物位检测工作原理和方法

1、一、概述 物位是指各种容器中液体介质界面的高低，两种不溶液体介质的分界面高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。例1：污水处理厂进水泵房，潜水泵控制根据集水井液位控制。例2：精馏塔塔底液位控制。 1、静电容液位指示计2、超声波液位指示计3、静电容液位开关4、电缆浮球液位开关5、浮球连续式液位指示计 6、连杆浮球液位开关7、侧装式浮球液位开关8、流动开关9、压力式液位指示计 10、小型浮球液位开关11、磁性浮子式液面计12、光电液位开关 图3-27 各种液位测量方法物位检测仪表按工作原理可分为：1、直读式物位仪表 根据流体力学的连通性原理测量液位 2、浮子式物位仪表 根据浮子高度随液位高低变

2、化而改变(恒浮力)，或液体对浸沉在液体中的浮子（或浮筒）的浮力随液位高度变化的原理测量液位（变浮力）。 3、差压式物位仪表 根据液位或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。 4、电学式物位仪表 把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。 5、声学式物位仪表 根据物位变化引起声阻变化、声波的遮断和反射距离不同而测量物位。 6、核辐射式物位仪表 根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理。二、差压式物位计 1、原理 静压力式液位计只能用于测量敞口式或常压容器，对于有压密封容器，其底部的液体压力不但与液体高度有关，还与液面上方气相介质压力有关。在工

3、业过程中，普遍用差压式液位计来测量储槽式反应罐内的液位。 图3-33 差压式液位计测量原理图图3-33 差压式液位计测量原理图正压室：负压室：式中： 、 分别为液面上方气相压力 和容器底部的压力。 H液位高度 液体介质密度 重力加速度正、负室压差为： (3-23) 由上式可知：差压式液位计所测压差只与液位高度成正比，而与液体上方的气相介质的压力无关。当用差压式液位计测量敞口容器液位时，只要把差压式液位计的负压室通大气即可。图3-33 差压式液位计测量原理图2、测量液位时的零点迁移 使用差压式液位计测量液位时，若安装位置条件不同，将造成液位H与压差 之关系不象式 那么简单，可能存在仪表零点迁移问

4、题。（1）、无迁移 当测量装置如图3-33所示时，差压计的正压室取压口正好与容器的最低位（H=0）处在同一水平位置上。液位H与压差 之关系为(1) H=0， =0，变送器输出为起点值。(2) H= ， = ，变送器输出为满量程。(3) H=0 ， 在0 之间线性变化。此时，无需对差压变送器的零点进行迁移。（2）、正迁移 当仪表安装高度与容器最低液位不在同一水平位置时，如图3-34所示，这时正负压室的压力差为：正压室：负压室：正、负室压差为： (3-24)式中， 差压计正压室到液位起点处的垂直高度。图3-34 正迁移测量安装图（2）、正迁移 当仪表安装高度与容器最低液位不在同一水平位置时，如图3

5、-34所示，这时正负压室的压力差为：正压室：负压室：正、负室压差为： (3-24)式中， 差压计正压室到液位起点处的垂直高度。 （2）、正迁移 由式(3-24)可知，当H=0时， 0。对比无迁移情况，相当于在正压室多了一项压力，其固定压差为 ，此即为正迁移，这样在液位在0 变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉正压室的固定压差的作用。 方法：在变送器中加一调零迁移弹簧，迁移弹簧的作用是将变送器的测量从起点迁移到某一正数值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。方法：（3）、负迁移 在实际测量中，有时为了不让被测容器内的液

6、体或气体进入变送器而造成导压管线结晶、堵塞、腐蚀仪表，或为了保持负压室凝液高度恒定，常在变送器的正、负压室与取压点间分别加装隔离罐，并充以密度为 的中性隔离液，如图3-35所示。时正负压室的压力差为：图3-35 负迁移测量安装图正压室：负压室：正、负室压差为： (3-25) 由式(3-25)可知，当H=0时， 0。对比无迁移情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定压差为 ，此即为负迁移，这样在液位在0 变化时，差压变送器的输出不再是标准信号。为了使仪表输出反映被测量液位，必须抵消掉负压室的固定压差的作用。（3）、负迁移 方法：调整负迁移弹簧，其作用是将变送器的测量从起点迁移到某一负数值，同时改

7、变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小。图3-36 不同零点迁移情况下的特性曲线【例】如图335所示，用差压变送器检测液位。已知 =1200kg/ ， =950kg/ , =1.0m, =5.0m, 液位变化的范围是0，已知当地重力加速度为，求差压变送器的量程和迁移量。解： 当液位在03m变化时，差压的变化量为： Pa根据差压变送器的量程系列，可选择差变的量程为40KPa.当H=0时，有 【例】 所以差变要进行负迁移，迁移量为，迁移后该差变的测量范围为 。【例】若采用DDZ-型仪表，则当变送器输出为4mA时，表示H=0, 当I=20mA时，H=4030/35.28=3.

8、4m, 即实际可测量液位为：0。若要求时差变输出为20mA, 应如何处理？答：零点负迁移后，进行量程调整，使得当差压为-1.96 KPa时，输出为20mA。【例】三、声学式物位检测 声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当震动频率在十余赫兹到万余赫兹时可以引起人的听觉，称为声波；更低频率的机械波称为次声波；20k赫兹以上的机械波称为超声波，物位检测一般使用超声波。 图3-37 声学式物位测量装置图3-37 声学式物位测量装置(1) 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体次之,固体吸收最小而衰减最小。声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，衰减

9、也越大。因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。(2) 声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声速也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。 (1)(3) 当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上会产生反射和折射。当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。 (3)声学式物位测量原理：通过测量声波从发射至接收到被物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。 (3-26)式中：v: 超声波的传播速度，t: 为超声波从发射到接收所经过的时间。(3) 图3-38 超

10、声波物位计示意图 (A) 清洁液体液位测量 (B) 污浊液体液位测量 超声波的发射与接收 超声波的发射与接收根据压电效应，通过换能器实现，换能器的核心是压电晶体。 图3-39 声波发射 图3-40 声波接收 测量方法 根据测量介质不同，超声波物位测量可分为：气体、液体和固体三种类型。换能器：用两个探头，发射一个、接收一个；或公用一个。 影响测量精度的因素： t：可以通过电路准确测量 v：与介质密度有关，而密度是温度和压力的函数。因而必须进行补偿。方法有：温度补偿 如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声换能器附近

11、安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。设置校正具 在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成速效校正用的探头。 A、固定校具： 校正的方法是将校正用的探头固定在校正具（一般是金属圆同）的一端，校正具的另一端是一块反射板（图3-41）。由于校正探头到反射板的距离 为已知的固定长度 ，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间 ，则可得声波在介质中的传播速度为：图3-41 应用固定校正具检测液位原理图设置校正具 因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即 =v，则代入（3-26）式可得 由上式可知，只要测出时间T和 ，

12、就能获得料位的高度H，从而消除了声速变化引起的测量误差。 适用于容器中介质的声速个处相同 。图3-41 应用固定校正具检测液位原理图B、活动校具主要用于声速沿高度方向变化的介质 。图3-42 应用活动校正具检测液位原理图四、 射线式物位检测 放射性同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线。射线是从放射性同位素原子核中放射出来的，它由两个质子和两个中子所组成（即实际上是氦原子核），带有正电荷，它的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线是电子流，电离本领比射线弱，而穿透能力较射线强。射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短，不带电荷，它在物质中的穿透能力比和射线都强，但电离本领最弱。 由于射线的可穿

13、透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移，材料的厚度及成分，流体密度，流量，物位等。物位检测是其中一个典型的应用示例。 四、 射线式物位检测1、检测原理 当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为： （327）1、检测原理式中 ，I为射入介质前和通过介质后的射线强度；为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。介质不同，吸收射线的能力也不同。一般是固体吸收能力最强，液体其次，气体最弱。当射线源和被测介质一定时， 和 都为常数。测处通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度H。

14、 1、检测原理2、 检测系统组成 射线式物位检测系统主要由射线源，射线探器和电子线路等部分组成（见图343）。(1)射线源 主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。 由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透能力较强的射线。能产生射线的放射性同位素主要是 （钴）和 （铯），它们的半衰期分别为年和33年。 图3-43 射线式液位检测原理图2、 检测系统组成 射线式物位检测系统主要由射线源，射线探器和电子线路等部分组成（见图343）。(1)射线源 主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。

15、 由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透能力较强的射线。能产生射线的放射性同位素主要是 （钴）和 （铯），它们的半衰期分别为年和33年。 （2）探测器 射线探测器的作用是将其接收到的 射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。作为射线的检测，常用的探测器是闪烁计数管，此外，还有电离室，正比计数管等。 放射源的强度取决于所使用的放射性同位素的质量。质量越大，所释放的射线强度也越大，这对提高测量精度，提高仪器的反映速度有利，但同时也给防护带来了困难，因此必须是两者兼顾，在保证测量满足要求的前提下尽量减少其强度，以简化防护和保证安全。2、 检测系统组成 闪烁计数管主要是由闪烁体和光电倍增两部分组成。闪烁体是一种能将射线的能量转变为光能的物质，而光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其转变为电子，并将这些电子倍增放大为可测量的电脉冲。对于不同射线的探测，所用的闪烁体是不同的。探测 射线的闪烁体为碘化钠晶体。（3）电子线路 将探测器输出的脉冲信号进行处理并转换为统一