化工仪表自动化-第3章-4

化工仪表自动化四川理工学院电信系自动化教研室第三章检测仪表与传感器3.1概述3.2压力检测及仪表3.3流量检测及仪表3.4物位检测及仪表3.5温度检测及仪表3.6现代检测技术与传感器的发展23.4物位检测及仪表2差压式液位变送器33概述31电容式物位传感器4核辐射物位计35称重式液罐计量仪3概述“物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。液位指设备和容器中液体介质表面的高低。料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置简称界位。4概述物位是液位、料位、界位的总称。测量液位的仪表叫液位计；测量料位的仪表叫料位计；测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位仪表。5概述测量物位的目的：一种是对物位测量的绝对值要求非常准确、借以确定容器或储存库中的原料、辅料、半成品或成品的数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制，使它保持在规定的范围内，对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。6概述工业生产中对物位仪表的要求：主要的有精度、量程、经济和安全可靠等方面，其中首要的是安全可靠。物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。连续测量方式能持续测量物位的变化。定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。7概述由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。测量物位仪表按其工作原理主要有下列几种类型：(1)直读式物位仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。这类仪表中主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。8概述(2)静压式物位仪表

利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。9概述(3)浮力式物位仪表利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子(或称沉筒)的浮力随液位高度而变化的原理工作。它又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。(4)电气式物位仪表使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位。它可以分为电阻式(即电极式)、电容式和电感式物位仪表等。还有利用压磁效应工作的物位仪表。10概述(5)核辐射式物位仪表利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的。目前应用较多的是γ射线。(6)声波式物性仪表由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。所以声波式物位仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。(7)光学式物仿仪表利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白炽灯光或激光等。11概述其他型式的物位仪表：机械接触式物位检测仪表通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。重点介绍差压式液位计。12物位检测仪表的分类和主要特征13物位检测仪表的分类和主要特征续14浮力式液位计浮力式液位计有两类：恒浮力式：在测量过程中浮力维持不变的，如浮标、浮球等液位计。变浮力式：根据浮筒在液体内浸没的程度不同、所受的浮力不同来测定液位的高低。15浮力式液位计恒浮力法测量液位原理：平衡时：浮标的重量-浮力=平衡物的重量。即：W-F=G当液位上升时：浮标浸没部分增加，浮力增大，W-F<G,浮标上升，浮力下降，使

W-F=G浮标的位置就反映了物位的高度。16浮力式液位计变浮力法测量物位的原理：设浮筒重为W，浮筒在某一位置时弹簧的伸长量为X,弹簧系数为C，A为浮筒的截面积，则：弹簧的伸长量通过差动变压器的铁心被转化为电压的变化量，采用差动连接可提高灵敏度。浮筒17浮力式液位计液位高度上升△h’时，浮筒是否上升△h’呢？18差压式液位变送器1．工作原理敞口容器：多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度。P—测压仪表指示值H—液位的高度ρ—液体的密度g—重力加速度19差压式液位变送器密闭容器：测量容器底部压力，除与液面高度有关外，还与液面上部介质压力有关，其关系为根据压力P与液位H成正比的关系，可直接在压力表上按液位进行刻度。PA、PB——分别是液面上部介质压力和液面以下H深度的液体压力。20差压式液位变送器2.零点迁移问题1）无迁移差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上；差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在；被测介质的密度保持不变。21差压式液位变送器作用于变送器正、负压室的差压ΔP与液位高度H的关系为：ΔP=Hρg，当H=0时，正负压室的差压ΔP=0，变送器输出信号为4mA；当H=Hmax时，差压ΔPmax=ρgHmax，变送器的输出信号为20mA。22差压式液位变送器2）负迁移

变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。差压变送器的正、负压室的压力分别为23差压式液位变送器正、负压室的压差为当被测液位H=0时，ΔP=－（h2-h1）ρ2g<0，使变送器在H=0时输出电流小于4mA；H=Hmax时，输出电流小于20mA24差压式液位变送器3）正迁移变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。正、负压室的压力分别为25差压式液位变送器正、负压室的压差为当被测液位H=0时，ΔP=h1ρg>0，从而使变送器在H=0时输出电流大于4mA；H=Hmax时，输出电流大于20mA。

26差压式液位变送器零点迁移问题（a）无迁移

（b）负迁移

（c）正迁移0500042020007000ΔP(Pa)-20003000I0(mA)某压力变送器的测量范围：0~5000Pa，固定差压27差压式液位变送器3．用法兰式差压变送器测量液位为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、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。28差压式液位变送器作为敏感元件的测量头1(金属膜盒)，经毛细管2与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，并使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。采用硅油传递的好处是它的体积膨胀系数小，凝固点低，适用于寒冷天气和户外安装条件；常温下流动性好，无腐蚀性，性能稳定。29差压式液位变送器法兰式差压变送器按其结构形式又分为单法兰式及双法兰式两种。容器与变送器间只需一个法兰将管路接通的称为单法兰差压变送器，而对于上端和大气隔绝的闭口容器，因上部空间与大气压力多半不等，必须采用两个法兰分别将液相和气相压力导至差压变送器，如图3—46所示，这就是双法兰差压变送器。这种使用方式需要进行零点迁移。30差压式液位变送器静压法测量的特点：利用静压法测量液位，采用的压力变送器或差压变送器具有通用性，因为结构简单，安装方便，所以使用相当普遍。注意：由于浮力法和静压法中都涉及到液体的密度，所以仪表的读数受液体密度变化的影响，当液体的密度发生变化时，要对标尺进行修正。31投入式液位计电容差压变送器用于测量液体的液位32电容式物位传感器1．测量原理在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出。33电容式物位传感器在两圆筒间充以介电系数为ε的介质时，圆柱形电容器的电容量的表达式为：当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。这样，将电容传感器(探头)插入被测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起其电容量的变化，从而可检测出物位。RL34电容式物位传感器电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。HL35电容式物位传感器2．液位的检测对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如图3—48所示。电容式液位传感器由内电极1和一个与它相绝缘的同轴金属套筒做的外电极2所组成，外电极2上开很多小孔4，使介质能流进电极之间，内外电极用绝缘套3绝缘。上述电容式液为位计在结构上稍加改变以后，也可以用来测量导电介质的液位。36电容式物位传感器电容式传感器的检测大致可分成三种工作方式。37电容式物位传感器(a)适用于立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。在这种应用中，器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作为内电极。(c)适用于立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。38电容式物位传感器(b)适用于非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，物料为非导电性液体的液位的测量。在这种应用中，中心棒状电极的外面套有一个同轴金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容的中间介质为气体和液体物料。这样组成的电容Cx与容器的形状无关，只取决于液位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位的测量。39电容式物位传感器3．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”，所以一般不用双电极式电极。可用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。40电容式物位传感器充放电法测电容：矩形波周期T远大于充放电回路的时间常数，每个周期都有电荷Q=CxΔE对Cx充放电，可得到平均电流：41电容式物位传感器电容式物位计的特点：可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。42电容式物位传感器聚四氟乙烯外套43电容式物位传感器当油箱中注满油时，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。

该油量表属于开环系统还是闭环系统？电容式油量表44电容式物位传感器电容式接近开关在液位测量控制中的使用45电容式物位传感器电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用46电容式物位传感器电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示47核辐射物位计核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。48核辐射物位计放射线同位素的辐射线射入一定厚度的介质时部分粒子因克服阻力与碰撞动能消耗被吸收只一部分粒子则透过介质。射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱。入射强度为I0，的放射源，随介质厚度增加其强度呈指数规律衰减，其关系为：I为穿过厚度为H的物质后的辐射强度；I0为射入物质前的辐射强度；μ为物质的吸收系数；H为介质层厚度。49核辐射物位计属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。50核辐射物位计核辐射物位计的原理示意图51称重式液罐计量仪结构图：52称重式液罐计量仪用于大型储罐液体重量的精确测量。基于天平平衡原理，具有很高的测量精度和灵敏度。测量精度不受罐内液体组分、温度分布的影响。仪表可直接数字显示，编码信号便于与计算机联用，进行数据处理或进行控制53超声波液位计一般把频率超过20kHz的声波称为超声波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。超声波物位仪表是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。54超声波液位计根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。根据传声介质的不同可以分为：液介式、气介式、固介式三种。V—超声波在液体中的传播速度H—从探头至界面的距离（被测介质物位高度）t—超声波从探头发射至液面反射回来的时间55超声波液位计超声波物位计的特点：无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。56超声波液位计空气超声探头57超声波液位计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。

超声波测量液位和物位原理58超声波物位计

喇叭形超声发生器59超声波液位计

1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关超声波液位