物位测量及仪表

1、物位测量及仪表物位测量及仪表物位测量：物位测量：液位液位气体和液体间的分界面。气体和液体间的分界面。界位界位两种不同液体间的接触面；液体与固体间的两种不同液体间的接触面；液体与固体间的 接触面。接触面。料位料位气体与固体颗粒或粉末的分界面。气体与固体颗粒或粉末的分界面。返回返回1 1、液位检测方法液位检测方法 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法。 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。 间接测量，是将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法等。 1.1直接测量法直接测量法 直接测

2、量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。 玻璃管液位计电接点水位计的水位传感器原理电接点水位计的水位传感器原理 原理：原理：带若干电接点的连通容器，因汽、水导电性能差带若干电接点的连通容器，因汽、水导电性能差别，被水淹没的电接点所在电路处于低电阻别，被水淹没的电接点所在电路处于低电阻( (相当于开相当于开关闭合关闭合) )，因此被水接通的电接点位置可表示水位。，因此被水接通的电接点位置可表示水位。电接点导通的显示方法：电接点导通的显示方法：灯泡闪亮，带放大器的发光二灯泡闪亮，带放大器的发光二极

3、管等。极管等。 测量筒和汽包相连，据连通器力平衡原理从汽包内测量筒和汽包相连，据连通器力平衡原理从汽包内取出测量水柱。取出测量水柱。传感器传感器是水柱中组成测量标尺的是水柱中组成测量标尺的系列电系列电极极，将水柱分成若干区间。电极在水中对应点呈绿色，将水柱分成若干区间。电极在水中对应点呈绿色，在汽中对应点呈红色，红绿灯光柱界面显示水位。在汽中对应点呈红色，红绿灯光柱界面显示水位。电接点式水位传感器的结构电接点式水位传感器的结构电接点水位计电接点水位计1汽包汽包 2测量筒测量筒 3下接管下接管 4电接点电接点 电接点15,17,19个，正常水位附近要安装密一些。共有3竖行夹角120显示电路显示仪

4、表： 氖气显示仪表并联分流电阻限流电阻特点： 但指示不连续，两电极间的距离就是仪表的不灵敏区。 接点之间在高度上的间距不是均匀的，在正常水位附近要密一些。1.2 压力法液位压力法液位 压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系： gPH 下图为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。(a) 压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计 对于密闭容器中的液位测量，可用差压法进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对示值的

5、影响，下图示出差压式液位计测量原理。 引压导管易被腐蚀或堵塞，影响测量精度，应用法兰式压力（差压）变送器。敏感元件为金属膜盒，它直接与被测介质接触，省去引压导管，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与变送器的测量室相通，它们所组成的密闭系统内充以硅油，作为传压介质。为了毛细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管。对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质法兰式压力（差压）变送器量程迁移量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。处理方法

6、处理方法对压力变送器进行零点对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静调整，使在只受附加静压力时输出为压力时输出为“零零”。量程迁移量程迁移量程量程迁移迁移无迁移无迁移负迁移负迁移正迁移正迁移Hhn无迁移无迁移保证正压室与零液位等高保证正压室与零液位等高gHP1当当H为零时，差压输为零时，差压输出为零。出为零。差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准信号输出。信号输出。n负迁移负迁移形成原因：加隔离罐或采形成原因：加隔离罐或采用法兰式测压差。用法兰式测压差。1210ghgHPP正压室：正压室：220ghPP负压室：负压室：BgHhhgg

7、HPPP11221)(差压：差压：当当H=0时，差压的输出并不为零，而是时，差压的输出并不为零，而是-B。为使。为使H=0时，时，差变的输出为差变的输出为4mA，就要消除，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。量程迁移实例量程迁移实例 例如：已知例如：已知31/1200mkg32/950mkgmh0 . 11mh0 . 52m0 . 30mL 液位高度变化形成的差压值为：液位高度变化形成的差压值为： 所以可选择差压变送器量程为所以可选择差压变送器量程为40kPaPagH3528038 . 9120

8、01PaghhB372408 . 9950) 15()(212 所以负迁移量为所以负迁移量为37.240kPa，即将差压变送器的零点调为，即将差压变送器的零点调为-37.240kPa。迁移后差变的测量范围为。迁移后差变的测量范围为-37.242.76kPa。n正迁移正迁移011pgHghP正压室：正压室：负压室：负压室：0pP 压差：压差：gHghPPP11当当H=0时，差压输出并不为时，差压输出并不为零，其值为零，其值为ghC1其迁移量为正值，所以称为正迁移。其迁移量为正值，所以称为正迁移。综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变

9、量程的上下限，而量程范围不变。变量程的上下限，而量程范围不变。1.3 浮力法浮力法 恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。 变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位 。 浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。1.3.1 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图为直读式钢带浮

10、子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。1.3.2浮球液位计浮球液位计 电动浮球液位变送器的测量部分由浮球与平衡杆和平衡锤组成力矩平衡机构，因此浮球可以自由地随液位的变化而升降。当液位改变时，浮球的位置发生相应的变化，通过球杆带动主轴转动，表头内角位移传感器与主轴通过齿轮啮合，将液位的变化转换成相应的电信号浮球液位计浮球液位计浮球式液位计浮球式液位计 OBGOAFW )（1. 工作原理工作原理2. 特点特点（1）量程小，受连杆长度和角度限制；）量程小，受连杆长度和角度限制；（2）精度低，最高）精度低，最高0.5级左右；级左右；（3）适用于温度、粘度较高，压力不）适用于温度、粘度较

11、高，压力不 高的液位测量。高的液位测量。W浮球的重力；浮球的重力；G重锤的重力；重锤的重力；OA转轴到浮球中心垂直距离；转轴到浮球中心垂直距离；OB转轴到重锤中心垂直距离。转轴到重锤中心垂直距离。内浮球液位计内浮球液位计H F (W-F) 杠杆顺时针转动杠杆顺时针转动F 返回返回1.3.3磁浮子液位计 磁性浮子、浮球式液位计主要由本体部分、就地指示器、远传变送器以及上、下限液位报警器等几部分组成。磁性浮子式液位计通过与工艺容器相连的筒体内浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红蓝两色（液红气蓝）明显直观地指示出工艺容器内的液位或界位。水平轴NNNNS

12、径向充磁翻板式液位计工作原理动画演示翻板式液位计工作原理动画演示返本节目录返本节目录返本章目录返本章目录1.3.4 浮筒式液位计浮筒式液位计 浮筒式液位计属于变浮力液位计，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的变化量。图中： 1-浮筒；2-弹簧；3-差动变送器 。浮筒式液位计：是一种浮筒式液位计：是一种变浮力变浮力式液位计。式液位计。基本原理：基本原理： 设浮筒质量为设浮筒质量为m ，截面积为，截面积为A ，弹簧的刚度，弹簧的刚度为为c，压缩位移为，压缩位移为 x0，被测液体密度为，被测液体密度为 ，浮筒没，浮筒没入液体高度为入液体高度为H起始位置

13、弹性力与重力、浮力相平衡，有：起始位置弹性力与重力、浮力相平衡，有：弹性力重力浮力浮筒式液位计：是一种浮筒式液位计：是一种变浮力变浮力式液位计。式液位计。基本原理：基本原理：当液位变化时，浮筒所受浮力改变，弹簧的当液位变化时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。变形亦有变化。达到新的力平衡时则有以下关系：达到新的力平衡时则有以下关系：（即浮筒位移变化）弹簧变形变化液位高度变化假设xH浮筒式液位计：是一种浮筒式液位计：是一种变浮力变浮力式液位计。式液位计。基本原理：基本原理： 结论：只要检测弹簧的变形结论：只要检测弹簧的变形x（即浮筒的（即浮筒的位移量），即可确定液位的变化位移量），即可确定液

14、位的变化H ,进而确定液体的液位高度。进而确定液体的液位高度。HHxHxHHH浮筒式液位计：是一种浮筒式液位计：是一种变浮力变浮力式液位计。式液位计。 位移检测方法：位移检测方法：弹簧变形量的检测可通过差动变压器实现。弹簧变形量的检测可通过差动变压器实现。如图，在浮筒顶部的连杆上装一铁心，铁心随如图，在浮筒顶部的连杆上装一铁心，铁心随浮筒而上下移动，其位移经差动变压器转换为浮筒而上下移动，其位移经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出，从而给出相应的液位与位移成比例的电压输出，从而给出相应的液位指示。指示。 采用弹簧结构的好处：采用弹簧结构的好处：液位高度的变化范围可能很宽，但浮筒只有很小的位

15、移，对液位高度的变化范围可能很宽，但浮筒只有很小的位移，对应差动式变压器铁芯位移很小，实现起来方便。应差动式变压器铁芯位移很小，实现起来方便。电动浮筒液位计 杠杆的末端吊有内筒，浮筒随介质的浮力F1变化而升降，这个浮力作用在杠杆1上，使杠杆系统以轴封膜片为支点而产生微小偏转（轴封膜片一方面作为杠杆的支点，另一方面起密封作用）。带动杠杆2转动 ，传感器将偏移量经信号处理及转换电路转换成420mA标准信号输出，即完成变换过程。 智能浮筒液位（界位）变送器 被测液位的变化引起内筒位置的变化，该变化被传递到扭力管组件上，使扭力管与芯轴同步转动。同时固定在扭力管芯轴上的磁铁发生旋转位移，改变了由霍尔效应

16、传感器检测的磁场。该传感器将磁场信号转换为电信号。液位变化液位变化扭力矩变化扭力矩变化扭转角变化扭转角变化 角位移传感器角位移传感器电信号电信号扭力管式结构扭力管式结构1.1.测量元件测量元件作用：作用：H H 浮力浮力 Fx扭角扭角 H = Hmax时：杠杆作用力为时：杠杆作用力为gAHWFmaxxH=0时：杠杆作用力为时：杠杆作用力为x =扭力管产生扭角扭力管产生扭角max(约约7)。扭力管产生最小扭角为扭力管产生最小扭角为min (约约2)。 A 浮筒截面积；浮筒截面积； 被测液体密度。被测液体密度。Fx 测量部分测量部分返回返回2. 转换部分转换部分作用：作用：将将u I0 %100m

17、ax K K 比例系数，比例系数，K=0100%短路环短路环转至中舌转至中舌最左端最左端时，时，K=0；最右端最右端时，时，K=100%。 01=K0 02 =（1-K）0021)12( ZKuuu Z 磁通磁通- -电压转换系数。电压转换系数。u与与K成正比，则成正比，则u与与成正比成正比。差动变压器差动变压器返回返回返回返回（三）轴封膜片式结构（三）轴封膜片式结构返回返回1. 位移检测放大器位移检测放大器 作用：作用：将衔铁微小位移将衔铁微小位移 S 转换成直流电流转换成直流电流 I0。2电磁反馈机构电磁反馈机构作用：作用：I0Ff返回返回3. 工作原理工作原理力矩平衡力矩平衡(力平衡力平

18、衡) 改变改变W或矢量角或矢量角可改变量程。可改变量程。HWtanKI0K变送器结构常数。变送器结构常数。Fx Fx =W-F1. 量程由浮筒长度决定。量程由浮筒长度决定。 国产：国产：300、500、800、1200、1600、2000mm（四）特点（四）特点2. 只能用于测量轻、净介质。只能用于测量轻、净介质。 3. 当被测介质当被测介质密度变化时，必须进行密度修正。密度变化时，必须进行密度修正。 4. 精度精度0.51.0级，级，可测液位、界位。可测液位、界位。返回返回1.6 超声波法超声波法超声波液位计利用波在介质中的传播超声波液位计利用波在介质中的传播特性。特性。 因此，在容器底部或

19、顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。工作原理工作原理返回返回 所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限(20kHz以上频段)的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，根据超声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。 超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式气介式、液介式液介式和固介式固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的自发自收的单探头方式单探头方式和收发分开的双探头方式收发分开的双探头方式。相互组合

20、可以得到六种液位计的方案。(a)气介式 (b) 液介式 (c)固介式单探头超声波液位计 由上图看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为t ，则： L是与液位有关的量，故测出L便可知液位， L的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。tCL21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气介声速气介声速高出最高高出最高液位液位测量盲区测量盲区约约1m v（P,T）eg.空气空气 V0 = 331 m/s；V100 = 387 m/s带温度探头的超声波液位计带温度探头的超声波液位计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 00tth

21、h vth002vth2tt0hh01.7导波雷达液位计 导波雷达液（界）位变送器运用了 TDR（时域反射原理）技术，发射的电磁波脉冲沿着杆或缆传送当遇到比先前传导介质（空气或蒸发汽）介电常数大的介质表面时，脉冲波被反射回来。用超高速计来计算脉冲波的传导时间，从而达到精确的液位测量。 导波式雷达液位测量采用时域反射法 (TDR，Time Domain Reflectometry)，通常称导波雷达，采用脉冲波方式工作。与普通微波物位计不同点在于雷达发射的高频脉冲不是通过空间传播，而是沿一根(或两根)从罐顶伸入直达罐底的导波体传导。导波体可以是金属杆或柔性金属缆绳。雷达式液位计示意图cHt02 雷

22、达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定 0HLH由于tcLH2故24雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。微波脉冲法原理示意图1.8脉冲雷达物位计脉冲雷达物位计 雷达天线面对物料发射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脉冲雷达天线接收。那么距离物料表面的距离D可通过脉冲的时间行程T来测得：D=cT/2 (c是光速)因空罐的距离E已知，则物位L为： L = E-D检测原理微波发射天线通过输入空罐高度E(=零点)，满罐高度F(=满量程)及一些应用参数的设定，使输出信号对应于4-20mA输出。雷达液位计的

23、测量不确定度 0.2s，输出信号均为420mA/HART，两线制。测量范围：035m；回波采样55次/s，精确度约为(0.20.3)% FS。 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

24、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

25、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为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接收，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有脉冲瞬间停止计数，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

26、 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

27、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 10fMHzHz2125000Tps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

28、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 . 9429310321

29、21128mvth4318. 6106 . 942941032121128今测得今测得n=23654,n=23654,求求h:h:mvth062.34106 . 92365410321211287.5.4 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stssTBkktkffTtT221210：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

30、stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当7.5.4 连续波调频法连续波调频法ftfrf补充作业：补充作业：1、一台脉冲式雷达液位计，发射脉冲信号周期为、一台脉冲式雷达液位计，发射脉冲信号周期为499990ps,采样脉冲信号周期为采样脉冲信号周期为500000ps,采用等效时采用等效时间采样法进行雷达脉冲回波测量，等效采样周期为间采样法进行雷达脉冲回波测量，等效采样周期为多少？液位分辨率是多少？今用计数器记得第多少？液位分辨率是多少？今用计数器记得第13465个周期测得液位的反射波，问雷达液位计至液面距个周期测得液位的反射波，问雷达液位计至液面距离是多少？离是多少？伺服液位计 .伺服液位计.doc1.9中子料位计基本工作原理中子料位计基本工作原理 反向散射式中子料位计，或称中子氢密度界面反向散射式中子料位计，或称中子氢密度界面/料位计。它通过料位计。它通过对焦炭塔特定区域内物料含、密度的连续测量，给出塔内全部对焦炭塔特定区域内物料含、密度的连续测量，给出塔内全部物料状态（油气、泡沫