自动检测技术7.物位

1、7. 7. 物位检测物位检测7.1 概述7.2 常有物位检测仪表测量物位的两个目的测量物位的两个目的：一是通过测量物位来确定容器或：一是通过测量物位来确定容器或储罐里的原料、半成品或成品的数量，以保证生产中各储罐里的原料、半成品或成品的数量，以保证生产中各环节之间的物料平衡或进行经济核算；二是通过物位测环节之间的物料平衡或进行经济核算；二是通过物位测量可以及时了解生产的运行情况，以便将物位控制在一量可以及时了解生产的运行情况，以便将物位控制在一个合理的范围内，保证安全生产以及产品的数量和质量。个合理的范围内，保证安全生产以及产品的数量和质量。7.1.1物位的定义物位的定义物位指设备和容器中物料

2、的表面位置物位指设备和容器中物料的表面位置液位：液位：容器中液体介质液面的高低容器中液体介质液面的高低界面：界面：两种液体介质的分界面的高低两种液体介质的分界面的高低料位：料位：固体块状、颗粒、粉末状物质的堆积高度固体块状、颗粒、粉末状物质的堆积高度7.1概述 7.1.2常用物位检测方法常用物位检测方法按测量方式分按测量方式分：连续测量连续测量连续测量物位的变化；连续测量物位的变化；定点测量定点测量只检测物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，这只检测物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，这种定点测量用的仪表被称为种定点测量用的仪表被称为物位开关物位开关。一般用来监视、报警、输出。一般用来监

3、视、报警、输出控制信号。控制信号。按工作原理分：按工作原理分：直读式直读式根据流体的连通性（根据流体的连通性（侧壁窗口、旁通管侧壁窗口、旁通管）原理来测量液位。）原理来测量液位。 静压式静压式根据流体静力学原理，根据液柱或物料堆积高度变化对某根据流体静力学原理，根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的点上产生的静（差）压力的变化静（差）压力的变化的原理测量物位。的原理测量物位。 浮力式浮力式根据阿基米德定律，根据阿基米德定律，浮子高度浮子高度随液位高低而改变来测量液随液位高低而改变来测量液位（位（恒浮力式恒浮力式）或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的）或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）

4、的浮力浮力变化变化来测量液位（来测量液位（变浮力式变浮力式）。）。电气式电气式根据把物位变化转换成各种根据把物位变化转换成各种电量变化电量变化的原理来测量物位。的原理来测量物位。 机械接触式机械接触式通过测量探头与物料面接触时的机械力来测量。通过测量探头与物料面接触时的机械力来测量。 另外还有：另外还有：辐射式、辐射式、声学式、光学式、射线式声学式、光学式、射线式微波式、微波式、 激光式、激光式、 射流式、射流式、 光纤维式光纤维式等等。等等。7.2常有物位检测仪表7.2.1静压式液位计静压式液位计1.测量原理测量原理根据液体的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理。根据液体的液位与液柱高度产

5、生的静压力成正比的原理。图（图（a）为）为敞口容器敞口容器，将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压，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为力与液位的关系为P=P=HgHg ，H=P/H=P/gg 图图(b)(b)为为密闭容器密闭容器，差压液位传感器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧，差压液位传感器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连。差压传感器高、低压侧所感受的压力分别为与液面上方容器的顶部相连。差压传感器高、低压侧所感受的压力分别为 P P高高= =P P气气+ +H Hgg ， P P低低= = P P气，气，压差为压差

6、为P=P= P P高高- - P P低低= = H Hgg ，H=P/H=P/gg 综上所述，利用综上所述，利用静压原理测液位，就是把液位测量转化为压力或差压测量静压原理测液位，就是把液位测量转化为压力或差压测量，所以，所以各种压力或差压式测量传感器都可以用来测量液位。各种压力或差压式测量传感器都可以用来测量液位。 但是，当液但是，当液位零面与检测仪位零面与检测仪表的取压口不在表的取压口不在同一水平高度时，同一水平高度时，会产生附加的静会产生附加的静压误差。就需要压误差。就需要进行进行零点迁移。零点迁移。差压变送器上测得的差压为：差压变送器上测得的差压为：120pppghgh 为了使液位的零点

7、和满量程仍能与差压变为了使液位的零点和满量程仍能与差压变送器的输出下限和上限相对应，就必须克送器的输出下限和上限相对应，就必须克服固定差压服固定差压gh0的影响，采用零点迁移就的影响，采用零点迁移就可实现。可实现。由于由于h0g作用在正压室上，称之为作用在正压室上，称之为正迁移正迁移。通过零点迁移，使差压式液位计的测量范通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为围调整为gh0（gh0+ghmax）（即液位）（即液位从零液面到上限液面），液位计输出为从零液面到上限液面），液位计输出为420mA。 2.零点迁移零点迁移通过通过差压差压计内的迁移弹簧的调整计内的迁移弹簧的调整，对感压元件预加一个作

8、对感压元件预加一个作用力，将用力，将仪表的零点输出仪表的零点输出与与液位零点液位零点对应一致对应一致。 差压变送器差压变送器（1）液位测量的）液位测量的正迁移正迁移取压口低于容器底部取压口低于容器底部2100ABApppphgph ghg液位、差压信号、电流输出信号之间的关系液位、差压信号、电流输出信号之间的关系液位液位h(mm)差变输入差变输入p(kpa)差变输出差变输出I0(mA)无迁移无迁移00（例：例：0mmH2O)）4Hmaxpmax(例：例：5000mmH2O)20正迁移正迁移迁迁移移前前0Hmaxg h0 0（例：（例：2000mmH2O）pmax（pmax +g h0）（例：（

9、例：（5000 +2000）mmH2O）4(例：例：10.4mA)20迁迁移移后后0Hmax(h0=200m)g h0g h0+gHmax(20007000mmH2O)420负迁移负迁移迁迁移移前前0-(1g h11g h0)04Hmaxpmax )，则则12101()pppghg hh （2）液位测量的）液位测量的负迁移负迁移介质有可凝结蒸汽或腐蚀性时介质有可凝结蒸汽或腐蚀性时211101AApphgpphghg对比无迁移情况，对比无迁移情况，P多了一项压力多了一项压力-（h1- h0）1g，它作用在负压室上，它作用在负压室上，称之为称之为负迁移负迁移量。为了迁移掉量。为了迁移掉-(h1-

10、h0)1g的影响，可以调整负迁移弹簧的的影响，可以调整负迁移弹簧的张力来进行负迁移以抵消掉张力来进行负迁移以抵消掉-(h1- h0)1g在负压室内产生的力。在负压室内产生的力。液位计的测量范围调整为液位计的测量范围调整为-(h1- h0)1ghmaxg-(h1- h0)1g （即液位（即液位从零液面到上限液面），液位计输出为从零液面到上限液面），液位计输出为420mA。 例题：如图，例题：如图，解：解：迁移量即测量下限迁移量即测量下限： 3322121950/,1200/,9.8/,5.0 ,1.00 3.0 ,kg mkg mgm shm hmHm液位变化范围求差压液位计量程、迁移量。所以，

11、差压计的量程（大小）所以，差压计的量程（大小）=490Pa-（-34790Pa）35280Pa。迁移量为负迁移迁移量为负迁移= -34.79kPa（结论：迁移只是改变量程范围的上、下限，而不改变量程大小。）（结论：迁移只是改变量程范围的上、下限，而不改变量程大小。）测量上限：测量上限：3.3.安装方式安装方式（1）引压管（压力表）式通过引压管引出正、负压力，）引压管（压力表）式通过引压管引出正、负压力，直接测压；直接测压；（2）法兰式）法兰式应用于具有腐蚀应用于具有腐蚀/结晶结晶/粘度大粘度大/易凝固液体易凝固液体 避免与液体直接接触，省去引压导管避免与液体直接接触，省去引压导管 压力表式液位

12、计压力表式液位计图 法兰式差压变送器测量液位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的法兰式差压变送器，如下图所示。 用差压计检测液位，其取决于测压仪表的精度，以及液体温度对其密度的影响。7.2.2.1.7.2.2.1.浮子式液位计浮子式液位计原理（恒浮力式）原理（恒浮力式）浮子随液面变化而产生位移。浮子随液面变化而产生位移。1.1.钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计是一种最简单的液位计，一般只能是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。就地

13、显示。浮子向下的重力浮子向下的重力 向上的浮力拉力向上的浮力拉力7.2.2浮力式液位计浮力式液位计2.2.磁浮子式液位计磁浮子式液位计测量原理测量原理以磁性浮子为测量元件，经磁耦合装置将容器内液位变化传送到现场指示器或远传。 结构组成结构组成在容器内插入下端封闭的不锈钢管，管内固定一长条形绝缘板，板上紧密排列着舌簧管和电阻。在不锈钢管外套有一个可上下滑动的佛珠形浮子，内中装有环行永磁铁氧体，环行永磁体的两面分别设有N极和S极。当装有环行磁铁的浮子随液位上下移动时，由于磁力线的作用，使得处于管中的舌簧管吸合导通，而其他的舌簧管则处于开路状态。把不锈钢管内的所有电阻和舌簧管按图（b）连接，则随着液

14、位的升降，AC间或AB间的阻值就相继改变。只要配上相应的检测电路，就可将电阻值变为标准的电流信号（在CB间接入恒定的电压，A端可得到与液位高度成比例的电压信号。）特点特点结构简单，显示清晰直观。 7.2.2.2.7.2.2.2.浮筒式液位计浮筒式液位计原理（变浮力式）原理（变浮力式）当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位变化量。化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位变化量。 在达到平衡时：在达到平衡时：浮筒向下的重力弹簧弹性力浮筒向下的重力弹簧弹性力 向上的浮力向上的浮力推导结果：推导结果： H=k x结论

15、：结论：当液位变化当液位变化H时，使浮筒产生时，使浮筒产生位移位移x，浮筒位移浮筒位移x与液位变化与液位变化H成比例关系。成比例关系。检测浮筒位移检测浮筒位移x的方法有多种，如的方法有多种，如差动变压器式差动变压器式、扭力管力平衡式扭力管力平衡式等。等。图中浮筒连杆上装一铁心，随浮筒上下图中浮筒连杆上装一铁心，随浮筒上下移动，经差动变压器转换为与位移成比移动，经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出。例的电压输出。 1- 1-浮筒，浮筒，2-2-弹簧，弹簧，3-3-差动变压器差动变压器7.2.3其它物位计7.2.3.17.2.3.1电容式物位计电容式物位计CCrRHCrRHrRHLC02102

16、1ln2ln2ln2利用敏感元件直接把物位变化转换为电容量变化利用敏感元件直接把物位变化转换为电容量变化组成组成敏感元件电容检测电路敏感元件电容检测电路圆筒形电容器构成圆筒形电容器构成两个长度为两个长度为L L，半径为，半径为R R和和r r圆筒形金属导体组圆筒形金属导体组 成；成；当两圆筒间充以介电常数为当两圆筒间充以介电常数为的介质的介质时，则电容量为：时，则电容量为：R和和r当两圆筒电极的一部分被物料浸没时，极板当两圆筒电极的一部分被物料浸没时，极板间两种介电常数间两种介电常数1 1、 2 2将引起电容量的变化，将引起电容量的变化， ：rRLCln201内电极；2外电极电容式物位计可以测

17、量液位、料位和界位电容式物位计可以测量液位、料位和界位1内电极；2外电极；3绝缘套；4流通小孔对非导电介质的液位测量对非导电介质的液位测量：当液位为零时，其电容为当液位为零时，其电容为 。当液位上升为当液位上升为H H时，电容量变为时，电容量变为对导电介质液位测量对导电介质液位测量：用外包绝缘层的金属用外包绝缘层的金属棒做内电极，外电极即液体介质，液位变化棒做内电极，外电极即液体介质，液位变化引起极板长度的改变。引起极板长度的改变。0 0为为空气介电常数空气介电常数为液体为液体介电常数，电容量的变化为介电常数，电容量的变化为 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间用电容法可以测

18、量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易磨损较大，容易“滞留滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极，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来测量非导电固体料位。1金属电极棒；2容器壁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 料位检测优点：电容物位计的传感部分结构简单、安装使用优点：电容物位计的传感部分结构简单、安装使用方便，价格较低。方便，价格较低。缺点：需借助较复杂的电子线路来检测电容的变化缺点：需借助较复杂的电子线路来检测电容的变化（交流电桥法，充放电法，谐振电路法）。（交流电桥法，充放电法，谐振电路法）。注意：介质浓度、温度变化时能引起

19、其介电系数也注意：介质浓度、温度变化时能引起其介电系数也发生变化的情况。发生变化的情况。 7.2.3.27.2.3.2超声波物位计超声波物位计工作原理工作原理是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。如果超声探头到液面的距离为如果

20、超声探头到液面的距离为H，声波在水中的传播速度为，声波在水中的传播速度为v则：则：分类分类按传声介质分气介式、液介式、固介式按传声介质分气介式、液介式、固介式tvH21 气介式气介式 液介式液介式 固介式固介式 超声波（高于超声波（高于20kH20kHZ Z的声波），方向性强，在气、液、固体中传播，的声波），方向性强，在气、液、固体中传播，传播速度与衰减不同，在穿过相界面时几乎为全反射。传播速度与衰减不同，在穿过相界面时几乎为全反射。超声波的接收和发射超声波的接收和发射原理原理基于压电效应和逆压电效应；基于压电效应和逆压电效应；压电晶体压电晶体当压电晶体受到外力（声波声压）作用时，晶体两端将当压电晶体受到外力（声波声压）作用时，晶体两端将会产生与外力同步变化的极性相反的电荷；反之，将交变电压加在会产生与外力同步变化的极性相反的电荷；反之，将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿晶体厚度方向将产生与所加交变电压同晶体两个端面的电极上，沿晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波；频率的机