《仪表自动化系统安装与投运》项目三 物位检测仪表的校验与安装

项目三物位检测仪表的校验与安装任务一静压式液位计的使用任务二浮力式液位计的校验任务三声波式物位计的安返回任务一静压式液位计的使用【任务描述】在学习静压式液位计工作原理的基础上，掌握静压式液位计的使用方法。【知识链接】静压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理来工作的，它常用来测量敞口容器和密闭容器的液位，是应用比较多的一种物位检一、工作原理如图3-1所示，设在容器液位最小值和最大值两处分别取液相压力和气相压力，并通过导压管分别和差压计的正、负压室相连，正、负压室压力分别为P1、P2。差压变送器安装在和测仪表。下一页返回任务一静压式液位计的使用液相取压口同高度的位置，气相导压管内无积存液体，容器内气相压力为P0，介质密度为ρ，重力加速度为g。当液位为任意高度H时，根据流体静力学原理，有由式（3-1）与式（3-2）相减得到差压计压差ΔP

通常，被测介质的密度和重力加速度是已知且不变的。因此，差压变送器测得的压差ΔP与液位高度H成正比。这样就把测量液位高度的问题转化为测量压差的问题了，也就是说，测得压差也就测得了液位，差压变送器输出的4~20mA就和所测液位范围呈线性关系。上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用当用差压变送器测量液位时，若被测容器是敞口的，气相压力为大气压，则差压变送器的负压室不用接导压管，直接通大气就可以了。这时也可以用压力变送器来直接测量液位的高低。若是密闭容器，则需将差压变送器的负压室与容器的气相相连接，以平衡气相压力P0变化的影响。二、零点迁移问题在使用差压变送器或差压计测量液位时，一般来说，其压差ΔP与液位高度H之间有如下简单关系这属于一般的“无迁移”情况。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。但是在实际应用中，往往H与ΔP之间的对应关系不那么简单。如图3-2所示，为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用并保持负压室的液柱高度送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。若被测介质密度为ρ1，隔离液密度为ρ2（通常ρ2>ρ1），这时正、负压室的压力分别为正、负压室间的压差为即上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用式中ΔP——变送器正、负压室的压差；H——被测液位的高度；h1——正压室隔离罐液位到变送器的高度；h2——负压室隔离罐液位到将式（3-4）与式（3-3）相比较，我们就会发现式（3-4）中的压差多了一项“-(h2-h1)·ρ2g”，也就是说，当H=0时，ΔP=-(h2-h1)ρ2g≠0，变送器输出I0≠4mA，因此，显示仪表液位指示也不为零（小于零）。为了使液位H=0时，显示仪表液位指示也为零，应该调整变送器的零点迁移装置，抵消固定压差-(h2-h1)ρ2g的影响，使得当H=0时，变送器的输出仍然是4mA，而当H=Hmax时，变送器的输出仍然是20mA，这就是零点迁移。变送器的高度。上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用当H=0时，若变送器测得的压差ΔP=0，则变送器不需迁移；若变送器测得的压差ΔP>0，则变送器需要正迁移；若变送器测得的压差ΔP<0，则变送器需要负迁移。迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，但不改变量程的大小。

三、静压式液位计的种类（1）吹气式液位计。（2）差压式液位计，可以使用差压变送器、法兰差压变送器（如图3-3所示）、压力变送器、法兰压力变送器等。（3）投入式液位计（如图3-4所示）。上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用四、静压式液位计的特点（1）检测元件不占容器空间，只需在容器侧壁上开两个取压孔；（2）检测元件无可动部件，使用可靠；（3）采用法兰式变送器可以解决黏度大、易结晶、有悬浮物的介质液位的测量；（4）需要保温防冻时，要采取保温措施。【任务实施】水箱液位的测量（1）实验室水箱为敞口容器，高度为350mm，介质为水，腐蚀性小，黏度小，因此可以选择压力变送器测量液位，压力变送器如图3-5所示。上一页下一页返回任务一静压式液位计的使用（2）压力变送器安装高度和取压口在同一水平面，因此无零点迁移。（3）根据水箱高度计算压力上限：P=Hρg=0.35×9.8×1.0×103=3.43（kPa）因此选择压力变送器测量范围为0~10kPa，精度为0.2级。（4）安装、接线、投运。上一页返回任务二浮力式液位计的校验【任务描述】在学习浮力式液位计工作原理的基础上，掌握浮力式液位计的校验方法。【知识链接】浮力式液位计是利用浮在液面的浮子随液位变化而产生位移的原理或利用半沉于液体中的浮筒的浮力随液位高度而变化的原理工作的。当液位变化时，浮子产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变；浮筒则发生浮力的变化。因此，只要检测出浮子的位移或浮筒所受到的浮力变化，就可以知道液位的高低。浮力式液位计有两种。一种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，如浮球式、浮标式、磁翻板式等；另一种是在检测过程中浮力发生变化的液位计，叫做变浮力式液位计，如浮筒式（也叫沉筒式）液位计等。下一页返回任务二浮力式液位计的校验浮力式液位计结构简单，造价低，维修方便，因此应用广泛。一、恒浮力式液位计恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值，使浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变化的原理来测量液位的。图3-6为恒浮力式液位计原理图。浮子和液位指针直接用钢带相连，为了平衡浮子的重量，使它能准确跟随液面上下灵活移动，在指针一端还装有平衡锤，当测量系统平衡时，作用在浮子上的合力为零，力平衡关系可用下式表示：G-F浮=W（3-5）式中G——浮子的重量；F浮——浮子所受的浮力，F浮=hAρg。其中，h为浮子浸没于液体中的高度，A为浮子水平截面积，ρ为被测液体密度；W——平衡锤的重量。上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验当液位上升时，浮子被淹没的高度增加Δh，浮子所受的浮力F浮增加，G-F浮小于W，系统原有的平衡关系被破坏，平衡锤将通过钢带带动浮子上移；随着浮子上移，浮子被淹没的高度将逐渐减小，浮力F浮也将减小，即G-F浮将增大，直到G-F浮重新等于W时，仪表又恢复了平衡，此时，浮子已跟随液面上移到了一个新的平衡位置。指针即在容器外的刻度尺上指示出变化后的液位。当液位下降时，与此相反。式（3-5）中G、W均可视为常数，因此，浮子平衡在任何高度的液面上时，F浮的值均不变，所以把这类液位计称为恒浮力式液位计。这种方法的实质是通过浮球或浮子把液位的变化转换为机械位移（线位移或角位移）的变化。如果需要远传，还可通过电或气的转换器把机械位移转换为电或气的信号。图3-7、图3-8所示为另外两种恒浮力式液位计——浮球液位计和磁翻板液位计的外形图。上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验二、变浮力式液位计变浮力式液位计（浮筒式液位计）的检测元件是半沉在液体中的浮筒。它随液位变化而产生浮力的变化，去推动气动或电动元件，发出信号给显示仪表，以指示被测液位值，也可作液位报警和控制。1.浮筒式液位计工作原理图3-9所示为浮筒式液位计测量原理图。将一封闭的中空金属筒悬挂在容器中，筒的重量大于同体积的液体重量，使筒总是保持直立而不受液体高度的影响。设筒重为G，浮力为F浮，则悬挂点受到的作用力F=G-F浮（3-6）式中，F浮=AHρg。其中A为浮筒截面积，H为从浮筒底部算起的液位高度，ρ为液体密度。所以F=G-AHρg（3-7）上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验当液位H=0时，悬挂点所受到的作用力F=G=Fmax最大。随着液位H的升高，浮筒浮力逐渐增加，悬挂点所受作用力F逐渐减小，当液位H=Hmax时，作用力F=F0为最小。式（3-7）中，G，A，ρ，g均为常数，所以作用力F2.浮筒式液位计的种类浮筒式液位计按结构分为弹簧平衡式、扭力管平衡式和力平衡式等。按浮筒的安装位置分为内浮筒式和外浮筒式。内浮筒式的浮筒安装在容器的内部；外浮筒式的浮筒安装在容器的外部，两种类型的浮筒式液位计外形如图3-10所示。与液位H呈反向的比例关系。3.浮筒液位计的特点（1）测量范围大，最大可达2000mm；（2）耐高温，耐腐蚀性强；（3）现场调试方便，易于检测和维护。上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验浮筒式液位计的测量范围由浮筒的长度决定。从仪表的结构及测量稳定的角度出发，测量范围Hmax在300~2000mm之间。应当注意，浮筒式液位仪表的输出信号不仅与液位高度有关，而且还与被测介质的密度有关，因此在密度发生变化时，必须进行密度修正。浮筒式液位仪表还可以用于测量两种密度不同的液体分界面。【任务实施】一、电浮筒液位计的干校法电浮筒液位计干校法原理如图3-11所示，将去掉浮筒的电浮筒液位计安装在支架上，托盘挂在电浮筒液位计上。将电浮筒液位计、24V直流电源、负载电阻和电流表按图3-12所示组成测量回路。在任一被校液位高度H处，砝码产生的重力应等于浮筒的重力（包括挂链或挂杆的重力）与浮筒所受浮力之差，砝码质量计算公式为：上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验式中mH——被校点H处砝码质量，kg；M——浮筒（含挂链或挂杆）的质量，kg；D——浮筒外径，m；H——液面高度，m；ρ——介质密度，kg/m3。二、电浮筒液位计的水校法（1）准备标准电流表、电阻箱（或250Ω电阻）、24VDC电源以及导线等。（2）将电浮筒液位计安装在浮筒专用校验设备上，按图3-12接线，检查线路是否正确。上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验（3）校验时，所加水位h应满足与被校液位高度H时浮筒对应杠杆的拉力相同。校验所加水高度h为：式中h——被校点H处水位，m；ρ介质——实际介质密度，kg/m3；ρ水——水密度，kg/m3；H——液面高度，m。

放空浮筒校验设备内存水，将电浮筒液位计接通电源稳定3min后，此时变送器输出应为4mA，否则调整零点螺钉，使之输出为4mA。上一页下一页返回任务二浮力式液位计的校验（4）按照上式计算满量程加水高度，给校验设备加水，电浮筒液位计输出应为20mA，若有偏差，调整量程螺钉，使之输出为20mA。（5）重复步骤（3）、（4），直到符合要求为止。（6）将电浮筒液位计测量范围分为4等份，按0，25%，50%，75%，100%逐点向浮筒校验设备内加水，电浮筒液位计的输出信号值应在误差允许范围内。若超差，反复调整零点、量程，直至符合要求。（7）将校验数据填入表3-1所示的校验单内，并计算出电浮筒液位计的最大绝对误差和最大变差，再根据仪表量程计算出仪表的允许误差和精度等级，判断仪表是否合格，给出校验结论。上一页返回任务三声波式物位计的安装【任务描述】在学习超声波物位计和雷达物位计工作原理的基础上，掌握超声波物位计和雷达物位计的安装方法。【知识链接】声波式物位计是利用回声测距原理工作的，如超声波物位计和雷达物位计等。一、超声波物位计超声波物位计分为声波阻断型和声波反射型。声波阻断型主要用于物位上下限控制，也可用于运动物体（人员、车辆）以及生产线上工件计数和自动门控制。声波反射型物位计可以对物位进行连续测量。本书只介绍声波反射型超声波物位计。下一页返回任务三声波式物位计的安装以对物位进行连续测量。本书只介绍声波反射型超声波物位计。1.声波反射型超声波物位计工作原理超声波换能器通常安装在容器顶部，如图3-13所示。超声波换能器以一定的频率发出超声波脉冲，在气液分界面处绝大多数声波被反射回来，由换能器接收。当超声波的传播速度v一定时，只要测出超声波从发射到接收到回波的时间差t，就可以计算出超声波的传播距离。超声波由换能器发出到接收到由物料表面来的反射波的时间差t由下式确定式中t——超声波由发射到接收到回波的时间差；H0——换能器到被测介质物料表面间的距离；v——超声波传播速度。上一页下一页返回任务三声波式物位计的安装由于则被测物位高度H与超声波从发射到接收回波的时间差t之间的关系为：式中L——超声波换能器到容器底部的距离，m。2.组成及功能声波反射型超声波物位计由主机和超声波换能器组成，有一体化结构（如图3-14所示）和分体式两种。主机向发射换能器提供高频交流电压，接收来自接收换能器的交流电压信号，并进行整流、计时、计算物位高度及输出显示。超声波换能器利用压电晶体的压电效应将高频电压转换成超声波并发射出去，同时利用上一页下一页返回任务三声波式物位计的安装压电晶体的逆压电效应接收从物料表面反射回来的回波并转换成交流电压信号。3.超声波物位计的特点（1）优点。①无可动部件，工作可靠；②不受介质黏度、腐蚀性、脏污程度的影响；③测量范围广，可测液体、固体颗粒。（2）缺点。①检测元件不能承受高温、高压；②不能用于对声波吸收能力强的介质；③造价较高。上一页下一页返回任务三声波式物位计的安装二、雷达式物位计如图3-15所示，雷达式物位计是一种采用雷达波测量液位、料位的物位检测仪表。它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区，而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响，在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用；再加上雷达波具有良好的定向辐射性，在传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的影响极小，因此可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位以及固体料位。1.雷达式物位计的基本原理雷达式物位计的测量原理和超声波物位计相似。雷达波由天线发出，抵达物料表面后被反射，被同一天线所接收。只要测出雷达波从发射到接收到回波的时间差t，就可以计算出物位高度H。上一页下一页返回任务三声波式物位计的安装式中H——物位高度；L——天线距罐底高度；v——雷达波传播速度；t——雷达波由发射到接收到回波的时间差。雷达物位计按结构及测量方式的不同可以分为天线式（非接触式）和导波式（接触式）两种。2.雷达物位计的特点（1）雷达物位计无可动部件，不存在机械磨损，工作