过程检测仪表电子教案第三章物位检测仪2022优秀文档VIP

第三章物位检测仪表3.1概述3.1.1物位丈量的内容及意义物位：物料的位置和高度，包括液位、界位和料位。液位：气液分界面高度；界位：两种液体的分界面高度；料位：固液〔气〕分界面高度。物位丈量目的：一是用于确定物料的体积或质量；二是调理流入与流出物料的平衡。3.1.2物位检测方法及仪表分类1．按任务原理分类〔1〕直读式液位仪表连通器原理，有玻璃管式、玻璃板液位计等。〔2〕浮力式物位仪表浮力原理，有恒浮力式和变浮力式两种。〔3〕静压式物位仪表流体静力学原理。〔4〕电气式物位仪表将物位的变化转换为电量检测。〔5〕反射式物位仪表利用超声波、微波反射信号行程间接丈量液位。〔6〕射线式物位检测利用射线在被测介质中的吸收程度。2．按传感器与被测介质能否接触分类〔1〕接触式物位仪表如直读式、浮力式、静压式、电容式等。〔2〕非接触式物位仪表如雷达式、超声波式、射线式等。3.2直读式液位计

3.2.1玻璃管液位计图3.1玻璃管液位计1、5-连通阀；2-标尺；2—防溢钢球；3—玻璃管；4—密封填料；6—排污阀；7-放溢钢球；8、10-衔接法兰；9-压盖原理：连通器原理。ρ1=ρ2，那么h1=h2量程300～1200mm，任务压力≤1.6MPa，耐温400ºC。3.2.2玻璃板液位计图3.2玻璃板液位计1—液罐；2—连通阀；3-玻璃板；4-金属压框；5-排污阀；6-连通阀构造：由厚钢化玻璃板、金属压框和连通阀构成。玻璃板液位计的长度为500～1700mm，最大耐压为5MPa，耐温400ºC。透光式玻璃板液位计：液体处在两块玻璃板之间。缺陷是液体粘附玻璃，不宜看清真实液位。折光式玻璃板液位计：液体处在金属框与棱形玻璃板之间。原理：由于玻璃板对气、液的折光率不同，液相看起来是暗的，气相部分亮，气液界面明显。3.2.3双色水位计图3.3双色水位计构造和任务原理表示图

1-上侧连通管；2-加热用蒸汽进汽管；3-水位计钢座；4-加热室；5-丈量室；6-加热蒸汽出口管；7-下侧连通管；8-光源；9-毛玻璃；10-红色滤光玻璃；11-绿色滤光玻璃；12-组合透镜；13-光学玻璃板；14-垫片；15-云母片；16-维护罩；17-察看窗

构造：光源的白光经红、绿滤光玻璃后成为红、绿混合光，再经透镜分光构成红、绿两股光束以不同角度射入丈量室。原理：在丈量室汽相部分，蒸汽对红、绿光折射率都很小，红光直射到察看窗口，而绿光偏离窗口。所以在察看窗看到水位计中蒸汽呈红色。丈量室液相部分构成一段水棱镜。水中绿光折射率比红光大，使绿光折射后正好射到察看窗口、红光折射后偏离察看窗口。因此在察看窗看到的水呈绿色。特点：显示醒目、便于察看。任务压力4-22MPa，任务温度<300℃。3.3浮力式物位计

3.3.1恒浮力式液位计

1．浮标式液位计

构造：原理：当浮标受力平衡时，浮标可以随液面稳定：

式中W——浮标的重力；F——浮标所受的浮力；G——平衡重物的重力。液位上升时，其上浮力F添加，新的力平衡，反之亦然。因此实现了浮标对液位的跟踪。经过同步移动的平衡锤便可以指示出液位的高度。特点：简单直观，丈量精度低。误差缘由：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。，浮标向上挪动。直到达2.浮子钢带式液位计构造特点：用恒力弹簧〔盘簧〕7替代平衡锤。用均匀穿孔钢带替代钢丝绳，钉轮13周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为钉轮转动，经过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。原理：液位下降时，浮子分量拉动钢带使收带轮-卷簧轮6顺时针转动，将卷绕在储簧轮8上恒力卷簧7反绕在卷簧轮上。液位升高时，钢带拉力减小，恒力卷簧7将卷簧收回到储簧轮8上，收带轮-卷簧轮逆时针转动。钢带经过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。特点：钢带拉力恒定、丈量精度高〔可达0.3%〕、丈量范围大〔0～20m〕。图3.5浮子钢带式液位计1-浮子；2-钢带；3-滑轮；4-导向轮；5、6-收带轮-卷簧轮〔同轴〕；7-恒力卷簧；8-储簧轮；9-计数器；10-指针；11-传动齿轮；12-转角传感器；13-钉轮；14-导向钢丝阻尼块：电振荡脉冲停顿时，吸收声能量，防止惯性振动，保证脉冲宽度，提高分辨率在丈量锅炉汽包水位时，那么应加装冷凝罐。②插入式法兰：插入容器内部，适宜于检测高粘度、易沉淀或结晶介质。用途：密闭容器，液体介质的温度、压力、粘度较高，而变化范围较小的液位丈量。10浮筒式物位计构造由压力计6显示的压力即可反映出液位的高度。2．丈量导电介质的液位当测液面高度时，ρ2为气相密度。2磁致伸缩传感器的任务原理①物位计安装应留意根本安装间隔，与罐壁安装间隔为罐直径的1/6较好。折光式玻璃板液位计：液体处在金属框与棱形玻璃板之间。安装条件限制、引压管路隔离液影响，会呵斥附加静压。为消除附加静压影响，需调整差压变送器点，使之H=0时指零，仪表输出上、下限的与液位的零点、量程相对应。Pa——当地大气压力。①超声波液位计无可动部件，构造简单，寿命长。3.编码钢带液位计

经过在衔接钢带上打孔编码，用光电变送器转换为数字编码信号输出。图3.6编码钢带式液位计的构造1－浮子；2－导向钢丝；3－滑轮；4－衔接钢带；5－码带；6－重锤；7－仪表箱；8－变送器；9－过带轮；特点：①丈量精度高，绝对误差小于2mm。②无复杂的齿轮传动机构，寿命长，系统运转平稳可靠。③4～20mA规范信号输出，便于远传。④采用红外光电技术及格雷码带，抗干扰才干强。4.浮球式液位计用途：密闭容器，液体介质的温度、压力、粘度较高，而变化范围较小的液位丈量。原理：杠杆力矩平衡原理图3.7浮球式液位计1—浮球；2—连杆；3—转动轴；4—杠杆；5—指针标尺；6-平衡锤类型：内浮球式、外浮球。5．磁翻板式液位构造：连通器、带磁铁浮子、磁翻版〔每个磁翻板都有磁性，一面是红色，另一面为白色〕。图3.9磁翻板液位计1—磁翻板；2—内装磁钢的浮子；3—翻板支架；4—连通器；5—衔接法兰；6—连通阀；7—被测容器原理：当磁浮子随液位升降时，浮子磁场对磁翻板的吸引，迫使磁翻板转向，使磁浮子以下翻板为红色，磁浮子以上翻板为白色，显示液位。特点：构造结实，任务可靠，显示醒目。精度低、磁翻板易腿色退磁、浮子易卡。3.3.2变浮力式物位计1.浮筒式物位计原理图3.10浮筒式物位计构造浮筒是一不锈钢空心长圆柱体。浮筒的分量大于同体积的液体分量，使浮筒不能漂浮在液面上。原理：浮筒6悬挂在杠杆4一端，与扭力管3固连。扭力管3是一种密封式的输出轴，利用扭力管的弹性变形把浮筒上的力变成芯轴的转动。图3.11扭力管平衡的浮筒丈量原理1—外壳；2—芯轴；3—扭力管；4—杠杆；5—支点；6-浮筒当浮筒拉力f与扭力管扭角θ关系式中M0——作用在扭力管上的扭力矩；d1、d2——分别为扭力管的内、外径；C——扭力管横向弹性系数；L0——扭力管的长度。L——浮筒中心到扭力管中心的间隔。为常数当液位为零时f=W最大，扭力管扭角到达最大，θ约为7°。当液位上升时，浮筒浮力增大，拉力f减小，θ减小。当液位为H时，浮筒上拉力变化ρ——液体的密度；A——浮筒的截面积；W——浮筒的分量。与H=0时相比，扭力管扭角变化量Δθ与液位H成正比关系，负号表示液位H越高，扭角θ越小。2．变送环节F2390电动浮筒液位变送器。主要由振荡器、涡流差动变压器、解调器、直流放大器组成。图3.12转换器电路框图原理：当芯轴带动差动变压器动臂传动时，输出线圈上的感应电压⊿u变化与⊿θ成正比。⊿u变为直流电压V，送入差分放大器U放大，其输出电压经解调器将功率放大器转换为4～20mA电流I0输出。3.浮筒液位变送器的校验〔1〕干校法用挂法码干校浮筒液位计。该砝码所产生的重力f应等于浮筒的重力(包括挂链或挂杆的重力)W与液面在校验点时浮筒所受的浮力F之差。当丈量两种介质的界面高度时fH——液面在被校点H处砝码的重力，N；D——浮筒外径，m；L——仪表量程，m；H——液面高度，m；ρ1——重相液体的密度，kg／m3；ρ2——轻相液体的密度，kg／m3。

mH——液面在被校点H处砝码的质量，kg；M——浮筒、挂链或挂杆的质量，kg。当测液面高度时，ρ2为气相密度。ρ1＞＞ρ2，可简化为〔2〕水校法校验时封锁浮筒室的上、下引压阀，向丈量筒中灌水，用换算灌水高度进展校验。校验时所加水位高度h应满足与被校液位高度为H时浮筒对杠杆的拉力一样。校验所加水位高度h为那么所挂砝码的质量为3.4静压式液位计3.4.1丈量原理原理：流体静力学原理对敞口容器，PA为大气压p——B点的表压力；Pa——当地大气压力。3.4.2迁移问题安装条件限制、引压管路隔离液影响，会呵斥附加静压。为消除附加静压影响，需调整差压变送器点，使之H=0时指零，仪表输出上、下限的与液位的零点、量程相对应。这种方法称为“零点迁移〞。当H=0时，△P=0，差压变送器未受任何附加静压。差压变送器无需迁移。当H=0时，△P>0，差压变送器受附加正差压作用，需进展正迁移，迁移量：当H=0时，△P>0，差压变送器受附加正差压作用，需进展正迁移，迁移量：正、负迁移的本质是同时改动量程的上、下限，而不改动量程的大小。(a)无迁移(b)正迁移(c)负迁移图3.15差压式液位计的运用3.4.3法兰式差压变送器丈量液位假设被测介质易凝、易结晶或有腐蚀性，为防止导压管阻塞与腐蚀，可采用法兰式差压变送器。图3.17用法兰式差压变送器丈量液位法兰式差压变送器的敏感元件是金属膜盒，经毛细管与变送器的丈量室相通。由膜盒、毛细管、丈量室组成的封锁系统内充有硅油，经过硅油传送压力，省去引压导管，安装也比较方便，处理了导管的腐蚀和阻塞问题。选择原那么如下：①单平法兰式：用于易凝固、强腐蚀介质的液位丈量。②插入式法兰：插入容器内部，适宜于检测高粘度、易沉淀或结晶介质。③双法兰式：被测介质腐蚀性较强、负压室又无法选用适用的隔离液时。3.4.4吹气法丈量液位适宜于丈量具有强腐蚀、高粘度或含有悬浮颗粒介质。图3.19吹气式液位计1—过滤器；2—减压阀；3—节流元件；4—流量计；5—吹气管；6—压力表或压力变送器原理：紧缩空气经过滤器1、减压阀2、节流元件〔调理阀〕3、转子流量计4，最后由导管的下端逸出时。忽略导管5中气体的摩阻，导压管内气体压力与导管下端出口处的液体静压力〔又称液封压力〕相等。由压力计6显示的压力即可反映出液位的高度。节流元件3作用，气源流量恒定〔满足p2≤0.528p1〕。抑制气流摩阻影响：采用延续丈量法，在暂时停气时进展读数。3.4.5投入式液位变送器构造：分散硅式传感器位于导气电缆的底端，被安顿到罐底，将接受的液相压力。特点：便于安装、运用方便等优点。①引压导管应按最短间隔敷设，总长度不应超越50米。管线的弯曲处应该是均匀的圆角，拐弯曲率半径不小于管径的10倍。②引压管路程度安装时，应该坚持不小于1：10的倾斜度，并加装集气、凝液搜集器和沉淀器等，并定期排出。③引压导管要留意保温、防冻。④对有腐蚀作用的介质，应加装充有中性隔离液的隔离罐。在丈量锅炉汽包水位时，那么应加装冷凝罐。⑤全部引压管路应坚持密封，而无走漏景象。⑥引压管路中应装有必要的切断、冲洗、排污等所需求的阀门，安装前必需将管线清理干净。3.4.6.静压式液位计的安装(1)引压导管的安装H——两极板的长度；ε——两极板中间介质的介电常数；d——圆筒形外电极的内径；D——圆筒形内电极的外径。图3.21圆柱型电容器1—内极板；2-被测介质；3-外极板3.5电容式物位计 3.5.1丈量原理电容式物位传感器的电容量3.5.2电容式物位计的丈量方式1．丈量非导电介质液位电容传感器外电极2上有孔，使介质能流进电极之间。利用被测液体作电极间绝缘介质。H=0时——空气介电常数；H>0时ε为被测液体的介电系数。电容量的增量ΔC液位高度h成正比。图3.22非导电介质的液位丈量2．丈量导电介质的液位为防止内、外电极被导电的液体短路，内电极加一绝缘层，导电液体作为外电极。传感器电容量：ε——绝缘层介电常数；在丈量粘性导电介质时，介质沾染电极，产生“虚伪液位〞。①选用和被测介质亲和力较小的套管资料。②采用隔离型电极图3.23导电介质液位丈量原理3.丈量固体颗粒料位通常采用一根金属电极棒与金属容器壁构成电容器的两电极。传感器电容量：ε为固体物料的介电常数；D0为容器的内径。图3.25丈量非导电固体颗粒料位原理3.5.3电容量检测二极管电桥法：Cx是被测传感器的电容，C0用以平衡初始零位。图3.26二极管环形电桥方波电源负半周，Cx经过二极管D2及电流表M放电，而C0经过二极管D4放电。Cx、C0较小在充放电周期内与方波电源电压一样。在方波前半个周期，电流表中电流为方波电源正半周，一路经过二极管D1对Cx充电，另一路经过电流表M及二极管D3对C0充电。在方波后半个周期，电流表中电流方向正好相反电流表中经过的平均电流为当被测液位h=0时，电容Cx=C0，△I=0，即电桥平衡。当物位变化h>0时,Cx添加△Cx，相应引起的电流输出为

由式可见，电流表M输出的电流正比于被测电容的变化△Cx3.5.4电容式液位传感器的类型电容式液位计由传感器及配套的显示仪表组成。传感器类型。图3.28电容式液位传感器的外型3.5.5分段电容式液位计的特点及运用1.检测原理构造：由一个长电极和n段相互绝缘的分段电极组成。图3.29分段电容式液位计检测原理原理：丈量时，由微处置器控制多路切换开关，自下而上对N个小电容进展分时检测。液面上、下各段小电容CL、CG分别一样。中间只需一段是液面所在的段，其电容Cx介于CL、CG之间,只需判别出满料段数量n,即可按下式计算液位高度对被全部浸没的小电容，如图中的C1～C6,就不再关怀液体的介电常数了，而是根据被全部浸没的电容极板的位置，对液位进展“粗测〞〔ΔH.n〕。再由被部分浸没的电容〔如图中的C7〕对液位进展“细测〞，其丈量原理和前面讲过的电容式液位计一样，此处不再赘述。经过比较判别方式检测分段电容，可以同时得到校正所必需的CL、CG、Cx信号，为在线自动校正提供了方便。2.分段电容式液位变送器图3.30液位变送器框图由单片机构成的变送器对各段电容从下至上逐段进展扫描检测，并由软件对检测结果进展分析、判别、比较，计算出液位高度，并由光电隔离D/A变换模块转换为4-20mA信号输出。可远传至二次显示仪表进展显示。3.7超声波式液位计

超声波：频率超越20000Hz的叫超声波3.7.1丈量原理原理：利用超声波的回波测距法丈量空高来丈量液位。vc——超声波在被测介质中的传播速度，即声速；t——超声波从探头到液面的往返时间。超声波速度Vc与介质性质、密度及温度、压力有关。介质成分及温度的不均匀变化都会使超声波速度发生变化，引起丈量误差。图3.35超声波液位计丈量原理3.7.2超声波的发射和接纳

换能器：利用压电元件构成的。

超声波发射：利用逆压电效应，在压电晶体上施加频率高于20kHz的交流电压，压电晶体就会产生高频机械震动，实现电能与机械能的转变，从而发出超声波。

超声波接受：利用正压电效应，压电晶体在遭到声波声压的作用时，晶体两端会产生与声压同步的电荷，从而把声波转换成电信号。

压电晶体探头的构造。。图3.36压电晶体探头的构造

1-压电晶片；2-维护膜；3-吸收块；4-盖；5-绝缘柱；6-接线座；7-导线螺杆；8-接线片；9-座；10-外壳

压电片：厚度与超声频率成反比。两面敷有银层，作为导电的极板。

维护膜：防止压电片与被测介质直接接触。为了使声波穿透率最大，保护膜的厚度取二分之一波长的整倍数。

阻尼块：电振荡脉冲停顿时，吸收声能量，防止惯性振动，保证脉冲宽度，提高分辨率3.7.3超声波液位计组成图3.38气介式超声波液位计原理框图1-探头座；2-发射换能器；3-接受换能器3.7.4超声波液位计的特点及运用超声波液位计有以下特点：①超声波液位计无可动部件，构造简单，寿命长。②仪表不受被测介质粘度、介电系数、电导率、热导率等性质的影响。③可测范围广，液体、粉末、固体颗粒的物位都可丈量。④换能器探头不接触被测介质，因此，适用于强腐蚀性、高粘度、有毒介质和低温介质的物位丈量。⑤超声波液位计的缺陷是检测元件不能接受高温、高压。声速又受传输介质的温度、压力的影响，有些被测介质对声波吸收才干很强，故其运用有一定的局限性。另外电路复杂，造价较高。3.7.5超声波液位计的安装应留意以下问题：①物位计安装应留意根本安装间隔，与罐壁安装间隔为罐直径的1/6较好。液位计室外安装应加装防雨、防