过程检测技术及仪表第2章4节物位测量课件

概述物位几个概念：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在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关

概述意义：确定容器内储存量。通过测量达到控制物位。火力发电锅炉汽包水位:锅炉安全、汽轮发电机概述常用的物位仪表分类:直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理声波式物位仪表：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。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作……原理：利用浮力原理,是基于液体的浮力使浮子随着液位的变化上升或下降而测量液位。适用于液位的检测。分类：浮子有很多种形式，常用的按结构原理和浮子形状可分为：浮球液位计、浮筒液位计、钢带液位计、磁浮子液位计和磁翻板液位计。浮力式液位计浮力式液位计浮力式液位计又可分为恒浮力式和变浮力式两类。

1.变浮力式液位计

变浮力式亦称筒式液位计，当液面区别时，沉筒浸泡于液体内的体积有区别，因而所受浮力区别而产生位移，通过机械传动转换为角位移来量测液位。此类仪表能以便于远传和自动调节。

2.恒浮力式液位计恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简易、价格较低，适于各种贮罐的测量。

测量原理：1、如图所示，将一截面相同，质量为m的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，当h＝0时，浮筒的重量被弹簧的反作用所平衡。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，直到与弹簧的反作用力重新平衡。设此时弹簧的位移为△x，弹簧刚度为c，则浮筒液位计浮筒液位计浮筒液位计使用和特点1、适用于高温，高压的场合2、精度较高（精度等级0.5）、可靠性好、调整方便、测量范围广、经久耐用。3、适合工艺流程中敞口或带压容器内的液位、界位、密度的连续测量。4、该仪表带二线制4～20mA输出和HART传输协议输出；5、有本安型、隔爆型、液晶指示型、电池型多种产品，安装形式多样。6、智能式的具有参数设定、故障提示等功能电动浮筒液位变送器概述可广泛适用于石油、化工、制药等工业中常压或带压容器内各种液体液位、分层界面的连续测量。只输出电信号，需与显示仪表配套测量液位。浮筒是一根直径均匀，长度与测量范围相同的密封金属管，如下图，属变浮力式仪表。电动浮筒液位变送器测量原理变送器是借助于阿基米德定律（浮力原理）及力平衡原理而工作的。被测液面高度的浮筒悬挂在下杠杆端部，液位上升时，浮筒沉浸在液体中，并受到阿基米德定律向上的浮力作用。当液位变化时，支承点杠杆力也发生变化，通过称重传感器测得浮筒浮力的大小，即可得到液面的高度。经转换，输出与液位高度成比例的4～20mA.DC标准信号。远传至控制室，实现远程液位显示或工艺流程的控制。电动浮筒液位变送器电动浮筒液位变送器特点和使用1、针对不同的介质和测量要求，变送器设有密度及零点、量程调节电位器，以便对输出信号进行调整。2.测量精度较高：±0.5%---±1.5%(FS)；灵敏度为0.05%；3．输出信号：标准型：4～20mA.DC,二线制；24V.DC供电；智能型：4～20mA，叠加符合HART协议的数字信号；4、要防止变送器受强烈振动或冲击；5、对于易凝、易结晶、易沉淀及粘度较大的被测介质应选用带保温夹套式，现场应备有蒸汽管线；6、传输电缆与变送器引入装置在连接处需加挠性保护管，变送器端子连接处应加绝缘套管。7、变送器外壳必须良好接地，工作环境温度最高不得超过60℃。

干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器用途：用于民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽中各种液位的液位测量，被检测的介质可分水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体，本控制器可对液位进行自动控制。干簧式浮球液位控制器型号：工业产品常用的有UQK-71系列

干簧式浮球液位控制器安装和接线

1、

法兰安装和螺纹安装两种2、

传感器与显示仪之间的联接线不能与交流电源同路敷设，因为感应交流电有可能会

影响仪表，同时为了避免干扰信号，尽可能使用屏蔽电缆在铁管内敷设。3、

传感器装在被测容器上，传感器下端最好与容器底部固定牢。4、

由于受运输的限制，大于4m以上采取分段装箱，焊接后做好水压试验（压力小于0.6MPa）确定不漏方可使用。5、垂直安装侧装式浮球液位开关测量原理：侧装式浮球液位开关是利用液体浮力原理，当浮球因浮力作用而上下运动时，信号器发出预定的信号。侧装式浮球液位开关测量原理与浮子式液位界面信号器类似；侧装式浮球液位开关SPDT(SinglePoleDoubleThrow)：单刀双掷，是电气接线的一种方式304相当于我国的0Cr19Ni9(0Cr18Ni9)不锈钢侧装式浮球液位开关特点：1、侧装浮球液位开关系用于桶槽内高、低液位的检测报警,既可水平安装于桶测壁,也可垂直安装于顶部,2、结构简单合理,性能稳定可靠,安装方便,且其控制部分与被测介质完全隔离。3、结构:防护型(IP65),隔爆型(ExdⅡCT6);本安型

4、材质：塑料材质有PP、PVDF，可用于酸碱场所；不锈钢材质有SUS304/316，适用于高温或高压桶槽。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为介质的密度，对于固体颗粒，ρ应理解为堆积密度静压式液位计由于物料（液体）上方的自由空间有压力p0,则根据静力学原理，有因此要知道物位，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。为此要用差压传感器。静压式液位计静压式液位计零点迁移无迁移设差压变送器正、负压室所受到的压力分别为和，则有可见差压变送器未受任何附加静压；差压变送器无需迁移。静压式液位计零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin负迁移设隔离液的密度为，这时差压变送器正、负压室所受到的压力分别为由于要迁移的量为负值，因此称负迁移。静压式液位计正迁移设连接负压室与容器上部取压点的引压管中充满气体，并忽略气体产生的静压力，则差压变送器正、负压室所受的压力为静压式液位计由于要迁移的量为正值，因此称正迁移。例已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位变化范围0—2.5米，求：变送器的量程和迁移量。解Hmaxρ1g=2.5*1200*9.8=29400Pa变送器量程可选为：40kPa当H=0时，-ρ2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24kPa变送器需要进行负迁移，迁移量为－37.24kPa

结论：差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。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，引压管线容易出现被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器（压力信号的远传装置），分单法兰式及双法兰式两种。

原理：把物位的变化变换为电容量的变化；结构：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。电容式物位计

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：如果电极的一部分被另一部分介电常数为ε的液体（物料）所浸没时，设上半部分介质的介电常数仍为ε0，浸没的部分长度为l，则电容器上半部分的电容器为：下半部分为：总电容为：电容式物位计

可见，当几何尺寸一定，ε，ε0不变时，电容的变化量是被测介质物位L的线性函数。如果被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极，构成导电介质电容式物位计。电容式物位计

电容式物位计的电容信号转换：传感器中的振荡电路可以把物位变化引起的电容量改变转换为频率的变化，并送给电子模块，通过的计算分析处理后转换为工程量显示出来，从而实现了物位的连续测量。电容式料位计电容式液位计电容式物位计

电容式物位计制造主要考虑因素：1、温度对介电常数的变化的影响；2、物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是几纳法（几千皮法），而且易受干扰影响，电容测量比较困难。电容式物位计

电容式物位计产品特点及使用：1、结构简单、安装方便、性能可靠的优点；2、电极多为不锈钢材料制造，耐腐蚀性强、绝缘和导电性物料均能使用3、适合监测开口、有压容器中的物位，维修量小。4、本仪表不适于介电常数或物料湿度变化过大的场合以及物料不能与电极良好接触的固体介质。5、被测介质为结晶、结垢或粘度很高时对测量精度有一定影响。6、依照过程温度不同分成三类：普通型：-20～60℃、中温型：-40～200℃、高温型：-40～800℃7、传感器与二次仪表的连线及距离：距离<200m，用直径1.5mm以上的导线（最好是双绞线）连接，每条导线电阻应小于3欧姆；检测原理

超声波一般频率高于20kHz。超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前最广泛的超声波换能器是电能—声能转换器，压电晶体换能器（用作超声发射和接受的压电晶体）就是常用的换能器之一。超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。超声波物位计当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其中反射率为：IR、I0分别为反射和入射声波的声强声阻抗Z1=ρ1v1,声阻抗Z2=ρ2v2,其中v1、v2为声波在介质1和2中的传播速度；α、β分别为声波的入射角和反射角；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；超声波物位计在容器底部安装一只超声波发射器和一只接收器（也可以只用一个探头轮换发射和接收超声波脉冲），设声速为v，实际物位高度为H，则从发射到接收所需时间t为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。测量液位时，超声波探头也可置于容器的顶部，其原理是一样的。超声波物位计超声波的发射与接收

超声波的发射与接收根据压电效应，通过换能器实现，换能器的核心是压电晶体。声波发射图声波接收图实现方法超声波传播速度的补偿方法有：1、温度补偿：安装温度传感器测温；2、设置校正具：设置两组换能器探头，一组作为测量探头，一组作为声速校正用探头，两组换能器探头都放在被测介质中，声速校正用探头发射的声波在固定时间内走过固定的距离，以此测出实际声速。超声液位（物位）计超声波物位计温度补偿

如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声换能器附近安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。应用固定校正具检测液位原理图设置校正具

在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成速效校正用的探头。A、固定校具：

校正的方法是将校正用的探头固定在校正具（一般是金属圆同）的一端，校正具的另一端是一块反射板。由于校正探头到反射板的距离为已知的固定长度L0，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间T0，则可得声波在介质中的传播速度为：设置校正具

因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即=v，则代入（3-26）式可得

由上式可知，只要测出时间T和，就能获得料位的高度H，从而消除了声速变化引起的测量误差。适用于容器中介质的声速各处相同。B、活动校具主要用于声速沿高度方向变化的介质。应用活动校正具检测液位原理图超声波物位计超声波物位计使用特点：1、非接触式测量，超声波物位计安装于料仓、液罐上方，不直接接触物料。2、超声波料位计仪表可配置可编程继电器输出、高精度4~20mA电流输出、RS-485数字通信输出三种形式。3、低功耗，超声波料位计主机功耗小于5W。4、内置温度补偿，运行稳定，抗干扰能力强。5、高至16位D/A转换，测量精度高（0.2%）。6、特别适合煤堆、石块等固体物位测量，以及江河、污水液位、罐装液体、泥浆等液位测量。核辐射式物位计

概述：放射性同位素在蜕变过程中会放射出α、β、γ三种射线。α射线是从放射性同位素原子核中放射出来的，它由两个质子和两个中子所组成，带有正电荷，它的电离本领最强，但穿透能力最弱。β射线是电子流，电离本领比α射线弱，而穿透能力较α射线强。γ射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短，不带电荷，它在物质中的穿透能力比α和β射线都强，但电离本领最弱。

由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移，材料的厚度及成分，流体密度，流量，物位等。物位检测是其中一个典型的应用示例。核辐射式物位计检测原理当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为

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。核辐射式物位计式中，I为射入介质前和通过介质后的射线强度；为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。介质不同，吸收射线的能力也不同。一般是固体吸收能力最强，液体其次，气体最弱。当射线源和被测介质一定时，和都为常数。测处通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度H。

检测原理γ射线料位计核辐射式物位计射线式液位检测原理图检测系统组成

射线式物位检测系统主要由射线源，射线探器和电子线路等部分组成。(1)射线源主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。

由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透能力较强的γ射线。能产生γ射线的放射性同位素主要是钴60和铯137，它们的半衰期分别为5.3年和33年。

（2）探测器射线探测器的作用是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。作为射线的检测，常用的探测器是闪烁计数管，此外，还有电离室，正比计数管等。

放射源的强度取决于所使用的放射性同位素的质量。质量越大，所释放的射线强度也越大，这对提高测量精度，提高仪器的反映速度有利，但同时也给防护带来了困难，因此必须是两者兼顾，在保证测量满足要求的前提下尽量减少其强度，以简化防护和保证安全。检测系统组成

闪烁计数管主要是由闪烁体和光电倍增两部分组成。闪烁体是一种能将射线的能量转变为光能的物质，而光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其转变为电子，并将这些电子倍增放大为可测量的电脉冲。对于不同射线的探测，所用的闪烁体是不同的。探测射线的闪烁体为碘化钠晶体。（3）电子线路将探测器输出的脉冲信号进行处理并转换为统一的标准信号。

放射线进行物位检测实现方式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：a图是定点测量，不能连续测量；b图的射线源和探测器分别装在容器的下部和上部，测量范围窄、精度较低；c图采用线状的射线源，d图采用线状的探测器，这两种方法对射线源或探测器要求更高，但可测量程更宽，线性度更好。核辐射式物位计核辐射式物位计特点和要求

核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表。适用于高温、高压、强腐蚀、剧毒等条件苛刻的场合。核射线还能够直接穿透钢板等介质，可用于高温熔融金属的液位测量。使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。但由于射线对人体有害，因此射线的剂量应严加控制，且须切实加强安全防护措施

(工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计)

小结：物位测量的特点及影响因素

液位测量的特点稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。大型容器中常会有各处液体的温度、密度和黏度等物理量不均匀的现象。容器中液体呈高温、高压或高黏度，或含有大量杂质、悬浮物等。小结：物位测量的特点及影响因素

料位测量的特点料面不规则，存在自然堆积的角度。物料排出后存在滞留区。物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储料量的计算。界位测量的特点界位测量的特点则是在界面处可能存在浑浊段。小结：物位检测器件的选择（1）玻璃板液位计可用于就地液位指示，结构简单，直观可靠，经久耐用，但测量深色、有腐蚀性、粘稠并与管壁有沾染作用的介质时不宜使用。（2）磁性浮子液位计适用于就地液位界面指示，它主要应用在工作压力不宜大干10MPa，介质温度不大于250℃，介质密度宜为400~2000kg/m3，介质密度