、在进行液位测量时，法兰式差压变送器和普通差压变送器相比，有什么优缺点？差压变送器相比，有什么优缺点？法兰式差压变送器法兰式差压变送器适用于测量腐蚀性、结晶性、粘稠性和适用于测量腐蚀

30、性、结晶性、粘稠性和含悬浮物的液体的液面和界面含悬浮物的液体的液面和界面。但是这种仪表比普通的差。但是这种仪表比普通的差压变送器价格贵。另外，有些法兰式液面计毛细管内的充压变送器价格贵。另外，有些法兰式液面计毛细管内的充灌液很容易渗漏掉，而一旦渗漏，用户很难修复。此外，灌液很容易渗漏掉，而一旦渗漏，用户很难修复。此外，法兰式液面计的反应相对普通差压变送器慢，尤其是在天法兰式液面计的反应相对普通差压变送器慢，尤其是在天冷的时候，仪表的灵敏度更低。法兰式液面计的测量范围冷的时候，仪表的灵敏度更低。法兰式液面计的测量范围还受毛细管长度的限制。还受毛细管长度的限制。普通式差压变送器普通式差压变送器对于腐蚀性、结晶性、粘稠性和含悬浮对于腐蚀性、结晶性、粘稠性和含悬浮物的液体的液面、界面测量时有时根本测不了，或者必须物的液体的液面、界面测量时有时根本测不了，或者必须灌隔离液。灌隔离液。而隔离液在使用过程中易挥发，易被冲走，尤而隔离液在使用过程中易挥发，易被冲走，尤其是在测量开始时。因此需不断地调整零点，而差压液面其是在测量开始时。因此需不断地调整零点，而差压液面计调零很繁琐。计调零很繁琐。因此实际应用中用何种液面计，应具体问题具体分析因此实际应用中用何种液面计，应具体问题具体分析584、为什么要用法兰式差压变送器？它有哪几种结构型式？、为什么要用法兰式差压变送器？它有哪几种结构型式