料位计种类及实际应用

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 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。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。 物位检测的目的物位检测的目的

2、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。程监测中物位检测占有重要的地位。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

3、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。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

4、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。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： 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

5、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

6、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物当液位变化，园筒形电极一部份被物料浸没，浸没深度料浸没，浸没深度H H， 极板间存在两极板间存在两种介质的介电常数种介质的介电常数1 (1 (原设有中间介原设有中间介质介电常数质介电常数) )、2 (2 (被测物料的介电被测物料的介电常数常数) ,)

7、 ,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电介质用电容式物位计电容式物位计电容式物位计2lndDCH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00dDHdDHdDHCln2ln2ln200电容式物位计电容式物位计绝缘套管的介电常数常数被测液位上方空气介电为容器内径设21iR电容导电液和内电极构成的电容容器和绝缘套管构成的极构成的电容绝缘套管外表面和内电)/ln(2)/ln()(2)/ln()(222121211rRHCRRHLCrR

8、HLCi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。c11c12c2111212,CCRRi且电容式物位计电容式物位计)/ln(2)/ln(2)/ln(2211221rRHRRHRRLCCCii总电容rRRRi，12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加随液位的升高而线性增电容增量总电容kHCCkHCrRHRRLCi0021C)/ln(2)/ln(2电容式物位计电容式物位计检测电路：检测电路：

9、电容式物位计主要由电极（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

10、响大，反而不利于检测。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CUCKCCCCCUCCCjCjUCjCjCjUCjUCCCCCCCxxxx则电桥平衡，输出电压时，有为电容检测元件，设当03212332120 x0231x0111111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：C1C2C3Cxuo交 流为常数时，当电容增量说明：K)(K0032120 xxxxCCCCCCCCCCC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、

11、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HKdDHCCCi00)/ln()( 2若被测介质是粘性非导电若被测介质是粘性非导电液体，其测量结果也会受液体，其测量结果也会受到到虚假液位虚假液位的影响

12、，但一的影响，但一般很小，可以般很小，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库钢筋仓库钢筋作为容器的两极，以测量非导电物料的料位

13、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。HKdDHCCCi00)/ln()( 2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、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

14、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电容式物位计电容式物位计1ggZRj C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）：）：ggCR1电容式物位计电容式物位计ggCR1当：当：进行测量。进行测量。),.2 , 1(

15、24nkkt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气介声速气介声速测量盲区约测量盲区约1m1m 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 00tthh vth002vth2tt0hh0 发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位发射接收高频电磁波，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。H HH H导导波波管管vtH21雷达液位计雷达液位计

16、导波雷达液位计导波雷达液位计德国德国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

17、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窗，高灵敏性高灵敏性，动态响应达动态响应达 140 dB 。t t发射脉冲发射脉冲接收脉冲接收脉冲计数时钟计数时钟N个N个若计数时钟频率为若计数时钟频率

18、为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有收脉冲瞬间停止计数，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fNt vtH21vtH21由由得得fvtvH22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8103vGHzHzf1001011psst101011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！ 被测信号

19、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628.0000008 10fMHzHz2125000T

20、ps采样时钟采样时钟618.0001568.000156 10fMHzHz相应的，相应的，1124997.6Tps0212.4tTTps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？pstt6 . 940pst6 . 9mhD182. 6psvhtDD3 .41213103182. 6228tntD05.42936 . 93 .41213ttnD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

21、可测出，即可测出tD，进而求出，进而求出hD。mspst16. 242944125000需时需时2125000Tps1124997.6Tps验验 算算n=4293n=4293n=4294n=4294mvth9118. 6106 . 942931032121128mvth4318. 6106 . 942941032121128今测得今测得n=23654,n=23654,求求h:h:mvth062.34106 . 9236541032121128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率之差stssTBkktkffTtT2212

22、10：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当Rvth21kftdRtfrf时间差时间差RtdfdsSdRfBvTTBfvtvh422121液位高度液位高度stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当连续波调频法连续波调频法ftfrf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