热工测量技术A5(5)

1、 热工测热工测 量技术量技术A 第第 5部分部分 物位测量物位测量 及仪表及仪表 第第 5 章章 概述、锅炉汽包水位测量、其他物位测量等概述、锅炉汽包水位测量、其他物位测量等v 5 物位测量物位测量 物位物位是指贮存容器或工业生产设备里的液位、粉位状固体、是指贮存容器或工业生产设备里的液位、粉位状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不同而形成的界面位置，根据具体用途分为密度不同而形成的界面位置，根据具体用途分为液位、料位、液位、料位、界位界位传感器或变送器。传感器或变送器。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测

2、量量第第 5 部分部分 物位测量及仪表物位测量及仪表 5 物位测量物位测量 物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是现代大工业生产中，由于规产和设备安全的重要参数。特别是现代大工业生产中，由于规模大，速度快，且常用高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，模大，速度快，且常用高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监测和自动控制更是至关重要。对于物位的监测和自动控制更是至关重要。 各种物料的性质千差万别，物位测量方法很多，所用仪表、各种物料的性质千差万别，物位测量方法很多，所用仪表、传感器、变送器也各有特

3、色。本章按测量的原理分为压力式、传感器、变送器也各有特色。本章按测量的原理分为压力式、浮力式、电容式、电导式、及电感式、阻力式、声波式、微波浮力式、电容式、电导式、及电感式、阻力式、声波式、微波式及射线式等等加以介绍。式及射线式等等加以介绍。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数。对于一般储液装置内所储存液体的多少对生产过程的影响是不可忽视的。比如火电生产过程中的锅炉汽包内的水位就直接影响汽水系统循环的效果以及送出蒸汽的质量。 液位测量的方法 1.浮力式 2.静压式 静压式液位传感器是基于流体静力学中一定液柱高度的液体产生一定压力的原理。液位

4、压力转换的方式主要有压力式和差压式。 3.电气式 电气式液位测量是直接将液位转换为电阻、电容、电感等量值的变化 。4.声波式 v 5.1 锅炉汽包水位测量 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 火电生产过程中一般都是采用云母水位计、差压水位计和电接点式水位计等测量汽包水位。 由于汽包内汽水界面不像一般储水容器中那样分明，所以汽包水位的测量目前都是测量汽包内的重量水位。所谓重量水位，即假想某一瞬时汽包出口与入口都封闭起来，汽侧中的水回到水一侧，水侧中的汽回到汽一侧，而且汽、水平静下来时的水位。此时，在汽包水位测量基准线开一导压口所引出的压力与假想前运行状态时在该导压口处引出的压力是相同的。

5、所引出压力的变化代表了水位的变化。 5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计（1 1）云母水位计）云母水位计 云母水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表。它是一连通器，结构简单，显示直观，如图所示。 由于云母水位计温度低于汽包内温度，因此云母水位计的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。式中 汽包内饱和蒸汽密度； 汽包内饱和水密度； 云母水位计测量管内水柱的平均密度； 汽包内重量水位; 显示值。 HHswsaswaHH 云母水位计的特点云母水位计的特点: 优点优点: 直接反映汽包水位直接反映汽包水位; 直观、可靠直观、可靠 缺点：缺点： 一般只能现场就地观察；一般只能现场就地观

6、察； 液位显示不够清晰，尤其是超出水位计可视范液位显示不够清晰，尤其是超出水位计可视范围时，很难判断是满水还是缺水。围时，很难判断是满水还是缺水。5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计 双色水位计：双色水位计： 结构：云母水位计上加以改进。结构：云母水位计上加以改进。 原理：双色水位计是采用把普通光经滤光玻璃原理：双色水位计是采用把普通光经滤光玻璃(红、绿两红、绿两种种)使红光、绿光透过，再经被测液体或气体折射，在光路上使红光、绿光透过，再经被测液体或气体折射，在光路上设置窗

7、口予以显现，可测知光路上是液体或气体。利用光从空设置窗口予以显现，可测知光路上是液体或气体。利用光从空气进入蒸汽或水而产生不同的折射的原理，使蒸汽部分显红色，气进入蒸汽或水而产生不同的折射的原理，使蒸汽部分显红色，水部分显绿色。水部分显绿色。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计 注意：注意： 用于高压锅炉上的水位计，为考虑其强度，窗口玻用于高压锅炉上的水位计，为考虑其强度，窗口玻璃不能做成长条形；而做成多窗式。其缺点是窗口之间有一段璃不能做成长条形；而做成多窗式。其缺点是窗口之间有一段水位指示的水位指示的“盲区盲区”。 为减小水

8、位计的温降带来的测量误差，在水位计本为减小水位计的温降带来的测量误差，在水位计本体内加装了蒸汽加热夹套。体内加装了蒸汽加热夹套。 为防止锅炉压力突降时，测量室中水柱沸腾而影响为防止锅炉压力突降时，测量室中水柱沸腾而影响测量，从安全方面考虑，测量室内的水柱温度应有一定的过冷测量，从安全方面考虑，测量室内的水柱温度应有一定的过冷度。度。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计 双色水位计的电视远传：双色水位计的电视远传： 即在双色水位计的现场加装一个电视摄像即在双色水位计的现场加装一个电视摄像装置（摄像头）则可实现水位信号的电视远传。装

9、置（摄像头）则可实现水位信号的电视远传。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计灯灯泡泡汽包汽包（蒸汽侧）（蒸汽侧）（饱和水侧）（饱和水侧）P毛毛玻玻璃璃红红玻玻璃璃绿绿玻玻璃璃电电视视摄摄像像头头12345 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.1 云母水位计、双色水位计云母水位计、双色水位计 上页图例说明上页图例说明: 1玻璃板（云母片）水位计玻璃板（云母片）水位计 2棱镜棱镜 3红、绿玻璃（并列）红、绿玻璃（并列） 4光源光源 5电视摄像头电视摄像头 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1 锅炉汽包水位测

10、量锅炉汽包水位测量 5.1.2 电接点水位计电接点水位计:汽包汽包（蒸汽侧）（蒸汽侧）（饱和水侧）（饱和水侧）P灭灭亮亮水位传感器水位传感器测量筒测量筒显示部分显示部分 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.2 电接点水位计电接点水位计 5.1.2.1 测量筒安装位置剖面示意图测量筒安装位置剖面示意图: 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.2 电接点水位计电接点水位计 5.1.2电接点水位计的组成：电接点水位计的组成： 由测量筒、水位传感器、电气显示三部分所组成由测量筒、水位传感器、电气显示三部分所组成5.1.2电接点水位计的工作原理：电接点水位计的工作原理： 利

11、用汽包内汽、水介质的电阻率相差极大的性质来测利用汽包内汽、水介质的电阻率相差极大的性质来测量汽包水位的。量汽包水位的。 被水淹的电接点所在电路处于低电阻（相当于开关闭被水淹的电接点所在电路处于低电阻（相当于开关闭合）。合）。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.2 电接点水位计电接点水位计 5.1.2电接点水位计的说明：电接点水位计的说明： 传感器部分：传感器部分： 电接点的数目以能监视水位的要求来确定，电接点的数目以能监视水位的要求来确定，目前多为目前多为15、17、19个为多，且接点之间的间距不是个为多，且接点之间的间距不是均匀的，分布在正常水位处要密一些。均匀的，分布在正

12、常水位处要密一些。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.2.4 电接点水位计的说明电接点水位计的说明 传感器存在的误差：传感器存在的误差： 测量筒温度变化所引起的；测量筒温度变化所引起的； 电接点之间的间距不均匀，导致指示信号不连续，产生电接点之间的间距不均匀，导致指示信号不连续，产生“盲区盲区”； 有可能产生有可能产生 “虚假虚假”水位。水位。 故电接点水位计的输出信号不能作为调节器输入信号。故电接点水位计的输出信号不能作为调节器输入信号。 显示部分：显示部分： 氖灯显示；氖灯显示； 发光二极管；发光二极管； 普通灯泡。普通灯泡。 适应于锅炉汽包、凝汽器、工业水箱的水位测量。适

13、应于锅炉汽包、凝汽器、工业水箱的水位测量。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1 锅炉汽包水位测量锅炉汽包水位测量5.1.3 差压式水位计差压式水位计 : 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 差压式水位计是静压式液位测量仪表，在汽包水位、差压式水位计是静压式液位测量仪表，在汽包水位、高加水位、除氧器水位测量中都能得到应用。高加水位、除氧器水位测量中都能得到应用。水位水位差压转换原理差压转换原理 水位水位差压转换装置又称平衡容器，其结构形式差压转换装置又称平衡容器，其结构形式如图所示，如图所示，(a)为简单平衡容器，为简单平衡容器，(b)为双室平衡容器，为双室平衡容器，(c

14、)为结构补偿式双室平衡容器。为结构补偿式双室平衡容器。 5.1 锅炉汽包水位测量锅炉汽包水位测量5.1.3 差压式水位计差压式水位计 :汽包汽包(蒸汽侧蒸汽侧)s(饱和水侧饱和水侧)ws21H0HHL-+P（平衡容器）（平衡容器） 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.3 差压式水位计差压式水位计 5.1.3.3 差压式水位计（老式）的双室平衡容器：差压式水位计（老式）的双室平衡容器： 结构：如上页所示。结构：如上页所示。5.1.3.1 差压式水位计（老式）的组成差压式水位计（老式）的组成 ： 由平衡容器、差压变送器、显示仪表三部分所组成。由平衡容器、差压变送器、显示仪表三部分所组

15、成。5.1.3.2 差压式水位计（老式）的工作原理：差压式水位计（老式）的工作原理： 把液位高度变化转换成差压变化，其测量仪表就是差压计，只要把液位高度变化转换成差压变化，其测量仪表就是差压计，只要确保水位与差压之间的准确转换，就能精确测出其水位的高低。此种转换确保水位与差压之间的准确转换，就能精确测出其水位的高低。此种转换是通过平衡容器而达到（实现）的。是通过平衡容器而达到（实现）的。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.3.3 差压式水位计（老式）的双室平衡容器差压式水位计（老式）的双室平衡容器 工作原理（工作过程）：工作原理（工作过程）： 因正压头液位高低保持一致（高溢出，

16、低冷凝水补充）；而负压头是随因正压头液位高低保持一致（高溢出，低冷凝水补充）；而负压头是随汽包水位变化而变化，因而负压头压力变化就直接反映了汽包水位的变化。汽包水位变化而变化，因而负压头压力变化就直接反映了汽包水位的变化。 存在误差及原因：存在误差及原因： 平衡容器中水温变化造成重度变化，使指示值不准；平衡容器中水温变化造成重度变化，使指示值不准； 汽包压力变化时，同样造成蒸汽和水的重度随之变化，使指示值不准；汽包压力变化时，同样造成蒸汽和水的重度随之变化，使指示值不准； 汽包水位的高低，平衡容器结构尺寸的大小，也直接影响指示值的误差。汽包水位的高低，平衡容器结构尺寸的大小，也直接影响指示值的

17、误差。 解决的措施：解决的措施： 改进平衡容器的结构和尺寸；改进平衡容器的结构和尺寸； 采用汽包压力补偿措施等。采用汽包压力补偿措施等。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.3 差压式水位计差压式水位计 5.1.3.4 差压式水位计（新式，改进型）的结构差压式水位计（新式，改进型）的结构： 同样由平衡容器、差压变送器、显示仪表三部分所组成。同样由平衡容器、差压变送器、显示仪表三部分所组成。 5.1.3.5 差压式水位计（新式，改进型）的差压式水位计（新式，改进型）的工作原理工作原理 改进：改进： 加大正压容器的面积；加大正压容器的面积； 保持正压容器水位恒定；保持正压容器水位恒

18、定； 用蒸汽加热正压容器的水温等于汽包中饱和温度值；用蒸汽加热正压容器的水温等于汽包中饱和温度值； 凝结下来的多余的水定期排入下降管，并保持泄水管与下凝结下来的多余的水定期排入下降管，并保持泄水管与下降管相接处的高度达到平衡容器内无多余的水而下降管又不被抽干（即泄降管相接处的高度达到平衡容器内无多余的水而下降管又不被抽干（即泄水管内保持一定高度的的水）。水管内保持一定高度的的水）。 为保证压力引出管的垂直部分中水的重度等于环境温度下为保证压力引出管的垂直部分中水的重度等于环境温度下水的重度，必须保证压力引出管的水平距离要足够长。水的重度，必须保证压力引出管的水平距离要足够长。 但仍有误差。但仍

19、有误差。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.3 差压式水位计差压式水位计 5.1.3.6 差压式水位计（新式，改进型）差压式水位计（新式，改进型） 平衡容器的结构平衡容器的结构 :汽包汽包sw(饱和水侧饱和水侧)(蒸汽侧蒸汽侧)泄水管泄水管下下降降管管SSlLs凝结水漏盘凝结水漏盘wHH0a引出管引出管P-P+送差压变送器送差压变送器P 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.3 差压式水位计差压式水位计 5.1.3.7 差压式水位计（新式，改进型）差压式水位计（新式，改进型） 平衡容器的结构改变后的特点：平衡容器的结构改变后的特点： 为使正压管中的水位始终恒定，加

20、大了正压容器的截面积；并在其上为使正压管中的水位始终恒定，加大了正压容器的截面积；并在其上安装凝结水漏盘，使更多的凝结水不断流入正压容器，其多余的水不断溢安装凝结水漏盘，使更多的凝结水不断流入正压容器，其多余的水不断溢出。出。 用蒸汽加热的方法使正压容器中的水温等于饱和温度。用蒸汽加热的方法使正压容器中的水温等于饱和温度。 多余的蒸汽凝结水由泻水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽多余的蒸汽凝结水由泻水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽凝结水，又不能使下降管抽空，泻水管中应始终保持一定高度的蒸汽凝结凝结水，又不能使下降管抽空，泻水管中应始终保持一定高度的蒸汽凝结水。水。 为保证压力引出管

21、的垂直部分水的密度等于环境温度下水的密度，压为保证压力引出管的垂直部分水的密度等于环境温度下水的密度，压力引出管的水平距离力引出管的水平距离 S 应尽可能长。应尽可能长。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.1.3 差压式水位计差压式水位计5.1.3.8 汽包水位信号的压力校正：汽包水位信号的压力校正：平衡容器与平衡容器与差压变送器差压变送器压压 力力变变 送送 器器/F1（x）F2（x）（即校正后的结果）（即校正后的结果）K5-K6pHP-pK5-K6p- pK1-K2pPKKppKK2165函数发生器函数发生器加法器加法器除法器除法器 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量

22、5.1.3 差压式水位计差压式水位计 5.1.3.9 带微处理器的锅炉汽包水位计带微处理器的锅炉汽包水位计swavSHamL差压差压变送器变送器-+压力压力变送器变送器温度温度变送器变送器智能锅炉汽包水位计智能锅炉汽包水位计冷凝器冷凝器 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.3.10 带微处理器的锅炉汽包水位计分析带微处理器的锅炉汽包水位计分析5.1差压式水位计差压式水位计 设差压信号为设差压信号为 p，则有：则有： p = p+ - p- = （L - m）a g + mav g - H w g -（L - H） s g 若有若有 H = H0 + H， H0 为零水位，则上式

23、可写成：为零水位，则上式可写成： 0)(HggpgLgmgmLHswsava 式中：式中： s 饱和蒸汽密度；饱和蒸汽密度； w 饱和水密度；饱和水密度； a 环境温度下导压管中水的密度；环境温度下导压管中水的密度； av 冷凝器中水的平均密度。冷凝器中水的平均密度。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.3.10 带微处理器的锅炉汽包水位计分析带微处理器的锅炉汽包水位计分析 由上页式可见，汽包水位不仅与差压由上页式可见，汽包水位不仅与差压 p 有关；有关；而且与而且与 w 、 s 、 a 和和 av 有关；也就是与汽包压力和有关；也就是与汽包压力和环境温度有关。环境温度有关。

24、s 和（和（ w - s ）是汽包压力的函数。）是汽包压力的函数。 根据温度、压力、差压变送器送入的信号，就根据温度、压力、差压变送器送入的信号，就可以算得比较准确的水位可以算得比较准确的水位 H 值。值。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.1.3.11 带微处理器的锅炉汽包水位计硬件框图：带微处理器的锅炉汽包水位计硬件框图： 图图 智能锅炉汽包水位计硬件框图智能锅炉汽包水位计硬件框图5.1差压式水位计差压式水位计 时钟时钟LED显示接口显示接口D/A报警接点报警接点输出输出A/D多路多路开关开关单片机单片机自复位自复位存储器存储器译码译码ROMRAM停电停电保护保护压力变送器压

25、力变送器温度变送器温度变送器控制总线控制总线差压变送器差压变送器地址总线地址总线数据总线数据总线 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量物位测量中几个问题：物位测量中几个问题： 流动性好的液体，液位是水平的，一般液位计只对安流动性好的液体，液位是水平的，一般液位计只对安装高度要求，可以在同一高度上选择任何安装地点。装高度要求，可以在同一高度上选择任何安装地点。 流动性差的粉粒体物料，料面就不是水平的，应将料流动性差的粉粒体物料，料面就不是水平的，应将料位计安装在距容器内壁位计安装在距容器内壁1/3半径处。半径处。 物位测量的另一个普遍性问题是盲区。物位测量的另一个普遍性问题是盲区。 有时容

26、器的几何形状和传感器安装位置配合不当会出有时容器的几何形状和传感器安装位置配合不当会出现死角。现死角。 粉粒体料位还有滞留区。粉粒体料位还有滞留区。 物位测量可用于计算物料储量。物位测量可用于计算物料储量。 接触法测物位的仪表应考虑防腐蚀和渗漏。接触法测物位的仪表应考虑防腐蚀和渗漏。5.1 概述概述 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量v 5.2 压力式液位变送器压力式液位变送器 利用压力或差压变送器可以很方便地测量液位，且能输出利用压力或差压变送器可以很方便地测量液位，且能输出标准气压信号或电流信号。标准气压信号或电流信号。5.2.1 单法兰及双法兰单法兰及双法兰 对于上端与大气相通的

27、开口容器，可以在底部接压力表，对于上端与大气相通的开口容器，可以在底部接压力表，根据液柱下端压力得到液位，参见教材。根据液柱下端压力得到液位，参见教材。 由于容器和压力表间只需一个法兰将管路连接，故称由于容器和压力表间只需一个法兰将管路连接，故称“单单法兰液位计法兰液位计”。 对于上端和大气隔绝的闭口容器，多半其上部空间与大对于上端和大气隔绝的闭口容器，多半其上部空间与大气压力不等，必须采用教材中的方式，用两个法兰分别将液相气压力不等，必须采用教材中的方式，用两个法兰分别将液相和气相压力导至差压变送器，利用和气相压力导至差压变送器，利用P1和和P2之差反映液位，这就之差反映液位，这就叫做叫做“

28、双法兰液位计双法兰液位计”。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.2.2 吹气法吹气法 5.2 压力式液位变送器压力式液位变送器 开口容器里的液位，可由极简单开口容器里的液位，可由极简单实用的方法转变为标准气压信号，即实用的方法转变为标准气压信号，即所谓的吹气法。所谓的吹气法。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量v 5.3 浮力式液位传感器及变送器浮力式液位传感器及变送器 利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液

29、位的属于变浮力方式。液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮力方式。 5.3.1 恒浮力式恒浮力式 水塔里的水位常用教材中所示的方法指示。水塔里的水位常用教材中所示的方法指示。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量101002l3l1l33图图 浮子重锤液位计浮子重锤液位计5.3 浮力式液位传感器及变送器浮力式液位传感器及变送器 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 极限情况就是整个贮罐上全被浮子所掩盖极限情况就是整个贮罐上全被浮子所掩盖，这就成了浮顶罐。浮顶罐则是罐顶做成中，这就成了浮顶罐。浮顶罐则是罐顶做成中空的大活塞，漂浮在油面上，将油品与空气空的大活塞，漂浮在油面上，将油品

30、与空气隔绝，有效地防止了挥发。隔绝，有效地防止了挥发。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 近来中小容器和设备常用磁浮子舌簧管液位变送器近来中小容器和设备常用磁浮子舌簧管液位变送器。 如果只需求液位越限报警，不必提供液位值，在竖管里只如果只需求液位越限报警，不必提供液位值，在竖管里只需装两个舌簧管，其中的需装两个舌簧管，其中的2装在上限液位处，装在上限液位处，3则在下限处，分则在下限处，分别引出导线，接至报警或位式控制电路。别引出导线，接至报警或位式控制电路。 就地指示用的磁浮子液位计，为了便于观察，常按教材中就地指示用的磁浮子液位计，为了便于观察，常按教材中所叙的原理显示。有磁翻板液

31、位计和磁滚柱液位计。所叙的原理显示。有磁翻板液位计和磁滚柱液位计。 在恒浮力式连续测量液位的各种方法中，以伺服型浮子液在恒浮力式连续测量液位的各种方法中，以伺服型浮子液位计精确度最高。位计精确度最高。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.3.2 变浮力式变浮力式 变浮力式液位计俗称变浮力式液位计俗称“浮筒浮筒”液位计，其原理如下图所示。液位计，其原理如下图所示。图图 变浮力式液位计变浮力式液位计DHL 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 用变浮力法构成位式构成位式传感器也很容易，可参看下图所示用变浮力法构成位式构成位式传感器也很容易，可参看下图所示 。图图 位式变浮力液位传感

32、器位式变浮力液位传感器FG2G12134ABC 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量v 5.4 电容式物位传感器及变送器电容式物位传感器及变送器 利用物料介电常数恒定时极间电容正比于物位的原理，可构成电容式利用物料介电常数恒定时极间电容正比于物位的原理，可构成电容式物位传感器。特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常物位传感器。特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，且需用高频电路。数与空气介电常数差别大，且需用高频电路。5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 结构：结构：电极的结构见下页图所示。图（电极的结构见下页图所示。图（a

33、）适用于导电容器中的绝）适用于导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形。器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一缘性物料，且容器为立式圆筒形。器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容极，其间构成的电容CX与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为电与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为电极。极。 图（图（b）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料为绝缘性的。料为绝缘性的。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量CXH0HL（a）CX（b）CX（c）图图 电容物位传感器的电极电容物位传感器的电极5.4.1 电极结构及工

34、作原理电极结构及工作原理 上页图（上页图（c）用于导电性物料，其形状和位置和图（）用于导电性物料，其形状和位置和图（a）一样，但中央圆棒电极上保有绝缘材料。一样，但中央圆棒电极上保有绝缘材料。 工作原理：以图（工作原理：以图（a）为例，设导电容器直径为）为例，设导电容器直径为D，中央，中央电极直径为电极直径为d，上部空气的介电常数为，上部空气的介电常数为1，下部液体的介电，下部液体的介电常数为常数为2，电极总长为，电极总长为H0，浸没在液体中的长度为，浸没在液体中的长度为HL，则根，则根据同心圆筒状电容的公式可写出气体部分的电容为：据同心圆筒状电容的公式可写出气体部分的电容为：dDHHCLln

35、)(2011 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理液位部分的电容为：液位部分的电容为：dDHCLln222 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量忽略杂散电容及端部边界效应后，两电极间总电容为：忽略杂散电容及端部边界效应后，两电极间总电容为：5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理LLXHdDCHHdDCCC)(ln2)(ln2120120121 式中式中C0为初始电容，可在空仓时测出。有物料时电容为初始电容，可在空仓时测出。有物料时电容C与与物位物位HL成线形关系。成线形关系。 为了提高敏度，希望为了提高敏度，希望HL前的系数

36、尽量大，除取决于被测介前的系数尽量大，除取决于被测介质外，在电极结构上应力图使用大直径的中央电极，质外，在电极结构上应力图使用大直径的中央电极，d接近于接近于D则系数的分母小，灵敏度高。但实际上采用图（则系数的分母小，灵敏度高。但实际上采用图（a）结构不可）结构不可能使能使d大到接近于大到接近于D的程度，可以把电极装在另一个直径小的竖的程度，可以把电极装在另一个直径小的竖管里，再用图（管里，再用图（b）的形式与被测容器连通。或者采用图（）的形式与被测容器连通。或者采用图（c）的结构。的结构。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 当然，这两

37、种办法都只适合于流动性好的液体，对于粉粒当然，这两种办法都只适合于流动性好的液体，对于粉粒或稍有粘性的液体，如果提高灵敏度，可将中央电极稍偏向一或稍有粘性的液体，如果提高灵敏度，可将中央电极稍偏向一侧器壁，但切勿过分靠近，因为太靠近壁面时稍有弯曲或移动侧器壁，但切勿过分靠近，因为太靠近壁面时稍有弯曲或移动会引起灵敏度剧烈变动。若电极偏离容器轴线后的灵敏度用会引起灵敏度剧烈变动。若电极偏离容器轴线后的灵敏度用 K 表示，它与偏移量表示，它与偏移量 b有下列关系：有下列关系： 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量RrbRkK22ln5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 将上式关系

38、用曲线表示，则如教材中图将上式关系用曲线表示，则如教材中图 所示。电极接近容所示。电极接近容器壁，灵敏度很高，但曲线斜率大，读数不易稳定。器壁，灵敏度很高，但曲线斜率大，读数不易稳定。bD/2K图图 电极偏心特性曲线电极偏心特性曲线 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 电极包有绝缘层后，若与容器同心安装，则可用教材中电极包有绝缘层后，若与容器同心安装，则可用教材中图图表示。图（表示。图（a）为结构示意，图（）为结构示意，图（b）为等效电路。等效电路）为等效电路。等效电路中的中的C1代表与物位无关的杂散电容；代表与物位无关的杂散电容；C2代

39、表液面以上以绝缘代表液面以上以绝缘层为电介质的电容，其值为层为电介质的电容，其值为：dDHHCL1012ln2 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 图中图中C3代表液面以上介质（测界位时是轻液）为电介质的代表液面以上介质（测界位时是轻液）为电介质的电容，其值为电容，其值为:1033ln2DDHHCL 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理CX(a)dD1DHLH0132CXC1C2C3C4C5(b)图图 有绝缘层电极及其等效电路有绝缘层电极及其等效电路 第第 5 5 章章 物物 位位 测

40、测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理图中图中C4为液面以下以绝缘层为电介质的电容，其值为为液面以下以绝缘层为电介质的电容，其值为dDHCL114ln2图中图中C5为液面以下以被测液体为电介质的电容，其值为为液面以下以被测液体为电介质的电容，其值为125ln2DDHCL 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 以上各式中的符号含义可参看图（以上各式中的符号含义可参看图（a）。根据图中关系不难）。根据图中关系不难看出，看出，C2与与C3是串联关系，是串联关系，C4与与C5也是串联关系，以上两串联也是串联关系，以上两串联电路又与

41、电路又与C1三者并联，故得三者并联，故得 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理LXHdDDDdDDDDDdDDDHCCCCCCCCCCC121113111322113110311545432321lnlnlnlnln)(2lnln2（5.22） 对于确定的介质而言，上式中等号右边第一和第二项皆对于确定的介质而言，上式中等号右边第一和第二项皆为常数，可看作不变的初始电容。第三项可认为是灵敏度为常数，可看作不变的初始电容。第三项可认为是灵敏度K与与HL之乘积。若容器下部为导电液体，之乘积。若容器下部为导电液体，C5=0，上式变为，上式变为 第第

42、 5 5 章章 物物 位位 测测 量量LXHdDdDDDDDdDDDHCC131112113110311lnlnlnln2lnln2（5.23） 将式（将式（5.22）与式（）与式（5.23）比较，等号右的前两项完全一）比较，等号右的前两项完全一样，但第三项样，但第三项HL的系数不同。测导电介质时，灵敏度高。的系数不同。测导电介质时，灵敏度高。5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 测两种液体间的界位时，如均为不导电液体，可用裸露测两种液体间的界位时，如均为不导电液体，可用裸露电极。如其中一种（只限一种）为导电液体，就必须用包绝电极。如其中一种（只限一种）为导电液体，就必须用包绝缘层

43、的电极。但无论用式（缘层的电极。但无论用式（5.20）或式（）或式（5.22）都可看出，不）都可看出，不导电介质的界位测量灵敏度与两种液体的介电常数之差成正导电介质的界位测量灵敏度与两种液体的介电常数之差成正比，这和浮力法要求的密度差大相对应。如果两种液体密度比，这和浮力法要求的密度差大相对应。如果两种液体密度相近而介电常数差别大，电容法便可大显身手。上节提到重相近而介电常数差别大，电容法便可大显身手。上节提到重油与水密度相差无几，但水有导电性，可利用有绝缘层的电油与水密度相差无几，但水有导电性，可利用有绝缘层的电极，有式（极，有式（5.23）计算。）计算。 第第 5 5 章章 物物 位位 测

44、测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 电容法也用于粉粒体料位测量，但应注意物料中含水分时电容法也用于粉粒体料位测量，但应注意物料中含水分时将对测量结果影响很大。例如干燥的土壤介电常数约为将对测量结果影响很大。例如干燥的土壤介电常数约为1.9，含水含水19时达到时达到8，何况水分还会造成漏电。即使采用绝缘层，何况水分还会造成漏电。即使采用绝缘层的电极，效果也不佳。所以电容法只宜用于干燥粉粒体或水分的电极，效果也不佳。所以电容法只宜用于干燥粉粒体或水分含量恒定不变的粉粒体。含量恒定不变的粉粒体。 稍有粘着性的不导电液体仍可用裸露电极，若粘性液体有稍有粘着性的不导电液体仍可用裸露

45、电极，若粘性液体有导电性，即使采用绝缘电极也不能工作，因为黏附在电极上的导电性，即使采用绝缘电极也不能工作，因为黏附在电极上的导电液不脱落会造成虚假液位。这种情况下只能借助隔离膜将导电液不脱落会造成虚假液位。这种情况下只能借助隔离膜将压力传到非粘性液体上，再用电容法测量。压力传到非粘性液体上，再用电容法测量。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4.1 电极结构及工作原理电极结构及工作原理 5.4.2 位式作用传感器电路位式作用传感器电路 用电容法构成物位开关，可用于液位或料位报警或位式用电容法构成物位开关，可用于液位或料位报警或位式调节系统，这种应用方式下，不要求电容与物位成正比，

46、只希调节系统，这种应用方式下，不要求电容与物位成正比，只希望在电极附近有很高的灵敏度，所以电极宜横向插入容器或用望在电极附近有很高的灵敏度，所以电极宜横向插入容器或用平板形电极。平板形电极。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4 电容式物位传感器及变送器电容式物位传感器及变送器 5.4.2 位式作用传感器电路位式作用传感器电路 所用电路有起振停振型及连续振荡型两类。前者靠物位所所用电路有起振停振型及连续振荡型两类。前者靠物位所形成的电容满足振荡条件与否，决定是否振荡；后者利用交流形成的电容满足振荡条件与否，决定是否振荡；后者利用交流电桥的输出信号判断物位。两者都通过功率放大驱动继电

47、器或电桥的输出信号判断物位。两者都通过功率放大驱动继电器或无触点开关器件的状态得到通断信号。无触点开关器件的状态得到通断信号。 在教材图中，用纵坐标表示引起输出开关状态在教材图中，用纵坐标表示引起输出开关状态变化所需电容的改变量变化所需电容的改变量CX，横坐标表示物料中水分导致漏，横坐标表示物料中水分导致漏电阻引起开关状态改变所需的电阻引起开关状态改变所需的RX。两个因素都对输出状态。两个因素都对输出状态有影响，共同构成图中曲线。有影响，共同构成图中曲线。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量103 104 105 106 107Rx（）10 0Cx（pF）1122图图 测电阻对切换的影

48、响测电阻对切换的影响 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.4.2 位式作用传感器电路位式作用传感器电路 两种曲线的对应电路如两种曲线的对应电路如 图。图（图。图（a）为交流电桥式电路，）为交流电桥式电路，相当于曲线相当于曲线2的特性。图（的特性。图（b）为起振停振型电路。是曲线）为起振停振型电路。是曲线1的的特性。特性。C0R0CXRXU0图图 两种位式传感器电路（两种位式传感器电路（a） 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.4.2 位式作用传感器电路位式作用传感器电路L1C1CxRxC3L2C2图图 两种位式传感器（两种位式传感器（b） 第第 5 5 章章 物物 位位

49、 测测 量量 5.4.2 位式作用传感器电路位式作用传感器电路 料位变送器的电容传感器电路，多为环形二极管电桥式，其工作原理如 图图（a）所示。实用电路是图（b）所示的改进型。5.4.3 连续作用传感器电路连续作用传感器电路 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.4 电容式物位传感器及变送器电容式物位传感器及变送器ABCDD1D2D3D4CmC0mAt1t2U2U1图图 环行二极管电桥环行二极管电桥(a) 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.4.3 连续作用传感器电路连续作用传感器电路图图 环行二极管电桥环行二极管电桥(b)ABCDD1D2D3D4CmC0mACSCXL1C

50、d 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.4.3 连续作用传感器电路连续作用传感器电路v 5.5 电导式及电感式物位传感器电导式及电感式物位传感器 对于导电性液体用电导式液位传感器更为简单易行，尤其是输出开关信号的位式传感器，精确度和可靠性都比较高。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量（a）ABC（b）AB图图 电导式液位传感器电导式液位传感器5.5.1 电接点液位传感器电接点液位传感器 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量AB(C)图图 电导式液位传感器电导式液位传感器 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.5.1 电接点液位传感器电接点液位传感器5.5.2

51、简易连续指示液位计简易连续指示液位计 若液体导电性强，可采用教材中图（若液体导电性强，可采用教材中图（c） 方式。图中左侧方式。图中左侧为分段电阻法，使为分段电阻法，使AB间的阻值近似反比于液位。右侧为氖灯间的阻值近似反比于液位。右侧为氖灯显示法，液位越高发光的氖灯越多。显示法，液位越高发光的氖灯越多。 要注意的是，液体的电阻应远小于器壁漏电阻。要注意的是，液体的电阻应远小于器壁漏电阻。5.5.3 跟踪式液位变送器跟踪式液位变送器5.5.4 超导液位变送器超导液位变送器5.5.5 电感式液位传感器电感式液位传感器 （留给同学们自己自学。）（留给同学们自己自学。） 第第 5 5 章章 物物 位位

52、 测测 量量 5.5 电导式及电感式物位传感器电导式及电感式物位传感器v 5.6 阻力式料位传感器及变送器阻力式料位传感器及变送器 此处所称的阻力是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。粉此处所称的阻力是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器或变送器。利用这一特点可构成各种料位传感器或变送器。5.6.1 重锤探索法重锤探索法5.6.2 旋桨或推板法旋桨或推板法 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量5.6 阻力式料位传感器及变送器阻力式料位传感器及变送器5.

53、6.3 音叉法音叉法 根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否达到或超根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否达到或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单，灵敏而可靠。动，驱动功率小，机械结构简单，灵敏而可靠。 音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，由于周围空气对振

54、动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振。擦上，迫使振幅急剧衰减而停振。 为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。用另施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力转变为微外一组

55、压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力转变为微弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路，把检测元件的弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路，把检测元件的信号放大，经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。信号放大，经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显地倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显地改变，破坏了振荡条件，就会停振。只要在放大

56、电路的输出端改变，破坏了振荡条件，就会停振。只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。接以适当的器件，不难得到开关信号。 音叉料位开关的方框图如教材图中音叉料位开关的方框图如教材图中 。为了保护压电元件。为了保护压电元件免受物料损伤和粉尘污染，将驱动和检振元件装载叉体内部，免受物料损伤和粉尘污染，将驱动和检振元件装载叉体内部，经过金属膜片传递振动经过金属膜片传递振动 。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法料位料位图图 音叉料位开关原理框图音叉料位开关原理框图 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法检振元件检振元件前置

57、放大前置放大滤波滤波移相移相电压放大电压放大检波检波功率放大功率放大晶体管晶体管音叉音叉驱动元件驱动元件检振元件驱动元件引线压板膜片叉股图图 压电音叉的叉体压电音叉的叉体 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法 放大电路可由集成电路放大电路可由集成电路LM324构成，见教材图示构成，见教材图示 。图。图中中A1担任前置放大，担任前置放大，A2为低通滤波，为低通滤波，A3为移相电路，为移相电路，A4为电为电压放大，图中压放大，图中PZT2为驱动元件，为驱动元件，PZT1为检振元件。各电路元为检振元件。各电路元件的参数一般按照固有频率为件的参数一般按照固有频率为300

58、Hz的叉体设计。的叉体设计。 如果仅仅需要就地灯光显示，用作上限报警，图中的如果仅仅需要就地灯光显示，用作上限报警，图中的 D4可用红色发光管，可用红色发光管， D3则用绿色发光管，料位过高而停振时，则用绿色发光管，料位过高而停振时， D4亮而亮而D3灭，料位正常叉体振荡时灭，料位正常叉体振荡时D3亮，亮， D4灭。用作下限报灭。用作下限报警时，可将警时，可将D3， D4接法互换。这种情况下，图中的接法互换。这种情况下，图中的SSR及及RL不装，只装发光管不装，只装发光管D4 。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法 如需控制闸门或如需控制闸门或 出料机械设备在

59、料位过高时自动排放，出料机械设备在料位过高时自动排放，可在可在 图中用固态继电器图中用固态继电器SSR代替代替D4 。SSR是有光电隔离的双是有光电隔离的双向晶闸管，它可以使交流电路通断，由于是无触点的，比继向晶闸管，它可以使交流电路通断，由于是无触点的，比继电器或接触器可靠。电器或接触器可靠。 如需控制进料设备在料位过低时自动灌入，可将如需控制进料设备在料位过低时自动灌入，可将SSR代代替替D3接在晶体管接在晶体管T的发射极电路里。的发射极电路里。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法 与与SSR相连的相连的RL代表被控制的交流设备，也就是代表被控制的交流设备

60、，也就是SSR的负的负载。载。 音叉料位开关的叉体不一定装载容器壁上，也可以从顶音叉料位开关的叉体不一定装载容器壁上，也可以从顶部伸入，根据所需控制的料位决定伸入长度。部伸入，根据所需控制的料位决定伸入长度。 叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液位测量或控叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液位测量或控制，但不适合过分粘稠的将料。制，但不适合过分粘稠的将料。 与音叉原理相近的有振动棒及振动片式料位开关，也有与音叉原理相近的有振动棒及振动片式料位开关，也有三股差式料位开关。三股差式料位开关。 第第 5 5 章章 物物 位位 测测 量量 5.6.3 音叉法音叉法v 5.7 超声式物位传感器超声式