定点式物位测量仪表的技术发展

定点式物位测量仪表的技术发展第1页，共52页，2023年，2月20日，星期一一、概述物位测量仪表可分为两类：（1）连续测量的物位计：能连续测量被测物料在整个量程中的变化，并以模拟或数字信号输出相应的物位值。（2）定点测量的物位控制器：用来检测物位是否到达预定高度（通常是安装探头的位置），并发出相应的限位信号，以ON/OFF（通/断）形式的开关量输出。第2页，共52页，2023年，2月20日，星期一一、概述本文简述定点式物位测量仪表的技术发展及应用概况。常用的定点式物位控制器列表如下：第3页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器浮球式液位控制器是最古老的液位仪表，已有数百年历史，曾经是液位仪表中的主要品种，技术上近年没有什么发展，主要是制造工艺上及材质上有进步。由于其简单、可靠、价廉，迄今仍被广泛使用。目前主要在下列二方面广泛应用。第4页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(1)小型通用型浮球液位控制器该类仪表都有一个球状或圆柱体的传感部件，内含磁钢，随液面漂浮。在到达设定位置时，磁钢带动干簧等开关部件通/断，发出限位信号。随应用不同，结构也不同，但都有下列特点：简单、小型、价廉，使用方便。因此，应用量仍较大，主要在一些设备配套上。第5页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器图2.2.1第6页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(2)用于高温、高压的液位控制高温高压同时存在的工况主要是锅炉汽包液位测量控制，工况严酷，而且对可靠性要求高，只有机械型浮球液位控制器能适应该工况。第7页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器压力温度20.7MPa370℃11.5MPa427℃6MPa538℃

第8页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器上世纪50年代中诞生了第一台利用电技术的物位控制器－电容式物位控制器。上世纪80年代以来，随微电子技术发展，出现了多种原理的、利用电子技术的定点物位控制器。由于其使用方便、可靠，价格不断下降，在国外电子型物位控制器已占主导地位。第9页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器各种电子型物位控制器都是利用被测物料的某个物理参数（如：电导率、光导率、介电率、声阻抗、热导率等），对某物理过程的影响，来检测物位，所以每种测量原理都有一定应用范围，选型时要注意。第10页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.1电容式物位控制器的技术发展3.1.1测量电路部分测量频率从早期的几十千赫提高到几百千赫（射频范围），以提高对低介电率物料的测量灵敏度。测量参数已不是作为一个纯电容，而是考虑到被测介质可能产生的损耗，作为一个复数阻抗。故有的公司称为射频导纳原理。电子器件目前基本是专用模块，体积、功耗减少，可靠性提高。第11页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.1.2探头电极部分增加保护电极，以克服根部积料对测量的影响，在测量电极与接地之间增加一层与它们相互绝缘的保护电极。第12页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第13页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.1.3顶端敏感型电极测量电极的结构如图所示，在顶端有一伞状测量电极，在其后端有一环状参考电极，两者构成一电容器，来感应被测物料，整个电极被绝缘材料包裹。在非金属罐上也可使用。这种结构较多用于顶装式高位报警，由电缆与电子盒中的测量模块连接。第14页，共52页，2023年，2月20日，星期一

第15页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.2电导式液位控制器用于对导电液体的限位控制，结构简单、价廉，使用方便。由于其它测量方法的发展，应用逐渐萎缩，在一般场合已很少使用。典型应用工况：锅炉汽包水位指示、控制。工况条件:高温，高压同时存在，纯水第16页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器传感器（测量筒）是旁路连接在锅炉汽包上的连接器，上面安装多个电极（7～11个），电极由陶瓷绝缘体与测量筒绝缘安装，外壳接为接地电极，个电极与相应指示单元相连接，水位与某个电解接触时，相应的指示灯亮，指示液位到达该点位置。第17页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第18页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.3声导式液位控制器声导式液位控制器利用高频（1MHz或更高）超声波在气体及液体中发射效率及传播损耗的巨大差别来发出限位信号。液体能很好传导高频超声波，而气体传播损耗很大。如图所示，探头缺口两侧各有一个压电晶体，分别称为发射晶体和接受晶体，用来发射与接受高频超声信号。当间隙中是液体时（湿态），发射晶体发出的超声波传过液体被接收第19页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器晶体接收。当间隙中是空气时（干态），由于气体传播衰减大，接收晶体几乎收不到超声信号，检测电路发出相应的限位信号。探头的材质可以是不锈钢等耐蚀金属，也可以是高分子塑料。使用时安装在需要发信的位置上，可以应用于各种液体介质（包括酸、碱），测量不受介第20页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器质物料性质（介电率、电导率、密度等）影响，体积小，价格低廉，故应用广泛。

第21页，共52页，2023年，2月20日，星期一

第22页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器特殊应用1、非侵入限位检测探头安装在金属容器的外侧，不需开孔，检测超声脉冲的衰减率来检测液位。如图所示：测量不受被测介质物理参数影响，适用于不结晶的、不含固体颗粒的各种液体。第23页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器2、液－固分界面限位检测声导式液位控制器可以用于检测污水中污泥等固态物的沉淀层界面，如图所示：探头安装在需检测位置上，当该位置是较清的水时，超声波能从发射探头经水传播到接收探头，但污泥上升到探头位置时，水中污泥衰减声波，接收信号减弱，发出限位信号。第24页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器2、液－固分界面限位检测第25页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.4热导式液位控制器利用液体与气体导热率的显著差别，因此散热效果不同来检测液体有否浸没探极，并发出限位信号。特点：可用于较高温度，不受被测介质电特性影响。第26页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第27页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器特殊应用举例连铸钢水结晶器液位检测。结晶器壁中均匀布置了13个热电偶，钢水导热系数高，故与之接触的结晶器壁温度与钢水同，而气相导热系数低，壁温度也低，检测各热电偶温度，得到垂直温度分布曲线，温度突变处就是钢水液面位置。第28页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第29页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.5光导式液位控制器利用被测液体介质与空气光折射率的不同，来检测端部是液体还是气体，从而发出限位信号。当一束光从玻璃中以＝45º角入射玻璃与水分界面时，根据光折射定律第30页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器θ1－光束在玻璃中的入射角θ2－光束在水中的折射角n1－玻璃折射率，约1.51n2－水的折射率，约1.33故光束将以θ2＝53.4°折射角进入水中。当与玻璃接触的是空气时，空气折射率≈1从玻璃入射空气的临界角约41.5°，由于第31页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器大于临界角，光束不能折射入空气，而是在分界面上全反射，反射角等于入射角。实用中的检测探头，端部是45°椎体，椎体与气体接触时，光反射回尾部，当与有问题接触时，光折射入液体中，反射回的光强减少，据之发出限位信号。第32页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第33页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第34页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.6微波物位控制器微波式物位控制器是利用被测物料对微波能量的吸收或反射的差别来发出限位信号。

第35页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器1、微波穿透式物位控制器在需要限位的位置上，微波发射头发送微波束穿过测量区，被相对安装的接收探头收到。被测物料上升，阻断微波束通道，接收信号减弱，据之发出限位信号。特点：1.可检测非金属容器内物位2.可检测较大距离（数十米）3.对探头积料不敏感（相对于超声、激光）第36页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第37页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器2、微波反射式物位控制器微波探头安装在容器外部需要限位的位置上，如金属罐需穿透密封安装，或安装透波窗口。探头向容器内发射微波并接收发射波。不同介电率的介质对微波的反射量是不同的，反射信号正比于紧贴窗口的物料的相对介电率。气体或泡沫的介电率很低，近似于1，反射回波很第38页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器小。任何物料介电率都大于1。实例：检测水－碳氢化合物界面，中间有乳化层。水εr≈80碳氢化合物≈1.5～3排水时检测乳化层，以免碳氢化合物排出第39页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第40页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器第41页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3.7振动阻尼式物位控制器振动阻尼式物位控制器利用被测物料对处于共振状态的探头的阻尼作用，来发出限位信号。由于探头的振动部分大多做成叉体，故通常称其为音叉物位控制器，可以用于检测液体或粉状及颗粒状固态散料。在具体设计中，也有将探头振动体设计成单杆状，实际上也是一个第42页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器半波长共振体，只是另一半隐藏在杆体（管状）内部。根据检测对象是液体还是固态散料，仪表结构也有所不同：

▪用于检测液体的叉体尺寸较小，共振频率较高（约400Hz）。

▪用于检测固态散料的叉体尺寸较大，共振频率约80～120Hz。

▪有的产品用于检测液－固界面。第43页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器该类产品技术发展已成熟，是电子型物位控制器中应用量最大的品种。目前主要的发展是增加品种，降低价格，以更大扩展市场。国外液体音叉液位控制器大量替代浮球式液位控制器，因其性价比更好，输出信号种类也更多样。第44页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器4、定点式物位控制器的输出信号物位控制器以开关量（ON/OFF）形式输出信号，输出信号有两种状态：

•正常态（当物位未达到预设值时）

•报警态（当物位达到或超过预设值时）

第45页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器通常有以下形式：1）触点输出：以触点的闭合（ON）或断开（OFF）来表示物位的状态。触点可以是继电器触点或干簧触点。触点类型有常开（NO）、常闭（NC）及转换（C型触点）三种。第46页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器2）电平信号输出：通过晶体三极管的通 /断输出高/低电平信号来表示物位开关的正常态及报警态，用于提供PLC等控制装置。有P-N-P晶体管输出（负电平）及N-P-N（正电平）以适应不同的PLC要求。新推出的无极性场效应晶体管输出，根据所使用电源极性不同，正、负电平均可输出。第47页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、电子型物位控制器3）二线制阻抗输出：实际上仪表提供一个无触点的通/断信号。通常采用通用电源（12～250VAC/DC）。当与外部设