自动检测技术7.物位

7.物位检测7.1概述7.2常有物位检测仪表测量物位的两个目的：一是通过测量物位来确定容器或储罐里的原料、半成品或成品的数量，以保证生产中各环节之间的物料平衡或进行经济核算；二是通过物位测量可以及时了解生产的运行情况，以便将物位控制在一个合理的范围内，保证安全生产以及产品的数量和质量。

7.1.1物位的定义物位－指设备和容器中物料的表面位置液位：容器中液体介质液面的高低界面：两种液体介质的分界面的高低料位：固体块状、颗粒、粉末状物质的堆积高度7.1概述

7.1.2常用物位检测方法

按测量方式分：

连续测量－连续测量物位的变化；

定点测量－只检测物位是否达到上限、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。

按工作原理分：

直读式－根据流体的连通性（侧壁窗口、旁通管）原理来测量液位。

静压式－根据流体静力学原理，根据液柱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。

浮力式－根据阿基米德定律，浮子高度随液位高低而改变来测量液位（恒浮力式）或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力变化来测量液位（变浮力式）。

电气式－根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。

机械接触式－通过测量探头与物料面接触时的机械力来测量。

另外还有：辐射式、声学式、光学式、射线式微波式、激光式、射流式、光纤维式等等。

7.2常有物位检测仪表

7.2.1静压式液位计

1.测量原理－根据液体的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理。

图（a）为敞口容器，将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为P=Hρg，H=P/ρg

图(b)为密闭容器，差压液位传感器的高压侧与容器底部的取压管相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连。差压传感器高、低压侧所感受的压力分别为

P高=P气+Hρg

，P低=P气，压差为ΔP=P高-P低=Hρg，H=ΔP/ρg

综上所述，利用静压原理测液位，就是把液位测量转化为压力或差压测量，所以各种压力或差压式测量传感器都可以用来测量液位。

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。就需要进行零点迁移。差压变送器上测得的差压为：为了使液位的零点和满量程仍能与差压变送器的输出下限和上限相对应，就必须克服固定差压ρgh0的影响，采用零点迁移就可实现。由于h0ρg作用在正压室上，称之为正迁移。通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为ρgh0～（ρgh0+ρghmax）（即液位从零液面到上限液面），液位计输出为4~20mA。

2.零点迁移－通过差压计内的迁移弹簧的调整，对感压元件预加一个作用力，将仪表的零点输出与液位零点对应一致。差压变送器（1）液位测量的正迁移－取压口低于容器底部液位、差压信号、电流输出信号之间的关系液位h(mm)差变输入△p(kpa)差变输出I0(mA)无迁移00（例：0mmH2O)）4Hmax△pmax(例：5000mmH2O)20正迁移迁移前0Hmaxρgh0>0（例：2000mmH2O）>△pmax（△pmax+ρgh0）（例：（5000+2000）mmH2O）>4(例：10.4mA)>20迁移后0~Hmax(h0=200m)ρgh0～ρgh0+ρgHmax(2000~7000mmH2O)4~20负迁移迁移前0--(ρ1gh1—ρ1gh0)<0<4Hmax<△pmax<20迁移后0~Hmax--ρ1g(h1--h0)～ρgHmax--ρ1g(h1--h0)4~20差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐（冷凝罐），如果隔离液的密度为ρ1(ρ1

>ρ)，则（2）液位测量的负迁移－介质有可凝结蒸汽或腐蚀性时对比无迁移情况，ΔP多了一项压力-（h1-h0）ρ1g，它作用在负压室上，称之为负迁移量。为了迁移掉-(h1-h0)ρ1g的影响，可以调整负迁移弹簧的张力来进行负迁移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在负压室内产生的力。液位计的测量范围调整为-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]（即液位从零液面到上限液面），液位计输出为4~20mA。

例题：如图，解：迁移量即测量下限：所以，差压计的量程（大小）=490Pa-（-34790Pa）＝35280Pa。迁移量为负迁移=-34.79kPa（结论：迁移只是改变量程范围的上、下限，而不改变量程大小。）测量上限：3.安装方式（1）引压管（压力表）式－通过引压管引出正、负压力，直接测压；（2）法兰式－应用于具有腐蚀/结晶/粘度大/易凝固液体 避免与液体直接接触，省去引压导管压力表式液位计图法兰式差压变送器测量液位1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器

单法兰式

双法兰式

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。按其结构形式有：用法兰式差压变送器测量液位

用差压计检测液位，其测量精度取决于测压仪表的精度，以及液体温度对其密度的影响。7.2.2.1.浮子式液位计原理（恒浮力式）－浮子随液面变化而产生位移。1.钢带浮子式液位计－是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。浮子向下的重力＝向上的浮力＋拉力7.2.2浮力式液位计2.磁浮子式液位计测量原理－以磁性浮子为测量元件，经磁耦合装置将容器内液位变化传送到现场指示器或远传。

结构组成－在容器内插入下端封闭的不锈钢管，管内固定一长条形绝缘板，板上紧密排列着舌簧管和电阻。在不锈钢管外套有一个可上下滑动的佛珠形浮子，内中装有环行永磁铁氧体，环行永磁体的两面分别设有N极和S极。当装有环行磁铁的浮子随液位上下移动时，由于磁力线的作用，使得处于管中的舌簧管吸合导通，而其他的舌簧管则处于开路状态。把不锈钢管内的所有电阻和舌簧管按图（b）连接，则随着液位的升降，AC间或AB间的阻值就相继改变。只要配上相应的检测电路，就可将电阻值变为标准的电流信号（在CB间接入恒定的电压，A端可得到与液位高度成比例的电压信号。）特点－结构简单，显示清晰直观。7.2.2.2.浮筒式液位计原理（变浮力式）－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变化量。 在达到平衡时：浮筒向下的重力＋弹簧弹性力＝向上的浮力推导结果：ΔH=kΔx结论：当液位变化ΔH时，使浮筒产生位移Δx，浮筒位移Δx与液位变化ΔH成比例关系。检测浮筒位移Δx的方法有多种，如差动变压器式、扭力管力平衡式等。图中浮筒连杆上装一铁心，随浮筒上下移动，经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出。1-浮筒，2-弹簧，3-差动变压器7.2.3其它物位计

7.2.3.1电容式物位计1.测量原理－利用敏感元件直接把物位变化转换为电容量变化组成－敏感元件＋电容检测电路圆筒形电容器构成－两个长度为L，半径为R和r圆筒形金属导体组 成；当两圆筒间充以介电常数为ε的介质时，则电容量为：当R和r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。当两圆筒电极的一部分被物料浸没时，极板间两种介电常数ε1、ε2将引起电容量的变化，两圆筒间的电容量C

：1—内电极；2—外电极电容式物位计可以测量液位、料位和界位1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔对非导电介质的液位测量：当液位为零时，其电容为

。当液位上升为H时，电容量变为对导电介质液位测量：用外包绝缘层的金属棒做内电极，外电极即液体介质，液位变化引起极板长度的改变。2.液位的检测ε0为空气介电常数ε为液体介电常数，电容量的变化为

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”，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。1—金属电极棒；2—容器壁电容量变化与料位升降的关系为图料位检测3.料位的检测优点：电容物位计的传感部分结构简单、安装使用方便，价格较低。

缺点：需借助较复杂的电子线路来检测电容的变化（交流电桥法，充放电法，谐振电路法）。注意：介质浓度、温度变化时能引起其介电系数也发生变化的情况。

4.电容式物位计特点7.2.3.2超声波物位计工作原理－是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。如果超声探头到液面的距离为H，声波在水中的传播速度为v则：分类－按传声介质分气介式、液介式、固介式

气介式液介式固介式

超声波（高于20kHZ的声波），方向性强，在气、液、固体中传播，传播速度与衰减不同，在穿过相界面时几乎为全反射。超声波的接收和发射原理－基于压电效应和逆压电效应；压电晶体－当压电晶体受到外力（声波声压）作用时，晶体两端将会产生与外力同步变化的极性相反的电荷；反之，将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿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；温度补偿－声波传播速度易随介质的温度变化的影响，需要进行温度补偿。构成型式－一体化超声波液位计、分体式超声波液位计、分体式超声波料位计等。

特点－非接触式，无机械可动部分，寿命长，安装维修方便，适合于有毒、高粘度、腐蚀性强的各种液体、粉末、块状介质；电路复杂，造价高。7.2.3.3物位开关物位开关：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。5.3.6水位计原理及配线图1．原理框图利用一般水（非纯净水）具有一定电阻的特性，构成桥式电阻输入电路，使用比较电路来判断水位是否到达设定电极，从而低成本准确地测出同一池中4点的水位状态，并通过继电器开关点位输出到PLC中。图5-8给出电极式水位计的原理框图，由桥式输入、比较器、功率放大、继电器、开关输出、直流稳压电源、输出显示几部分组成。

图5-6变频器接线图

2．电路原理图现以4点水位计为例进行介绍，如图5-9所示。检测电极与公共电极之间的电阻值或者无穷大或者是10～20k的电阻值（与水的浑浊程度有关），它取决于水位是否到达某个电极，而这个电阻又是比较器前桥路的一个桥臂电阻。因此，当水位到达某个电极时，就会触发比较器翻转输出一个高电平，从而导通三极管使继电器得电，输出一个水位到限的接点信号到PLC中，同时点亮发光二极管。相应的输出接点为2、4、6、8，C为公共端。图5-9水位计电路原理图3．水位计配线图电极式水位计包括探头与仪表盒两部分。仪表盒固定在墙体上，盒下部有3个穿线孔，自左向右分别穿过探头导线、电源与信号电缆，全部用PVC套管保护。探头采用白钢棍，一端接引入导线，另一端直接入水，电源与信号电缆来自于控制柜。水位计配线图如图5