第5部分物位测量及变送(新)

1、第5部分 物位测量检测技术与仪表概述5.1 静压式液位测量5.2 浮力式液位测量5.3 电容式液位测量5.4 超声波物位测量5.5 微波法物位测量5.6 核辐射物位测量5.7 电导式及电感式物位传感器5.8 阻力式料位传感器5.9 应用实例1概 述 一、物位测量的定义 物位：统指液位、料位和相界面的位置。 液位：容器、河道、水库等，相对于某指定位置液体的表面位置。 料位：容器、堆场、仓库等所储固体颗粒、粉料等的堆积高度。 相界面：同一容器中两种密度不同且互不相溶的介质间的分界面。有：液-液相界面、液-固相界面。 测料位的仪表料位计；测液位的仪表液位计，测分界面的仪表界面仪。2二、目的和意义 1

2、、为经济核算提供依据：确定原料、半成品或成品的数量，保证生产物料平衡。 2、维持正常生产、保证产品的产量和质量、保证安全生产。 例，火电厂锅炉汽包水位测量与控制，过高蒸汽带水品质降低 轻则加重管道和汽机的积垢，降低压力和效率；重则使汽机发生故障。过低不利与水循环可能使水冷壁管局部过热甚至爆炸。三、工艺特点及主要问题 1、传感器的安装位置 液体：液位水平，只对安装高度有要求，在等高处任选地点安装；粉粒物料：料面不水平，与进出料口位置及流量有关。概 述 3 若进出料口都处于轴线上的圆筒形容器 ；进料量大于出料，料面呈圆锥状；出料流大于进料，呈漏斗坑；在距容器内壁1/3半径处安装料位计。 2、盲区

3、浮子法，受容器底面、顶面限制，有盲区； 超声波法，受距离太小无法分辨的限制，存在盲区。 3、死角 容器的几何形状和传感器安装点不当死角。 4、分粒体料位有滯留区 流动性差，堆积状态不滑坡的最大倾角“安息角”。与颗粒形状、表面粗糙度、潮湿度、带静电否、吸附气体否等有关。设计料仓要考虑这一特性，否则会有物料残留。 概 述 代表平均料位4四、物位计的分类 按测量原理分为: 压力式 浮力式 电容式 电导式 阻力式 声波式 微波及射线式 等等概 述 55.1 静压式液位测量 5.1.1 测量原理 测液柱高产生的静压实现液位测量。 如图4.1，设PA密封容器中A点的静压(气相压力)，PBB点的静压，H液位

4、高度， 液体密度。则：若为敞口容器，则PA大气压， PB B点的表压力。 图5.1 静压法液位测量原理 当为常数，压力或差压只与液位高有关。测出P或P可知液位。量程合适的压力或差压的仪表皆可用于液位测量。 P或P乘以容器的截面积，可得到容器中液体的质量测总量。6 5.1.2 压力式液位计 测压表所测压力来反映液位，如图5.2。 图5.2 测压仪表测液位1、用测压表测量 如图5.2(a)，引压管把压力计与容器底部连通，仪表示值反映液位高低。测压基准点与最低液位一致。若不一致，要考虑附加液柱影响，进行修正。 适合黏度较小、洁净液体液位测量。 测量黏稠、易结晶或含有颗粒液体的液位，采用法兰式压力变送

5、器，如图5.2(b) 。5.1 静压式液位测量引压管易堵塞7 2、 吹气法 适于腐蚀性、高黏度或有悬浮颗粒液位测量，如图5.3 。 由液位变化范围，调节减压阀2，使压缩空气压力为P1； 调节流元件3 ，使压力为P2，保证最高液位仍有微量气泡从导管下端口逸出； P1变化不大，当满足P20.528 P1时，气源流量恒定不变。 吹气流量约：20Lh； 液位管内压力从导管下端逸出的气量 。管内压力与液体静压约相等，表5示值即反映液位高H。5.1 静压式液位测量5.3 吹气法测量图压缩空气85.1.3 差压式液位计容器下部的压力与液位高度及液面上部介质压力有关；差压值还受液体密度和仪表安装位置影响。1

6、、零点迁移问题压力、差压检测要求：取压口(零液位)与压力/差压仪表的入口在同一水平面，否则有附加静压差；实际安装时不能保证满足该要求。如测地下储槽，仪表安在地面；法兰式差压变送器，导压管中充满硅油，安装在任何高度，均有附加静压。5.1 静压式液位测量读数和维护的方便9 无迁移 图5.4 (a) 差压变送器正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，正压室与零液位等高；压力分别为P+ 和P- ，则： H0，P 0，无需迁移。 5.1 静压式液位测量10 负迁移 图5.4(b)上方气体可凝；或介质有腐蚀性，为防腐，差变正、负室与取压点间装有隔离罐，并充满隔离液。其密度为 ，正、负压室所受压力为：

7、5.1 静压式液位测量11 当0， B0，有一固定值（输出I4mA）；要H0，输出I4mA，需消去B的作用零点迁移。迁移的量为B，故为负迁移。 正迁移 5.4(c) 实际安装时，常不能保证变送器和零液位在同一水平面。 5.1 静压式液位测量12 H0， C，有一固定值，使输出I4mA； 要H0，I4mA，需消去C的作用。迁移量 C0，故需正迁移。方法与负迁移相似。零点迁移仅改变了变送器测量范围的上、下限，而量程大小不会改变。 5.1 静压式液位测量13 例5.1 如图5.4(b) ，用差变测液位。 1200kgm3， 950kgm3，h11.0m，h25.0m，液位变化范围：03.Om。重力加

8、速度g9.8ms2，求变送器的量程和迁移量。 解 ： 液位在03.Om变化时，差压的变化量： 可选差变的量程：040kPa。 H0，有： 需负迁移，迁移量为-34.24kPa。 迁移后测量范围：34245.76kPa。 若选用DDZ型仪表，则当I4mA时，H0；当I20mA时，H403.035.283.4m，即实际可测液位：03.4m。 若要求H3.0m时，输出20mA，则还需量程迁移，使当 35.28-34.241.04kPa时，输出I=20mA。5.1 静压式液位测量14 2、 特殊液位测量 腐蚀性、易结晶或高黏度介质液位测量。 采用法兰式差变：防引压管腐蚀或堵塞，如图5.6。法兰式有：单

9、法兰、双法兰、插入式或平法兰等结构。存在零点“迁移”问题： 毛细管中硅油密度，kgm3。 正负压侧的毛细管中的介质相同，迁移量与安装位置无关。5.1 静压式液位测量图5.6Hh3P0h415 锅炉汽包水位测量采取一些补偿措施。关键环节:平衡容器。图5.7 双室平衡容器 粗管，正压容室与汽包连通，进入平衡容器的蒸汽不断凝结成水，因溢流而保持恒定水位。 细管，负压容室与汽包水连通。 汽包为正常水位时，平衡容器差压： 相应汽包压力下的饱和蒸汽密度，kgm3； 宽容器内水的密度，kgm3； 负压管内水的密度，kgm3。5.1 静压式液位测量图5.7受汽、水密度变化等影响，测量误差较大16 当水位变化偏

10、离正常水位时，设变化量H ，即HH0 土H 。平衡容器的差压： 将式(5.7)代入得=(5.8) 可见： 平衡容器输出的差压随H变化； 2 s ，水位增高，平衡容器的输出差压减小； 相反，当汽包水位降低时，平衡容器的输出差压增大。5.1 静压式液位测量17 误差分析： 散热的影响：平衡容器正、负压室水温从上至下逐渐降低，不易测定，密度1和2的数值也难以准确确定。 消除法：对平衡容器保温（1和 2为汽包压力下饱和水密度W ，即2 1 W ）。则差压与水位H的关系： 上式表明：汽包工作压力稳定，转换关系不变； 应用工况不变，读数才正确； 汽包压力发生变化（密度W和s随之变化，读数产生误差）； 与水

11、位H和平衡容器结构尺寸L有关，LH 越大，误差也越大。 可见：锅炉起停过程中，汽包压力低于额定工作压力，差压式液位计的指示比实际低。 在中压锅炉中可达4050mm，在高压锅炉中可达100150mm。5.1 静压式液位测量18消除或减小汽包压力变动误差法：中间抽头平衡容器，如图5.8；同时测量汽包压力，对差压信号进行修正，获得准确的水位测量值。 图5.8示平衡容器输出差压与汽包水位之间的关系：（5.10）式中: 汽包压力下饱和水和 饱和蒸汽的密度差； 室温下水和饱和水的密度差； 、 平衡容器的结构尺寸。 若将两密度差近似为汽包压力的线性函数：5.1 静压式液位测量图5.8asP019则：=（5.

12、11）式中： 常数。其中 ， 。 当压力补偿范围较大时，可多段折线来逼近密度差与汽包压力的关系。 由式(5.11)设计的差压式汽包水位测量系统方框图如图5.9。5.1 静压式液位测量图5.920现场安装5.1 静压式液位测量21 例题1、如图示，用差压变送器测密闭容器的液位。已知h1=50cm，h2=200cm，h3=140cm，被测介质的密度1 = 0.85g /cm3，负压管内的隔离液为水，求变送器的调校范围和迁移量。 解：仪表的量程P ：当液位最低时，变送器正、负压室的受力： 迁移量：因P 盲区距离。双探头方式，可大为减小盲区。2、设置校正具回声测距法：声波在介质中的传播速度与介质的密度

13、有关，而密度是温度和压力的函数；声速变化，影响测距准确性；保证测量精度：对声速进行校正。5.4 超声波物位测量0时空气中的声速为331ms，100时空气中的声速384ms50 设液位H，测量探头发出声波的传播速度为v，往返时间为t，则：5.4 超声波物位测量 校正探头和测量探头在同种介质中，若v v0，则：(5.43) 固定校正具方法 图5.29。两组探头：测量探头和校正探头。校正探头到反射板的距离L0。在介质中的波速v0，往返时间t0，则：若使t0数值上等于L，则t数值上就等于液位高H。图5.29 装于传声介质中，探头与反射装置距离固定515.4 超声波物位测量问题：固定位置安装校正具；许多

14、情况下不能保证v v0 ；容器中温度场和介质密度上下不均匀，波速有差异；活动校正具（如图5.30）若密度分布不均匀，或介质存在温度梯度时，可采用浮臂式倾斜校正具；精度高，但安装不方便，要求容器的直径(或高度)要大于Hmax。 图5.30525.4 超声波物位测量 固定距离标志方法 图5.31，在探头上方，每隔固距离(如1m)放一小反射体；每遇一个反射体就有一个反射标志波；当声脉冲传到液面，仍有较强的液面反射波；鉴别出各个标志波和液面波（图5.32），可得液位高：图5.3153将液位高度H分为h1和h2进行测量，h1可准确计量， h2采用活动校正具法测量，测量精度较高。 如H4582mm，因米标

15、志波不受介质的声速影响，只要小反射体安装距离准确，就可准确确定米数，即h1 41000mm。测量h2 = 582mm即可，降低了精度要求。5.4 超声波物位测量 h1 以米为单位的液位数值； h2 小于1m的零数段。图5.32545.4 超声波物位测量 5.4.3 气介式超声液位 图5.33带声速校正具的多能气介式超声波液位计原理框图。Ac 、Bc：声速校正，间距为 L ；Am 、Bm测量，间距2D ，发射到接收，经过的时间 tx ，到液面垂直距离X；声波传播的实际距离 ；若把声波经过2X的垂直距离所需时间表示为tx，则：(5.45) 图5.33BC555.4 超声波物位测量当XD时，近似地：

16、 若将测量点到容器底的距离取为nL（n1，2，3，），则H： 校正探头的超声脉冲从发射到接收的时间s； 超声脉冲在气介质中的传播速度ms。nL和 都是常数，测出 可知液位高。 56USS-93B系列超声波液位计、料位计*特 点:一体化设计，安装方便；三线制；强劲声波发射，测量稳定可靠；过压过流保护；光电隔离4-2OmA输出；较大电流的双继电器输出，用于报警和控制泵；全塑料外壳，耐腐蚀，适应任何现场环境；灵活简便的安装方式:法兰式或支架式。应用场所:敞口池子 水渠 水井 化学品罐 料槽 粮仓 料仓 储罐被测介质：清水 污水 灰浆 泥浆 酸碱液 化学试剂 化肥药品 润滑油 重油 沥青 矿石 固体颗

17、粒产品类型:USS-93B2、USS-93B4、USS-93B6、USS-93B16型 57USS-93B系列超声波液位计、料位计USS-93B2、USS-93B4、USS-93B6型 由主机与探头构成 耐强腐蚀 可应用于压力容器（特制） 适用于各种液压介质 低盲区 精确温度补偿 高出国外产品5倍以上的信号灵敏度 基本技术参数： 量程：0.30-2.00m USS-93B2型 0.30-4.00m USS-93B4型 0.30-6.00m USS-93B6型 分辨率：0.01m 测量精度：0.5%（满量程） 输出信号：DC4-20mA 电流信号 允许环境温度：-30+60 探头耐压强度：普通型

18、0-0.4bar 特制型0-1.0Mpa 探头波束角：3度（-3dB） 供电电源：DC24V 0.3A ；AC220V 0.3A 继电器上下限报警 电缆装置：PG7密封套 外壳材料：ABS（主机）PVC（探头12） 安装方式：法兰或支架 58USS-93B系列超声波液位计、料位计 量程：0.60-20.00m 分辨率：0.01m 测量精度：0.5%（满量程） 输出信号：DC4-20mA 电流信号 允许环境温度：-30+60 探头波束角：3度（-3dB） 探头耐压强度： 普通型 0-0.4bar 特制型0-1.0Mpa 探头外壳保护等级：1P66 供电电源：DC24V 0.3A ； AC220V

19、 0.3A 继电器上下限报警 电缆装置：PG7密封套 外壳材料：ABS（主机）PVC（探头） 安装方式：法兰或支架 USS-93B16型 由主机与探头构成 可用于液位、料位多种测量场所 耐强腐蚀 适用于各种介质 低盲区 极高灵敏度 基本技术参数：LMS型数显表 液位显示 表盘式安装 DC24V 0.5A输出 上下限报警，继电器输 出控制 可与主机配套使用 595.5 微波法物位测量-雷达式物位计 波长在1mm到1m的电磁波称为微波。 与无线电波比较，特点： 良好的定向辐射性，良好的传输特性； 传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的影响极小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收最

20、大。雷达式物位计微波技术的物位测量仪表。无可动部件、不接触介质、无测量盲区；可用于大型固定罐、浮顶罐内腐蚀性液体、高黏度液体、有毒液体的液位测量；精度几乎不受被测介质温度、压力、相对介电常数及其易燃易爆等恶劣工况的限制。 605.5 微波法物位测量-雷达式物位计 5.5.1测量原理 雷达波往返的时间（发射，抵达液面后反射），正比于天线到液面的距离。图4.34 C电磁波传播速度，300000kms； d被测介质与天线之间的距离，m； t 天线发射与接收到反射波的时间差，s； L天线距罐底高度，m； H液位高度，m。 两种方式测量：微波脉冲法及连续波调频法。脉冲测量法：常用56GHz辐射频率，脉宽

21、约8ns； 连续波调频法：常用10GH载波辐射频率，锯齿波，宽带调频。图5.34615.5 微波法物位测量-雷达式物位计 1、微波脉冲法 原理图5.35。脉冲由发送器通过天线发出；经液面反射后由接收器接收，并将信号传给计时器；计时器得到脉冲的往返时间；难点：精确测量时间（雷达波速非常快，直接测量难以满精度要求）。解决法：采用合成脉冲雷达波，测量发射波与反射波的频率差，间接求得往返时间，图5.36。图5.35图5.36625.5 微波法物位测量-雷达式物位计 测量系统包括：天线头、数据采集板DAB、高频信号发生板HFB三部分。图5.37。振荡器：产生合成脉冲雷达波；线性化：减少干扰带来的波动；分

22、配器：一束波分成互相隔离的两束波；B波：发射到基准线(带温度补偿)，提供自校正参考；微处理器：计算得出d。 设B波基准线长度d0，液面到天线距离d反射计A： 由传播介质和实际安装方式决定。 反射计B： 常数； 的测量在密封壳内，受外界影响很小。图5.37635.5 微波法物位测量-雷达式物位计* 2、连续波调频法 原理框图如图5.38。微波源：波段(10GH)的压控振荡器；从液面反射的信号经环形器送往混频器；混频器：对输入信号进行混频，产生差频信号，并送往放大器；放大器：将回波信号放大到规定的幅度后，送数字信号处理器；数字信号处理器：对输入信号进行采样和傅氏变换，获得频谱特性；计算输出液位信号

23、。图5.38645.5 微波法物位测量-雷达式物位计 5.5.2 雷达液位计的应用问题 1、介质的相对介电常数 微波在液面产生反射和折射，强度被衰减，当相对介电常数小到一定值时，微波信号衰减过大，液位计无法正常工作。避免法：被测介质相对介电常数大于产品所要求的最小值；用导波管。2、温度和压力微波的传播速度不受温度变化的影响；在允许温度范围内工作（采取冷却措施）；避免高温介质对天线的影响：与最高液面间留有一定的安全距离。可在真空或受压状态下正常工作；压力高到一定程度时，对测量带来误差。3、导波管(稳态管)消除多重回波所产生的干扰影响；提高反射回波能量（测量相对介电常数较小的液面）。与传播媒介的相

24、对介电常数和磁导率有关655.5 微波法物位测量-雷达式物位计 对鱼雷罐铁水的测量。铁水温度：1000以上。解决高温的问题。A、在加长的安装立管上安装压缩空气通道，注入压缩空气以降低雷达液位计的喇叭天线口的温度。 B、采用导波弯管的设计，避开由于辐射引起的超高温。 C、喇叭天线与安装口保持一定的距离，以降温。 665.6 核辐射物位检测技术 5.6.1基本原理 射源产生的射线穿透物质，其强度随物质的厚度而变化： 分别为射入介质前和通过介质后的射线强度， 介质对射线的吸收系数， 介质的厚度，介质不同，吸收射线的能力也不同；当放射源和被测介质一定时， 和 都为常数；则介质厚度H与射线强度I的关系为： 被吸收掉一部分675.6 核辐射物位检测技术放射源：Co-60(钴)和