传感器及实用检测技术课件第8章VIP

第8章物位的检测

8.1概述8.2静压式液位检测8.3电容式料位计8.4物位测量中应注意的问题

8.1概述

8.1.1物位的测量对象

1.物位的概念

物位:是指存放在容器或工业设备中物质的高度和位置。

物位包括：液位、界位及料位。三者统称为物位。

液位：液体介质液面的高低称为液位;

界位：液体－液体或液体固体的分界面称为界位;

料位：固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。

2.物位传感器

用来对物位进行测量的传感器称为物位传感器,

物位计：测量物位的仪表称为物位计。物位计是液位计、料位计、界面计的统称。

8.1.2物位的测量方法及分类

根据测量原理的不同,可分为:静压式物位检测、浮力式物位检测、电学式物位检测、声学式物位检测、射线式物位检测、雷达式物位检测等。

按照与被测介质接触与否分为:接触式物位检测和非接触式物位检测。

静压式物位检测、浮力式物位检测、电学式物位检测属于接触式物位检测;

声学式物位检测、射线式物位检测、雷达式物位检测属于非接触式物位检测。

8.2静压式液位检测

静压式物位检测方法是根据液柱静压力与液柱高度成正比的原理来实现的。

其原理如图8－1所示。根据流体静力学原理,可得A、B两点之间的压力差为(8－1)式中:PA——容器中A点的静压;

PB——容器中B点的静压;

H——液柱的高度;

ρ——液体的密度。重力加速度图8－1静压式物位检测原理图

当被测对象为敞口容器时,则PA为大气压,上式变为

(8－2)式中:——容器中B点的压力;由式(8－1)和式(8－2)可知,在测量过程中,如果液体密度ρ为常数:

则在密闭容器中,A、B两点的压差与液面高度H成正比;

而在敞口容器中,PB

与H成正比,也就是说,测出ρ和ΔP就可以知道敞口容器或密闭容器中的液位高。

可见,凡是能够测量压力或压差的仪表,只要量程合适,就可以测量物位。

8.2.1差压液位计

在对密闭容器液位进行测量时,容器下部的液体压力除与液位高度有关外,还与液面上部介质压力有关。

根据式(8－1)可知,在这种情况下,可以用测量差压的方法来获得液位,如图8－2所示。图8－2典型静压测量物位实例

实现静压式物位测量可以通过压力表、引压装置来实现。

图8－2为无量程迁移的情况,选取两个引压点P0、P1,引入差压计,可得差压ΔP。则有:

P+＝P0+Hρ1gP-＝P0所以ΔP=P+-P-＝Hρ1g

得从而得出物位与静压差成正比。8.2.2浮子式液位计

1.恒浮力式液位检测

结构：恒浮力式液位检测原理如图8－3所示,将液面上的浮子用绳索连接并悬挂在滑轮上,绳索的另一端挂有平衡重锤。

原理:利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重锤的重力相平衡,使浮子漂浮在液面上的原理。

得公式:W-F=G

(8－3)式中:W——浮子的重力; F——浮力; G——重锤的重力。图8－3恒浮力物位测量原理标尺系统平衡而浮子停留在任何高度的液面上时,浮子所受的浮力不变,故称此法为恒浮力法。

当液位上升时,浮子所受浮力F增加,W-F<G,使原有平衡关系被破坏,浮子向上移动。但浮子向上移动的同时,浮力F下降,W-F增加,直到W-F又重新等于G时,浮子将停留在新的液位上,反之亦然。因而实现了浮子对液位的跟踪。

该方法的实质是通过浮子把液位的变化转换成机械位移(线位移或角位移)的变化。

适用：图8－3所示的浮力液位计只能用于常压或敞口容器,通常只能就地指示。由于传动部分暴露在周围环境中,使用日久摩擦增大,液位计的误差就会相应增大,因此这种液位计只能用于不太重要的场合。

图8－4(a)所示为在密闭容器中

图8－4(b)所示为适用于高温、粘度大的液体的液位计,

图8－4浮力式液位计示意图适用于密闭容器高温、粘度大的液体的液位计,适用于密闭容器普通液体9用来调节液位计的灵敏度

2.变浮力式液位测量

变浮力式液位测量如图8－5所示,

结构原理：通过浮筒被液体浸入高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化，故称为变浮力式液位测量。

将一横截面积为A,质量为m的圆筒形空心金属浮筒挂在弹簧上。由于弹簧的下端被固定,因此弹簧因浮筒的重力被压缩,当浮筒的重力与弹簧的弹力达到平衡时,浮筒停止移动,平衡条件为

Cx0=G

(8－4)式中:C——弹簧阻力系数;x0——不受浮力时弹簧与浮筒力平衡后弹簧的长度；

G——浮筒的重力。图8－5变浮力式液位计原理当浮筒的一部分被浸没时,浮筒受到液位对它的浮力作用而向上移动;当它与弹力和浮筒的重力平衡时,浮筒停止移动。设液位高度为H,浮筒由于向上移动而实际浸没在液体中的高度为h,则浮筒移动的距离即弹簧的位移改变量Δx为纠正P192的式（8-6）、（8-7）等式右边“-”号为“+”号。△x=H-h

(8－5)根据力平衡原理,有:G-F=C(x0+Δx)(8－6)式中:F——浮力。将上式化简得mg-Ahρg=C(x0+△x)

(8－7)式中，ρ——液体的的密度，由式(8－4)、(8－7)可得Ahρg=C△x

(8－8)由于H>>Δx,H≈h，因而(8－9)

由式(8－9)可知,当液位变化时,使浮筒产生位移,其位移量Δx与液位高度H成正比关系。

A浮筒截面积；

8.3电容式料位计

1.电容式料位计的工作原理

当测量粉状非导电固体料位和粘滞非导电液体液位时,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,如图8－6所示。

用电容法可以测量固体块状、颗粒体及粉料的料位,其工作原理与液位测量大致相同。图8－6电容式料位计原理图非导电物料h它的电容量变化与料位升降的关系为(8－10)式中:D、d——分别为容器的内径和传感器的外径;

ε、ε1——分别为空气和物料的介电常数。

2.电容式料位计的应用实例

图8－7是电容式料位计测量结构图,它利用电容传感器对于密封仓内导电性不良的松散物质的料位进行检测,并能进行自动控制。检测料位时,可以用指示灯来监视料位的情况,如到达上限时应停料,到达下限时应加料等。

电容式传感器侧装于料仓里,利用它对料仓壁形成的分布电容来检测。图8－8是电容式料位计的电路图。电路分为信号测量电路和控制电路两部分。利用Cx、C2、C3、C4组成电桥,当C2C4=C3Cx时,电桥平衡。料面增加时,Cx随之增大,电桥失去平衡,按电桥输出电压来判断料面的情况。电桥输出交流信号,经VT2放大后,由VD1检波变成直流信号,电桥的输入电压由VT1和LC回路组成的振荡器供电,其频率约为70kHz,幅值约为250mV。

图8－7电容式料位计测量结构图图8－8电容式料位计电路图测量桥路显示表控制电路70kHz250mV电源放大-+-料位降低CX减少XC增加VT2输出减少到一定量VT3截止VT4导通

J通电动作下料。若料位增加，则相反。

控制电路由VT3和VT4组成的射极耦合触发器及继电器J组成。从测量电路送来的直流信号,当其幅值达到一定值时,触发器翻转,VT4由截止变为饱和状态,继电器J吸合,由它的触点控制相应的指示灯亮。

仪器在安装时注意：为减少探头对地的固有电容,常用两只高压瓷瓶相串联做绝缘体。探头接线不能太长,否则引线间的杂散电容过大。在调整仪器时,电路中的H、L两点要断开,串上电流表。当电流表在50μA挡时,调C4使表头指零。将电流表撤除,H、L短接。

8.4物位测量中应注意的问题

8.4.1物位计的选型

液位计的选型主要从测量要求、测量范围、被测量介质、二次仪表的匹配、传感器安装方式等几个方面考虑。

1.与测量条件有关的因素

(1)测量目的。

(2)被测量的选择。

(3)测量范围。

(4)输入信号的幅值及频带宽度。

(5)精度要求。

(6)测量所需要的时间。

2.与传感器有关的技术指标

(1)精度。

(2)稳定度。

(3)响应特性。

(4)模拟量与数字量。

(5)输出幅值。

(6)对被测物体产生的负载效应。

(7)校正周期。

(8)超标准过大的输入信号保护。

3.与使用环境条件有关的因素

(1)安装现场条件及情况。

(2)环境条件(湿度、温度、振动等)。

(3)信号传输距离。

(4)所需现场提供的功率容量。

物位计无论是连续量的信号或开关量的信号都是用作高度指示的。在不同场合应用不同的产品,这是根据实际现场环境而定的。

比如现场要求防腐并且要求测量仪器不能与测量介质接触,那就选用非接触的仪表;

若环境不太复杂,没有高温、高压、雾气的场合并且要求尽量经济,那么超声波液位计就是最为理想的选择;反之,

若出现高温、高压、雾气等情况时,就只能选用价格稍高的雷达液位计来测量。

任何仪表选型首先考虑的是符合应用,其次才能考虑价格。静压液位计的应用环境是深水井、深水池,一般都是大中等量程,而小量程选用静压液位计的很少。它的最小测量范围为0.5米时才能保证仪表精度。

浮筒式液位计一般是在现有的设备上没有安装位置,需引出旁通管时选用的。

激光式物位计的应用与超声波雷达有相似之处,即都是非接触式测量,但就激光式物位计而言,它测量的空隙狭小。

导纳式物位计的测量范围最为广泛,几乎可以测量所有的介质,最常用的是测量粘稠、油类等。

磁伸缩液位计是高精度测量的产品,精度能达到1mm,一般用于成品油的测量,在油站、油库应用的特别广泛。磁翻板液位计是现场直观显示的仪表,红白对比显示,在水箱、锅炉上应用广泛,且室内外均可。

玻璃管液位计也是直观显示的,主要用于室内,它的防护性能较差。

浮球式液位计接液部分为机械式机构,持久耐用,价格经济。

电容式液位计现阶段普及的很快,在很多场合已经替代了浮球式液位计。

钢带式液位计主要用于油库测量,虽然精度不是很高但价格适中,是性价比很好的一款产品。

振动物位开关是测量一些不导电,并且可能带静电的一些介质的,一般塑料颗粒用振动物位开关效果是最好的。

电容物位开关只要是导电性能好的介质就可以测量。

导纳物位开关是电容物位开关的升级产品。电容测量液体效果显著,抗粘稠性能不如导纳物位开关,导纳物位开关是属于万能的产品,几乎可以测量所有的介质。

对于需要通过物位检测确定容器里的原料、半成品或成品的数量的,可以选用各种物位计;对于生产中需连续监视或调节容器内流入和流出物料的平衡,使之保持在一定的高度,使生产正常进行,且一旦物位超出允许的上、下限就报警的,则可以选用物位开关。

在采用差压法测量液位时,差压变送器量程的确定是能否进行正确测量的关键所在。通常设计者在差压变送器量程的确定中,往往忽略了二次仪表刻度范围与差压变送器量程之间的“匹配”问题,从而造成了整个液位测量系统设计上的不合理,甚至是产生不安全的因素。

对于高压、高温和有毒的密封容器的液位测量,必须采用非接触式液位计,如核辐射液位计或超声波物位计等,它不易受周围电磁场、烟气和灰尘等影响,但使用时须注意保护。

对于用电容式物位计的选择,可以根据现场实际情况,即被测介质的性质(导电特性、粘滞性)、容器类型(规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐)进行。

测量导电液体的电容物位传感器,容器和液体作为电容器的一个电极,插入的金属电极作为另一个电极,绝缘套管作为中间介质,三者组成圆筒形电容器。

当容器为非导电体时,需加一个接地极,其下端浸至被测容器底部,上端与安装法兰可靠连接,以使两电极有一个与大地及仪表地线相连,保证仪表正常测量。

测量非导电液体的电容物位传感器,当用于较稀的非导电液体(如轻油等)时,可采用一金属电极,外部同轴套上一金属管,相互绝缘固定,以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。

当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时,可采用金属电极直接插入圆筒型容器的中央,将仪表地线与容器相连,以容器作为外电极,物料或液体作为绝缘介质构成圆筒形电容器。8.4.2测量电路

1.信号转换

物位的输出信号有可能为电流、电压、电阻、电容、电感甚至脉冲,一般要求通过相应的转换电路将之转换为电压信号。如电桥可将电阻、电容、电感转换为电流或电压信号;I/U变换器可将电流信号转换为电压信号;电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压;F/U转换电路可将频率信号转换为电压信号。

2.信号放大

传感器的输出信号一般比较微弱,需通过放大电路将其输出的直流信号或交流信号进行放大处理,为检测系统提供高精度的信号。放大电路各种各样,针对不同的信号有不同的放大电路。信号放大的目的将信号放大为标准电压信号:1～5V(0～10V)或标准电流信号:4～20mA(0～20mA),或其他标准电压电流信号,方便被测信号的后续变换、处理、记录、分析等工作。

放大电路包括电荷放大器、同相比例放大器、反相比例放大器、电流电压变换放大器、差动放大器、自举型高输入阻抗放大器、斩波稳零放大器、仪用放大器、隔离放大路等。

3.信号调理

通常的传感器输出为高阻抗,为了使信号能够传输到后续电路进行处理,一般要通过电阻匹配电路将高阻抗变换为低阻抗。

典型的信号调理电路包括阻抗匹配电路、抗干扰电路、调制及解调电路等。

8.4.3系统安装

1.传感器的安装

传感器的安装取决于测量的介质及现场安装条件。一般要注意安装的位置、支架或底座。

例如,对于超声波物位传感器的安装来说,其注意事项为

(1)传感器和最高液(物)位之间距离应大于盲区(安置高度≥液(物)位最高高度+盲区)。

(2)同时要保证传感器轴线应垂直于被测液(物),以保证超声波的发射正对液面。

(3)在固定当中必要时可加橡胶垫圈,同时尽可能远离噪声源。

(4)因传感器发射波夹角的存在,在安置时应与器壁保持一定的距离,并保证波束区内不得有障碍物。

(5)尽量避免日光直接照射,建议配遮阳罩或保护箱。图8－9常见错误安装方式图8－10正确安装方式

射频电容式物位计的安装如图8－11所示,需注意以下几个方面:

(1)测量液体罐时,电极应与罐壁平行。电极与罐壁的距离应大于200mm。

(2)如果液体罐为非金属应选用同轴探极,或者由罐底至罐顶加装金属带作为参考电极并与传感器外壳接地端子用导线可靠连接。

(3)测量固体时若仓壁为混凝土,应注意使传感器外壳接地端子与混凝土钢筋用导线可靠连接。

(4)传感器与二次表之间用双绞线连接,距离小于1公里(注意:“+”、“－”极不能接反)。

(5)电极长度应稍大于量程范围。

图8－11射频电容式物位计的安装示意图

(a)棒式或缆式探极测量桶形罐液位安装示意图;

(b)同轴探极测量卧式罐液位安装示意图;(c)联通器测量球形罐液位安装示意图;