自动化技术与仪表 第三章检测仪表 第3.4节 物位检测仪表

3.检测仪表第4节物位检测仪表

1基本要求掌握物位的基本概念及物位检测的原理掌握物位检测的方法静压式物位计浮力式物位计：恒浮力法和变浮力法电气式物位计声学式物位计射线式物位计光学式、微波式、激光式、差压式液位变送器、称重式液罐计量仪掌握液位、料位、分界面检测的不同方法23.4.1概述物位在容器中液体介质的高低叫液位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）叫界面物位计测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量分界面的高低（界位）的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位计。物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。物位检测的意义：确定容器内储存量。通过测量达到控制物位。3物位开关：在物位检测中，有时不需要对物位进行连续测量，只需要测量物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，这种定点测量用的仪表被称为物位开关。一般用来监视、报警、输出控制信号。4常用的物位检测方法：

物位检测总体上可分直接检测和间接检测两种方法

直接测量法

直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。5间接检测由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如：静压式物位计浮力式物位计：恒浮力法和变浮力法电气式物位计声学式物位计射线式物位计另外还有：光学式、微波式、激光式、光纤维式等等。

6检测原理:基于力学原理基于相对变化原理基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理73.4.2静压式液位计1.检测原理容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：ρ为介质密度，H为液柱高度AB8若液体上方的自由空间为大气压力p0,则根据静力学原理，有因此要知道液位，需要测出压力容器下部某些与上部自由空间之间的压力差(或压力)。为此要用差压(或压力)传感器。AB9静压式液位计静压式液位变送器102.实现方法测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。压力表式液位计(b)法兰式液位变送器(c)吹气式液位计（单法兰式液位变送器）112.实现方法(d)差压液位变送器原理图（双法兰式液位变送器）对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图示出差压式液位计测量原理。12法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。133.量程迁移和零点迁移零点迁移量程迁移143.量程迁移与零点迁移(1)无迁移:取压点与液位零面在同一水平面差压传感器测量液位原理图

设被测介质的密度为ρ，容器顶部气相压力为pA，pB是液位零面的压力，p1、p2是取压口的压力，根据静力学原理可得因此，差压变送器正负压室的压力差为液位测量问题就转化为差压测量问题了。15差压传感器测量液位原理图

但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高度时，会产生附加的静压误差。这就需要调整变送器的零点，使其在只受到附加静压时输出为零，该方法称为“量程迁移”，实质上是“零点迁移”。3.量程迁移与零点迁移(1)无迁移:取压点与液位零面在同一水平面16液位测量的负迁移差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，如果隔离液的密度为ρ1(ρ1

>ρ)，则(2)负迁移:介质有腐蚀性时因为：所以：17当h=0时，ΔP=（h0-h1）ρ1g<0，所以称为负迁移;它作用在负压室上。将上式变为：为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压ρ1g（h1-h0）的影响，采用零点迁移就可实现。量程迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]迁移后，差压式液位计的量程为：hmaxρg18迁移弹簧改变变送器的零点。迁移

同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。迁移实现方法19液位测量的正迁移差压变送器上测得的差压为(3)正迁移:取压口低于容器底部因为：所以：20当h=0时，ΔP=h0ρg由于h0ρg作用在正压室上，由于ρgh0〉0，所以称为正迁移。h0ρg称之为正迁移量。迁移后，差压式液位计的测量范围调整为h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

迁移后，差压式液位计的量程为：hmaxρg21正负迁移示意图正迁移示意图举例某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。

22例3.6：检测液位已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，和h1=1.0m，h2=5.0m，液位变化范围0—3m，当地重力加速度g=9.8m/s，求差压变送器的量程和迁移量.23利用差压式液位计测量液体的分界面，如下图所示。液位计正、负压室受力情况如下：

P1=h0ρ2g+（h1+h2）ρ1gP2=（h2+h1+h0）ρ1gΔP=P1

–P2=h0g（ρ2-ρ1）4.测量分界面由于（ρ2-ρ1）是已知的，所以压差ΔP与分界面高度h0成一一对应关系。243.4.3浮力式液位计

原理：基于浮力原理，适用于液位的检测。浮力式物位检测有两种方法：恒浮力式变浮力式磁浮子液位计25钢带浮子式液位计—恒浮力式 右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。GW吃水线在浮子中央时，26浮筒式液位计—变浮力式结构：如图原理：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。弹簧差动变压器浮筒27当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移动，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即

当h＝0时，浮筒的重量与弹簧的作用力相平衡。液位高度变化与浮筒位移成正比。弹簧差动变压器浮筒283.4.4电容式物位计1.原理：物位的变化变换为电容量的变化；检测元件常为一个圆筒式的电容器。由两个长度为L，半径分别为R和r的圆筒形金属导体中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。29当两圆筒中间所充介质介电常数为ε0的气体时，则该圆筒间的电容量为：当R和r一定时，电容量的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε0的乘积成比例。302.液位的检测非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为（1）非导电介质液位测量当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为C1CC231

电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。

结论32

结构：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（2）导电介质液位测量33

1-内电极；2-绝缘套等效电路C11CC2C12343.料位的检测用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。该电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。1—金属电极棒；2—容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。

电容量变化与料位升降的关系为料位检测35电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极(也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；

4-绝缘套36设辅助电极长L，它相对于料位为零时的电容变化量CL为：主电极的电容变化量为CH为:

由于L是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。

37优点

电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点

需借助较复杂的电子线路。

应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。38

小结：

电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常数的变化的影响；其次是物位相对电容器的电容量变化值很小，往往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电容测量比较困难。电容式料位计电容式液位计39（1）次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。1.声波的分类次声波可闻声波超声波3.4.5超声波物位计40（2）可闻声波频率在16~20KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波。41（3）超声波蝙蝠能发出和听见超声波。高于20KHz的机械波，称为超声波。42超声波指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。当超声波从一种介质向另一种介质传播时（例如钢板与空气的交界面），在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生明显的反射和折射。当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。2.超声波物理基础433.超声波传感器（换能器）

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。

44各种接触式斜探头常用频率范围：1-5MHz45超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。46空气超声探头47空气超声探头外形48空气超声探头外形49超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播特性进行的。超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。4.超声波物位检测的基本原理50超声波的接收和发射：

超声波的接收和发射基于压电效应和逆压电效应。用作超声波发射和接受的压电晶体称为换能器。单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。51超声波的发射和接收通常是由超声波换能器实现；目前最广泛的超声波换能器是电—声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。模型演示525、测量液位和物位

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。53

超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种； 按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。54(a)气介式(b)液介式(c)固介式单探头超声波液位计 超声波传播距离为L，波的传播速度为v，传播时间为t

，则：对于一定的气体来说，v是已知的，因此，可以用测时间的方法确定出物位的高度。55sh2ah2as超声波在液体中传播测量超声波在空气中传播测量双换能器经过的路程：

2S=vt

v：超声波在介质中传播速度双探头方式56超声波液位测量的优点：与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。

57超声波液位测量的缺点：超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件；当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度。58超声波传播速度的补偿方法有：温度补偿设置校正具超声液位（物位）计59超声波测量液位和物位喇叭形超声发生器603.4.6其它物位计

1.射线式物位计（核辐射物位计）(1)检测原理射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式

μ－介质对射线的吸收系数，不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。61(2)检测系统组成

射线源探测器电子线路γ射线料位计核辐射物位计示意图1—辐射源；2—探测器电子线路62(3)实现方法

放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示。模型演示63(4)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。适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。642.微波物位计微波：是波长为1mm～1m的电磁波，可分三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波的特点:

(1)在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；

(2)在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。652.微波物位计

微波物位计又称雷达物位仪。

微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波从传感器传播至物料表面并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。雷达液位计66微波液位传感器

微波液位计

67微波超声波波类型电磁波机械波反射特性在不同介电常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压力影响微不足道很小温度影响微不足道需温度补偿传播速度约（真空中）（空气中，20℃）测量盲区到天线顶端离辐射面＞250㎜动态范围高达150dB高达100dB传播环境很少受气相环境影响要求均一的气体环境微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较68微波物位计有以下主要特点：测量准确可靠性强、寿命长几乎可以测量所有介质安全节能693.热电法

热电法采用热电偶测量温度场，右图为热电偶测量高温金属熔液液位原理图。图中:a-容器壁；b-凝固金属；c-钢水；d-热电偶。热电偶测量高温金属熔液液位原理图70 在容器壁上选定一系列测量点，装上热电偶，并将各测点上热电偶的输出记录下来，得到如图所示的温度-电势分布曲线，曲线上反映出第7个和第8个测点之间产生了温度突变，因此液面就在第7与第8测点之间。温度-电势分布图71特点：

热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；而且精度与热电偶分布、安装情况有关。

适当减小各热电偶的间距、增加测量点，则可提高金属液位测量的分辨力和测量精度。这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很实用的液位检测控制方法。72 激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。反射式激光液位检测原理图1-激光发射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器4.光学法

73特点：

激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大为提高。745.电阻式液位计电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。

所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。75右图为用于连续测量的电阻式液位计原理图。1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。76该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为

该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。H、h——电阻棒全长及液位高度(m)；ρ——电阻棒的电阻率(Ω*m)；A——电阻棒截面积(m2)。776.称重式料位计

一定容积的容器内，物料重量与料位高度成比例，因此可用称重传感器或测力传感器测算出料位高低。称重式料位计1-支承；2-称重传感器78

7.电阻式物位计

电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制，因此也称作电极接触式物位计。

测量原理示意图：两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。

测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信