HG第三章检测仪表与传感器(物位检测)

1、1第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表物位：液位、料位、分界面（界位）的总称。液位：容器中液体表面的高低；料位：容器中固体的堆积高度；界面：两相物质的交界面。物位检测的作用物位检测的作用 确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；进行经济核算； 为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；围内； 对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。正常进行。2常用常用测物位测物位原理和仪表原理和仪表v直读式：玻璃管液位计v应用浮力原理

2、测量物位：浮力式（恒浮力、变浮力）v应用静压原理测量物位（差压式液位变送器差压式液位变送器）v应用电容原理测量物位：电容式v放射性同位素法（核幅射核幅射式）v超声波式（应用超声波反射检测物位）3一、一、直读式直读式物位仪表物位仪表玻璃管液位计玻璃管液位计是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器连通器的的原理原理，将容器中的液体引入带有标尺标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。4二、浮力式物位仪表二、浮力式物位仪表分：恒浮力（分：恒浮力（浮子浮子）和变浮力（沉筒）和变浮力（沉筒）恒浮力法液位测量示意图恒浮力法液位测量示意图 恒浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成

3、空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下跟随液面上下移动移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。例：例：钢带浮子钢带浮子式液位计式液位计这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。52. 浮筒式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。浮筒式液位计原理如图所示。 图中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器 。6浮筒式浮筒式液位计液位计它是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即：GgAHkx式中 k弹簧刚度(Nm)； x

4、弹簧压缩量(m)； 液体密度(kgm3)； H浮筒浸入深度(m)； A浮筒截面积(m2)。 液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传远传控制。7三、三、差压式液位变送器差压式液位变送器利用差压或压力变送器可以方便地测量液位。1、工作原理通过液柱静压的方法对液位进行测量。通过液柱静压的方法对液位进行测量。敞口容器敞口容器：多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度 。压力表测量液位原理gHP式中式中 ：PP测压仪表指示值测压仪表指示

5、值 ；HH液位的高度；液位的高度； 液体的密度；液体的密度；gg重力加速度。重力加速度。其关系为：其关系为：81、工作原理（续）密闭容器密闭容器：P P+ +: :正压室压力；正压室压力；P P- -: :负压室压力；负压室压力；H P+P-P压力或差压压力或差压与与液位液位成成比例关系比例关系，可以用压力表按液位直接直接进行刻度。H=0时，P0;在实际应用中，较复杂。gHPPPP gHPP92、差压式变送器测液位时的差压式变送器测液位时的零点迁移问题零点迁移问题当H=0时，P0，经常难以满足。安装位置安装位置条件的不同，条件的不同，使仪表存在着零点迁移使仪表存在着零点迁移问题。问题。先看：无

6、迁移情况先看：无迁移情况H P1P2P特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0Hmin=0）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压的差压PP与液位高度与液位高度H H的关系为的关系为P=HgP=Hg。当当H =0H =0时，正负压室的差压时，正负压室的差压P=0P=0，变送，变送 器输出信号为器输出信号为4mA4mA当当H= HmaxH= Hmax时，差压时，差压Pmax=gHmaxPmax=gHmax， 变送器的输出信号为变送器的输出信号为20 mA20 mA，10负迁

7、移负迁移差压变送器的正、负压室的压力分别为差压变送器的正、负压室的压力分别为ghgHPP211气ghPP22气正、负压室的压差为正、负压室的压差为ghhgHPPP2121)(当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P= -P= -（h h2 2-h-h1 1）2 2g g 0 0，使变送器在，使变送器在H=0H=0时输出电流小于时输出电流小于4 mA4 mA；H=HmaxH=Hmax时，输出电流小于时，输出电流小于20 mA20 mA。因此必须调整变送器的零点，使得：因此必须调整变送器的零点，使得：H=0H=0时，输出电流等于时，输出电流等于4 4 mAmA；Hmax=0Hmax=0时，输出电

8、流等于时，输出电流等于20 mA20 mA。11负迁移（续）负迁移（续）当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P= -P= -（h h2 2- -h h1 1）2 2g g 0g 0，从而使变送器在，从而使变送器在H=0H=0时时输出电流大于输出电流大于4 mA4 mA；H=HmaxH=Hmax时，输出电流大于时，输出电流大于20 mA20 mA。因此必须调整变送器的零点因此必须调整变送器的零点13正、负迁移示意图正、负迁移示意图0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)某压力变送器的测量范围：05000Pa，固定差压：ghh212)(=2000Pa14四、四

9、、 电容式电容式物位仪表在电容器的极板之间，充有不同的介质时，电容量的大小也随之不同，电容式物位仪表可以通过测量电容量的变化来检测：液位、料位和两种不同液体的分界面。电容式物位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，可测量：导电介质和非导电介质。1、测量原理测量原理152、同心圆柱式电容器的公式在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如右图所示。电容量：dDLCln2其中：D外电极内径；d内电极外径；极板间介质介电常数；L极板相互重叠的长度。液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原

10、理。图中：1-内电极；2-外电极 。163、测量非导电介质的电容式液位计结构：同轴双层电极。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。图中：1 -内电极；2-外电极；3-绝缘套；4-流通孔。dDLCln200液位为0时：0空气介质介电常数。17电容量的电容量的变化变化与与液位液位的关系的关系dDLCln200液位为0时：0空气介质介电常数。液位上升为H时：dDHdDHLCln2ln)(20电容量的变化：HKdDHCCCiln)(200Ki ：比例系数。灵敏度分析。184、测量测量导电介质导电介质的单电极电容液位计的单电极电容液位计在具体测量时。电容式液

11、位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。 右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。1-内电极；2-绝缘套19五、核幅射核幅射式物位仪表1、工作原理工作原理：不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线 射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0之间有如下关系：HeII0式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：IIHlnln10因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。202

12、、核幅射核幅射式物位仪表的组成核幅射式液位计由辐射源辐射源、接收器接收器和和测量仪表测量仪表组成。q辐射源辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。 q接收器接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧， 射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。21核幅射核幅射式物位仪表图例下图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中 (a)为长长辐射源和辐射源和长长接收

13、器接收器形式，输出线性度好； (b) 为点点辐射源和辐射源和点点接收器接收器形式，输出线性度较差。核辐射式液位计1-放射源； 2-接收器223、核幅射、核幅射式物位仪表的特点辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量完全非接触测量。这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量控制剂量，作好防护作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害 。2

14、3六、超声波超声波物位仪表物位仪表 1、测量原理测量原理：根据超声波从发射发射到到接收接收反射反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现物位测量的。据传声介质的不同有：据传声介质的不同有：液介式液介式、气介式、固介式三种。、气介式、固介式三种。测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间t后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。vtH21V V-传播速度；H H -从探头至界面的距离；t t -从探头发射至液面反射回来的时间。超生波的发射发射和接受接受：换能器换能器。核心核心是压电片压电片（压电晶体压电晶体），压电效应压电效应和逆压电效应逆压电效应，

15、242、超声波超声波的特点的特点一般需要对声速v进行温度补偿q声波在介质中传播会衰减衰减：气体最大，液体次之，固体最小。传播距离。q声波传播的方向性：频率越高方向性越好，超声波可近似认为是直线传播。q声波从一种介质到另一种介质传播时的反射反射：声阻抗相差越大，反射的越多。垂直入射时：从液体、固体气体99%的反射系数，声波几乎全部被反射。q声速声速：常温下，空气中，334m/s；水中，1440m/s；钢铁，5000m/s。声速不仅与介质有关介质有关而且与温度有关与温度有关。253、声速的补偿、声速的补偿（1）vtH21一般需要对速度v进行补偿，方法有：时间t可以测的很准。1) 温度补偿温度补偿：

16、测出温度，根据声速与温度的函数关系进行补偿。例如：对于空气，Tv067.20多数液体和固体温度升高，声速降低。2) 设置校正具设置校正具L0校正探头反射板测量探头放入被测放入被测介质中介质中0002tLv（2）由（由（1）、（）、（2）式）式，得：得：ttLH00（3）26一种具有一种具有声速声速温度补偿温度补偿功能的功能的物位计物位计 测量原理：根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。超声波物位计由超声波发射、接收器（探头）及显示仪表超声波物位计由超声波发射、接收器（探头）及显示仪表组成。组成。超声波物位计的原理超