建筑环境测量技术 第6章 物位测量

第六章物位测量

6.1物位检测的主要方法和分类6.2静压式物位检测6.3浮力式物位检测6.4电气式物位检测6.5声学式物位检测6.6射线式物位检测16.1物位检测的主要方法和分类物位的定义：对于一种液体：物位——液位，即容器中液面的高低。使用液位计检测。对于两种液体：物位——界面，即两种液体介质的分界面的高低。使用界面计检测。对于固体：物位——料位，即固体块、散粒状物质的堆积高度。使用料位计检测。液位计、界面计、料位计统称物位计。通过物位检测可以确定容器中被测介质的储存量。26.1.1物位检测的主要方法1、静压式物位检测根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力B与介质上方自由空间(A点)压力之差，与该点上方的介质高度H成正比。因此可利用差压来检测液位H。36.1.1物位检测的主要方法2、浮力式物位检测恒浮力法：利用漂浮于液面上的浮子随液面变化的位置来检测液位。变浮力法：利用部分浸没于液体中的物质的浮力随液位变化来检测液位。46.1.1物位检测的主要方法3、电气式物位检测把敏感元件（内筒、外筒）做成一定形状的电极置于被测介质中。电极之间的电气参数，如电阻、电容等，随物位的变化而改变。既可用于液位检测，也可用于料位检测。56.1.1物位检测的主要方法4、声学式物位检测利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。液位和料位的检测都可以用此方法。66.1.1物位检测的主要方法5、射线式物位检测放射性同位素所放出的射线（如α射线、β射线、γ射线等）穿过被测介质（液体或固体颗粒）因被其吸收而强度减弱。吸收程度与物位有关。可以实现物位的非接触式测量。76.1.2物位检测的基本原理

1、基于力学原理 敏感元件所受到的力（压力）的大小与物位成正比，包括静压式、浮力式和重锤式物位检测等。2、基于相对变化原理 当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。这种检测原理包括声学法、微波法和光学法等。3、基于物理量变化原理 某强度性物理量随物位的升高而增加原理，例如对射线的吸收强度、电容器的电容量等。86.2静压式物位检测

用于液体液位检测。采用玻璃管及压力（压差）仪表。6.2.1

检测原理 液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化。如图，对于封闭容器，A代表实际液面，B代表零液位，H为液柱高度。根据流体静力学原理可知，A、B两点的压力差为：96.2静压式物位检测

当被测对象为敞口容器，则PＡ为大气压，△P为B点的表压力。因此，A、B两点的压差△P或B点的表压力P与液位高度H成正比。把液位的检测转化为压力差或压力的检测，选择合适的压力或差压检测仪表就可实现液位的检测。106.2.2检测方法

1、玻璃管检测采用与被测容器相连通的玻璃管来直接显示。敞口容器：在容器底部引出连通管，与显示用玻璃管相连接。玻璃管的高度需要高出最高液位的高度，顶端敞口直接与大气相通。密闭容器：在上下两端引出连通管与显示用玻璃管的上下端相连接。特点：简单可靠，结果准确。只能现场检测，检测结果无法远传。密闭容器：使用玻璃管检测液位116.2.2检测方法

2、压力仪表检测敞口容器：将压力表通过导压管与容器底部零液位处相连。要求液体密度为定值，否则会引起误差。图6.2.2压力计式液位计示意图容器压力表零液位导压管压力表实际指示的压力是液面至压力表入口之间的静压力。当压力表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高度差而引起的压力变化进行修正，以消除由于安装位置引起的静压误差。126.2.2检测方法

密闭容器：容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。P2=P0+ρgH压力表的指示值，除了与液位高度有关外，还与液体密度和压力表的安装位置有关。当这些因素影响较大时，必须修正。对于安装位置引起的指示偏差，可采用量程迁移来解决。容器压力表零液位图6.2.3差压式液位计示意图136.2.2检测方法

特殊介质具有腐蚀性、含有结晶颗粒、粘度大、易凝固的液体介质，导压管容易被腐蚀或堵塞，影响测量精度，甚至不能测量，应使用法兰式压力变送器。敏感元件为金属膜盒，它直接与被测介质接触，省去导压管，从而克服导压管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与压力变送器的测量室相通，它们所组成的密闭系统内充以硅油，作为传压介质。为了使毛细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管。法兰毛细管法兰式液位计示意图146.2.3量程迁移

当取压口与压力表的入口不在同一水平高度时，会产生静压误差。如对于地下凹槽，压力表不能安装在零液位处。因此，必须进行校正。校正计算的方法称为量程迁移。包括：无迁移、负迁移、正迁移。图6.2.2压力计式液位计示意图容器压力表零液位导压管容器压力表零液位图6.2.3差压式液位计示意图15无迁移

将差压变送器的正、负室分别与容器的下部和上部取压点相连通，并保证正室与零液位等高。设压差变送器的正、负室受到的压力分别为P+和P-，则：零液位H=0时，△P=0H=Hmax时，△P=△Pmax16差压变送器

差压变送器的作用：将输入差压转化为统一的标准信号输出。对于DDZ-III型电动差压变送器，输入信号为差压△P，输出信号为4~20mA电流。对于液位H的测量，在无迁移的情况下：当H=0时，△P=0，对应差压变送器的0点，输出信号I=4mA。当H=Hmax时，△P=△Pmax，对应差压变送器的满量程，输出信号I=20mA。图6.2.6差压变送器的正负迁移示意图：b-负迁移a-正迁移17负迁移

当容器上方空间的气体是可凝性的（如水蒸气），或如果被测介质有腐蚀性，导压管需要防腐。因此，在差压变送器正、负压室与取压点之间分别装设隔离管，并充以隔离液。隔离液的密度为ρ2，则：B：负迁移量18负迁移

当H=0时，△P=-B，输出信号I<4mA。为了使得H=0时I=4mA，就要设法消去-B的作用，这称为量程迁移。由于要迁移的量为负值，因此称为负迁移，负迁移量为B。对于DDZ-III型差压变送器，量程迁移只要调节变送器上的迁移弹簧，使得变送器：在H=0、△P=-B时，输出电流I=4mA。在H=Hmax、△P=Hmaxρ1g-B时，输出电流I=20mA。从而实现输出电流与液位之间的线性关系。19正迁移

取压点高于压力表的入口。C：正迁移量20正迁移

当H=0时，△P=C，输出信号I>4mA。为了使得H=0时I=4mA，就要设法消去C的作用，这称为量程迁移。由于要迁移的量为正值，因此称为正迁移，正迁移量为C。对于DDZ-III型差压变送器，量程迁移只要调节变送器上的迁移弹簧，使得变送器：在H=0、△P=C时，输出电流I=4mA。在H=Hmax、△P=Hmaxρ1g+C时，输出电流I=20mA。从而实现输出电流与液位之间的线性关系。21例6.2.1

已知:ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1.0m，h2=5.0m，实际液位变化范围为0~3.0m。重力加速度g=9.8m/s2。求:(1)计算差压的变化量。(2)选择差压变送器的量程。(3)计算差压变送器的迁移量。(4)计算迁移后差压变送器的压差测量范围。(5)计算迁移后差压变送器的液位测量范围。解:(1)最高液位为3.0m时，最大的差压量为：Pmax=Hmaxρ1g=3.0×1200×9.8=35.28kPa压差变化量为0~35.28kPa(2)根据国家规定的差压变送器的量程系列，大于35.28kPa的差压变送器的量程为40kPa。(3)迁移量为-B=-(h2-h1)ρ2g=-(5.0-1.0)×950×9.8=-37.24kPa(4)最小测量量Pmin=0-37.24=-37.24kPa最大测量量Pmax=40-34.24=2.76kPa(5)按照实际选择的量程计算。实际液位测量范围：Hmax=40×3.0/35.28=3.4m226.3浮力式物位检测

基本原理：恒浮力式检测

通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移，检测液位。变浮力式检测

利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系，检测液位。236.3.1恒浮力式物位检测

恒浮力式物位检测包括浮标式、浮球式、翻板式等等。本专业常用浮球式液位计测量或控制水位。浮球2安装在浮筒1内，其上端连接有连杆3，连杆顶端置有磁钢6。当水位发生变化时，浮球2带动连杆3和磁钢6在调整箱组件8中的非导磁管4中上下移动。当磁钢6分别移动到上限水银开关7、下限水银开关5处，与水银开关上装有的磁钢相作用，带动水银开关动作，从而实现开关量控制。浮筒浮球连杆磁钢调整箱组件非导磁管上限水银开关下限水银开关246.3.2变浮力式物位检测

原理：浮筒由于被液体浸没高度的不同，导致所受的浮力不同，从而检测液位变化。圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上。弹簧的下端固定。浮筒没有浸入液体中时，弹簧因浮筒的重力被拉长，当浮筒重力与弹簧力达到平衡时，浮筒静止。浮筒的一部分浸入液体中时，浮筒受到液位的浮力作用而向上移动。当浮筒受到的浮力、弹簧力、浮筒重力三者平衡时，浮筒停止移动。256.4电气式物位检测

检测方法： 利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。根据电量参数的不同，可分为电阻式、电容式和电感式等。电容式检测原理：圆筒电容器原理两个长度为L、半径分别为R和r的圆筒形金属导体组成一个电容器。当两圆筒间充以介电常数为ε1的气体时，该圆筒组成的电容器的电容量为：

266.4电气式物位检测

如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为ε2的液体所浸没。设被浸没的电极长度为H，此时的电容量为：未浸没部分的电容浸没部分的电容电容器电容增量△C与液体浸润高度H成正比。两种介质的介电常数的差值ε2-

ε1越大，△C越大，液位计的灵敏度越高。276.5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。作为物位检测，一般应用超声波。6.5.1超声波检测原理原理：利用超声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。超声波发射器置于容器底部。当它向液面发射短促脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为υ，则有如下简单关系：286.5.2超声波物位计

超声波的发射和接收是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波转换成电能。反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换——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。296.5.2超声波物位计1.超声波物位计换能器的结构超声波的发射和接收是基于压电效应和逆压电效应。换能器的核心是压电片。图：超声波换能器探头的常用结构。2.超声波物位计的校正与补偿超声波在介质中的传播速度主要随温度变化。因此需要采取有效的补偿措施。1）可以在附近安装一个温度传感器。根据声速与温度的函数关系，自动进行声速补偿。