化工仪表自动化 第3章4节

1、1 1书名:过程控制系统及仪表(第3版)出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元23-5 3-5 物位测量仪表物位测量仪表物位检测方法2概述3 1静压式液位计静压式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计电容式物位计电容式物位计其他物位测量仪表3 33

2、o物位的定义：物位的定义：n“物位物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。置。n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。o1、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。、液位指设备和容器中液体介质表面的高低。o2、料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状、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。固体物料的堆积高度。o3、界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，、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，为液因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中液相

3、界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。固相界面。液液-液、液液、液-固相界面的位置简称界位。固相界面的位置简称界位。n物位是液位、料位、界位的总称。物位是液位、料位、界位的总称。n对物位进行测量、指示的仪表，称物位检测仪表。对物位进行测量、指示的仪表，称物位检测仪表。一、概述一、概述4一、概述一、概述o物位检测仪表的分类：物位检测仪表的分类：n由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有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，以很大差别，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

4、求。满足不同生产过程的测量要求。n按测量方式分类：按测量方式分类：可分为连续测量和定点测量两可分为连续测量和定点测量两大类。大类。o连续测量方式能持续测量物位的变化。连续测量方式能持续测量物位的变化。o定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或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某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关物位开关。n按工作原理分类按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、浮力，物位检测仪表有直读式、浮力式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。5o1、直读式物位检测仪表、直读式物位检测仪表n采用侧壁开窗口

5、或旁通管方式，直接显示容器中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，但是只能就地指物位的高度。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。示。主要用于液位检测和压力较低的场合。o2、静压式物位检测仪表、静压式物位检测仪表n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。n容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成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，通过测量参比例关系，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。考点的压力可测知液位。n这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型

6、式。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。一、概述一、概述6o3、浮力式物位检测仪表、浮力式物位检测仪表n其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检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测。漂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，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。从而可以检测液位。n这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。等。 o4、电磁式物位仪表、电磁式物位仪表n是将物位变化转换为电量的变化，并通过对电量变是将物位变化转换为电量的变化，并通过对电量

7、变化的测量间接测知物位。化的测量间接测知物位。一、概述一、概述7o5、声波式物位仪表、声波式物位仪表: 基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到返回的时间推算物位的高度。o6、辐射式物位仪表、辐射式物位仪表: 利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质的厚度而衰减的原理测量物位。一、概述一、概述8二、二、物位检测方法物位检测方法2.1 2.1 静压式液位计静压式液位计 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生的静压力成正比的原理进行工作的。 A A、敞口容器的液位测量原理图：、敞口容器的液位测量原理图：9p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

8、位的关系为 p = gH 式中p 容器内取压平面上由液柱产生的静压力； 容器内被测介质的密度；g 重力加速度。H 从取压平面到液面的高度；10B、在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上、在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测液位，如图所示。测液位，如图所示。 11 p差压变送器的高压侧与容器底部的取压管相连，差压变送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。低压侧与液面上方容器的顶部相连。p如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压变如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压变送器

9、高，低压侧所感受的压力分别为：送器高，低压侧所感受的压力分别为： 12o差压变送器所受的压差差压变送器所受的压差 p因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算出液位的高度出液位的高度13特点：o利用静压原理测液位，就是把液位测量分别利用静压原理测液位，就是把液位测量分别转化为压力或差压测量。转化为压力或差压测量。o各种压力和差压测量仪表，只要量程合适，各种压力和差压测量仪表，只要量程合适，都可用来测量液位。都可用来测量液位。o分别叫压力式液位计和差压式液位计。分别叫压力式液位计和差压式液位计。14*2 零点迁移问题零点迁移问题p由差压式液位计的测量

10、原理可知，液柱的静压差由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差 P 与与液位高度液位高度 H 满足式满足式 的条件是：的条件是： （1）差压变送器的高压室取压口正好与起始液）差压变送器的高压室取压口正好与起始液 面（面（ H =0）在同一水平面上；）在同一水平面上； （2）差压变送器低压室的导压管中没有任何气体）差压变送器低压室的导压管中没有任何气体 的冷凝液存在；的冷凝液存在； （3）被测介质的密度保持不变。）被测介质的密度保持不变。 p在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的无迁移工作状态。假定采用输出为作状态。假定采用输出为 4mA 20

11、mA 的差压变送的差压变送器器,当当 H 0 时，变送器输入时，变送器输入 p 0 ，输出电流为，输出电流为4mA ；当液位到上限，变送器输入；当液位到上限，变送器输入p=Hmaxg，输，输出电流出电流20mA 。15o在实际应用中，差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上，如图所示。16这时差压变送器高低压室所受压力分别为： 高低压室所受的压差为： p与无迁移情况式相比，式（与无迁移情况式相比，式（3-33 ）中多出一项）中多出一项 hg ，即在高压室增加了一个恒定的静压，即在高压室增加了一个恒定的静压 hg。由于此项的存在，使得当由于此项的存在，使得当 H =0时，时， p =

12、hg ，此时的变送器输出必然大于此时的变送器输出必然大于 4mA 。17零点迁移功能零点迁移功能o为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。使得当抵消静压影响。使得当 H =0， p = hg 时，变送器输出为时，变送器输出为 4mA 。o*正迁移：正迁移：在上图这种工作状态下，变送器的起始输入点由在上图这种工作状态下，变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因此称为正迁移。零点变为一个正值，因此称为正迁移。18o*负迁移：负迁移：在工程中还经常遇到负迁移的情况，如

13、图所示。在工程中还经常遇到负迁移的情况，如图所示。若被测液体的密度为若被测液体的密度为 1 ，隔离液的密度为，隔离液的密度为 2，且且 1 2 ，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：19o高低压室所感受的压差为 o与无迁移情况相比较，总的差压减少了与无迁移情况相比较，总的差压减少了 (h2-h1)2g，即相当于在低压室增加，即相当于在低压室增加 了一个恒定了一个恒定的静压。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 ）pg , 此时变送器的输此时变送器的输出必然小于出必然小于 4mA ，当，当 H =Hmax时，变

14、送器的时，变送器的输出也达不到输出也达不到 20mA 。20零点迁移功能零点迁移功能o为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无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这静压力的影响，使得的零点迁移功能来抵消这静压力的影响，使得当当 p =（h2 h1）g 时，变送器的输时，变送器的输出为出为 4mA 。o变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这种情况就是负迁移。种情况就是负迁移。21p 针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围为 0 5kPa ，且零

15、点通过迁移功能抵消的固定静压分别为 2kPa 和-2kPa，则这台差压变送器零点迁移特性曲线如图 3-35 所示。 22二、二、物位检测方法物位检测方法o2.2磁浮子式液位计磁浮子式液位计 磁浮子式液位计是一种浮力式液位计，利用浮力原磁浮子式液位计是一种浮力式液位计，利用浮力原理，靠漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位理，靠漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位的变化。的变化。23磁浮子式磁浮子式液位越限报警液位越限报警采用图采用图3-373-37所示所示：结构特点：上下限结构特点：上下限报警液位处装两个报警液位处装两个舌簧管，并由导线舌簧管，并由导线引出至报警装置。引出至报警装置。

16、24o磁浮子式就地指磁浮子式就地指示型液位计示型液位计o磁翻板液位计磁翻板液位计o磁滚柱液位计磁滚柱液位计结构特点：结构特点：将液体引入装有磁将液体引入装有磁浮子的钢管内，由浮子的钢管内，由连通器原理，内外连通器原理，内外液面一致。液面一致。同性相斥同性相斥 异性相吸异性相吸25o磁浮子式液位计的特点是结构简单，设计合理，显示清晰直观。主要用于中小容器和生产设备的液位或界面的测量。26o恒浮力法测量液位的原理：27二、二、物位检测方法物位检测方法o2.3、电容式物位计、电容式物位计工作原理工作原理电容式物位计是将被测介质料位的变化转化成电容量的变化，并通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信

17、号输出。电容式物位计大致可分成三种工作方式。28RLHL29图图 （a）适用于立）适用于立式圆筒形导电容器，式圆筒形导电容器，非导电液体或固体非导电液体或固体粉末的物位测量。粉末的物位测量。在这种应用中，器在这种应用中，器壁为电容的外电极，壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，沿轴线插入金属棒，作为内电极。作为内电极。总电容由上部空气总电容由上部空气电容和下部物料电电容和下部物料电容构成。容构成。30图图 （b）适用于非金属）适用于非金属容器，物料为非导电性容器，物料为非导电性液体的液位的测量。液体的液位的测量。中心棒状电极的外面套中心棒状电极的外面套有同轴金属筒，通过绝有同轴金属筒，通过绝缘支

18、架固定，金属筒的缘支架固定，金属筒的上下开口，使筒内外的上下开口，使筒内外的液位相同。液位相同。中央圆棒与金属套筒构中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容介质成两个电极，电容介质为气体和液体物料。这为气体和液体物料。这样电容与容器的形状无样电容与容器的形状无关，只取决于液位的高关，只取决于液位的高低。低。31图图 （c）适用立式圆筒）适用立式圆筒形导电容器，且物料为形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。导电性液体的液位测量。中央圆棒电极包有绝缘中央圆棒电极包有绝缘材料，作为介质，导电材料，作为介质，导电液体和容器壁共同作为液体和容器壁共同作为外电级。外电级。总电容由绝缘材料介电总电容由绝缘材

19、料介电常数和液位高度构成。常数和液位高度构成。32电容式物位计特点：电容式物位计特点：电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点。位，具有结构简单，安装要求低等特点。但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。值，严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。当精度要求较高时，应采用

20、修正措施。33三、三、 其他物位测量仪表其他物位测量仪表1 超声波物位仪表超声波物位仪表n一般把超过一般把超过20kHz的声波称为超声波。声频越的声波称为超声波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。质中衰减也越大。n超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，收下来，测出超声脉冲

21、从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。液位表面的距离，从而确定物位的高度。34H为传播速度vvtH,2135o超声波物位计的特点：n无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；n不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；n适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；n测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。36三、三、 其他物位测量仪表其他物位测量仪表o2、核辐射式物位仪表、核辐射式物位仪表n核辐射式物位

22、仪表是根据被测物质对放射线的吸收、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。散射等特性而设计制造的。n不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过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，会使射线一定的被测介质时，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。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。n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为射入为射入物质前的辐射强度

23、；物质前的辐射强度；为物质的吸收系数为物质的吸收系数 ；H为介质为介质层厚度。层厚度。3738o核辐射式物位计的特点：核辐射式物位计的特点：n属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。等各种容器中液体或固体物料的物位测量。n可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。劣的工作条件。n其放射性安全防护措施需按有关规范操作。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。39课程小结物位测量：物位测量：p

24、了解了解各类物位计的工作原理；各类物位计的工作原理；p重点掌握重点掌握静压式液位测量的基本原理和零点迁静压式液位测量的基本原理和零点迁移内容，熟悉迁移概念、迁移量及判断正、负移内容，熟悉迁移概念、迁移量及判断正、负迁移、会计算量程等。迁移、会计算量程等。40p作业题：做作业二（word附件2）41电信学院自动化系先进控制技术研究所电信学院自动化系先进控制技术研究所4242内容简介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。

25、因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。 第第3版版2010-07第第2版版出版日期：出版日期：2006-08-01 4343目录 第1篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1

26、 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性

27、分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题 第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送

28、器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计4444 3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表 3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过程控制仪表4.1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例

29、积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板 4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与发展4.4.2 可编程控制器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5.1 概述5.2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节

30、机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题4545 第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变量的选择6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问题的措施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级控制系统的整定 7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均