06 3.5 物位检测仪表.pptx

第1页：3.5物位测量仪表

3.5物位测量仪表

• 是对设备和容器中物料储量的度量手段。为生产过程的正常运行提供重要依据。物位检测的应用目的：
• 确定容器（设备）中介质的储存量，保证生产过程物料供应和平衡；
• 检测工艺设备中介质物位，为工业控制提供必要的依据数据，保证生产过程的正常运行；
• 检测料罐储量，为经济核算提供必要的数据；
• 检测储罐物位，保证设备安全。

第2页：3.5.1物位

3.5.1物位

• 的定义物位指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。关于物位的相关定义。

液位

描述设备和容器中液体介质表面的高低。

料位

描述设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。

界位

描述界面位置。一般指容器中液一液、液一固相界面的位置。

第3页：3.5.2检测原理及物位检测仪表的分类

3.5.2检测原理及物位检测仪表的分类

检测原理

①基于力学原理敏感元件所受到的力(压力)的大小与物位成比例。

• 静压式、浮力式和重锤式物位检测等；②基于相对变化原理当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。

例如

声学法、微波法和光学法等；③基于某强度性物理量随物位的变化而增减的原理例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。

第4页：物位仪表分类

物位仪表分类

• ①按测量方式分类

连续测量

能持续测量物位的变化，实时反映物位状态。

定点测量

只监测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。②按工作原理分类直读式静压式浮力式机械式电气式

第5页：直读式物位检测仪表采用侧壁开

直读式物位检测仪表采用侧壁开

• 窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。

代表仪表

玻璃管（板）式液位计主要用于液位检测和压力较低的场合液位就地指示。

第6页：静压式物位检测仪表基于流体静

静压式物位检测仪表基于流体静

• 力学原理，通过检测容器内流体的静压力确定容器内液位。

代表仪表

压力式、吹气式差压式液位计一般适用于液位的检测。

第7页：浮力式物位检测利用漂浮于液面

浮力式物位检测利用漂浮于液面

• 上的浮子，或者部分浸没于液体中的物质受到的浮力随液位而变化来检测液位。
• 前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，代表仪表：浮子式液位计、浮筒式液位计应用于液位检测。

第8页：机械接触式物位检测

机械接触式物位检测

• 通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。

代表仪表

重锤式旋翼式音叉式主要应用于固体料位检测

第9页：电气式物位检测

电气式物位检测

• 通过检测置于被测介质中的物位敏感元件随物位变化时电量变化检测物位。

代表仪表

电容式物位计可用于液位检测，界面测量或料位检测。

第10页：声学式物位检测利用声波在介质

声学式物位检测利用声波在介质

• 中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。

代表仪表

超声波物位计可用于液位检测，界面测量或料位检测

第11页：射线式物位检测

射线式物位检测

• 通过检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时被吸收的程度检测物位。

代表仪表

射线式物位计可应用于物位（液位、料位）的非接触式检测。

其他物位检测方法

光学法、微波法、磁致伸缩式物位检测

第12页：3.5.3静压式物位检测

3.5.3静压式物位检测

• 检测原理将物位变化转换为静压变化A：实际液面，B：零液位，H：液柱高度，pA、pB：A点、B点的静压。
• 若被测对象为敞口容器，则pA为大气压p0，上式变为根据流体静力学原理，A、B两点的压力差为△p：B点压力与大气压的差值（B点的表压力）

第13页：实现方法

实现方法

①主要应用仪表

压力变送器、差压变送器②测量方法：a.敞口容器：直接用压力检测仪表检测液位。描述式：注意事项：

• 液体密度应为定值，否则会引起误差。
• 压力仪表应与零液位点在同一水平面。若压力仪表与取压点(零液位)不在同一水平位置，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。

第14页：密闭容器

密闭容器

特点

容器下部的液体压力与液位高度及液面以上介质压力有关。

• 考虑A、B两点间压力差结论：密闭容器场合，可以用测量差压的方法来测量液位。

第15页：静压法液位测量注意事项

静压法液位测量注意事项

• 被测介质含有结晶颗粒，或具有腐蚀性以及粘度大、易凝固特性时，应注意引压导管易被腐蚀或堵塞。

预防措施

应用法兰式压力(差压)变送器。

特点

敏感元件为金属膜盒，膜盒直接与被测介质接触，经毛细管与变送器的测量室相通；毛细管内充以硅油，作为传压介质；

第16页：变送器量程迁移

变送器量程迁移

• 问题的提出：举例：

表现

由于安装和介质特性引入了附加静压，零液位时变送器感受非零输入，仪表输出非零。

量程迁移作用

使变送器在只受附加静压(静压差)作用时输出为“零”ρ2ρ1

第17页：量程迁移的种类无迁移

量程迁移的种类无迁移

无附加静压差正迁移

附加静压力作用于变送器的正压室（零液位时正压室受压大于负压室）。

负迁移

附加静压力作用于变送器的负压室（零液位时负压室受压大于正压室）。

第18页：0差压信号

0差压信号

无迁移分析

输出表现：液位零点变送器无附加静压差信号，输出零液位信号示意图：信号分析：正压室信号：p+=p0+Hρg负压室信号：p-=p：输出特点：H=0；△p=0输出零液位信号H=Hmax：△p=Hmaxρg输出上限液位信号无需量程迁移。

• 气体△p = p+-p-= Hρg

第19页：负迁移示意图

负迁移示意图

• 压力分析正压室信号：

附加静压力特性

零液位时变送器正、负压室不平衡。负压室信号：

第20页：差压信号

差压信号

迁移方向

负迁移迁移量：B

• 量程负迁移曲线示意图：
• 迁移前后仪表量程不变，仅测量范围发生变化。（曲线平移）

第21页：正迁移

正迁移

• 示意图

信号分析正压室信号

负压室信号：

附加静压力特性

零液位时变送器正、负压室不平衡。

第22页：差压信号

差压信号

量程正迁移曲线示意图

迁移方向：正迁移迁移量：A

第23页：量程迁移小结

量程迁移小结

差压变送器量程选择依据

液位变化量。

• 通过迁移装置改变量程的零点，其作用是同时改变测量范围的上下限，但是不改变量程。
• 迁移量等于零液位时差压计正、负压室承受的压力差的绝对值。
• 迁移方向取决于零液位时差压（△p=p+-p-)的符号。△p＞0：正迁移；△p = 0：无需迁移；△p＜0：负迁移；
• 量程迁移示意图：

第24页：用差压变送器检测液位

用差压变送器检测液位

• 。解：

量程

液位变化范围(H)：0～3.0m差压变化量：选差变变送器的量程△P = 40kPa。请选择差压变送器的量程判断是否需要量程迁移若需要请计算迁移量。已知：ρ1 = 1200kg／m2，ρ2 =950kg／m2，h1 = 1.0m，h2 = 5.0m，液位变化范围H：0～3.0m，g = 9.8m／s。

第25页：迁移

迁移

迁移方向

负迁移；迁移量：37240Pa

迁移后量程范围

-37.24kPa ~ 2.76kPa

仪表信号

△p =-37.24kPa：Iout=4mA；H=0m△p = 2.76kPa：Iout=20mA；H=3.4m注意：实际测量范围大于给定的液位变化范围。

第26页：量程调整

量程调整

目的

使仪表的实际测量范围符合液位变化范围。

做法

计算出液位实际变化范围对应的差压变化值，在实行迁移后通过量程调节措施修正仪表量程例：请通过量程调整使上例中H=3.0m时变送器满刻度输出。

• 液位实际变化范围（H）：3m，（△pH=35.28kPa）迁移后差压量程起点：-37.240kPa量程调整：变送器在差压为-37.24+35.28=-1.96kPa时输出调整为20mA。

第27页：描述曲线示意图

描述曲线示意图

迁移

迁移移动方式：平移迁移量：-37.24kPa

量程调整

量程调整变化方式：改变输出信号曲线斜率-37.24kPa2.76kPa-1.96kPa3m

第28页：3.5.4浮力式物位检测典型类型

3.5.4浮力式物位检测典型类型

• 恒浮式液位计主要包括浮标式、浮球式、浮顶式和翻板式等。原理图：

第29页：变浮力式液位计

变浮力式液位计

主要指浮（沉）筒式液位计原理图检测原理：力平衡原理分析：受力：浮筒重力（mg）、弹性力（Cx0）平衡关系mg = Cx0C：弹簧的刚度；x0：弹簧由于浮筒重力而产生的位移

第30页：测量分析

测量分析

• （部分侵入被测液体）浮筒受力及状态：
• 重力：mg

浮力

AhρgH = h+△xH：液位高度，h：浮筒实际浸没长度，△x：浮筒移动距离（弹簧位移改变量）

弹性力

C(x0–△x )

第31页：力平衡

力平衡

描述

mg–Ahρg = C(x0–△x )Ahρg = C△xρ：介质（液体）密度。一般有，h>>△x H≈h，液位H描述式：

• 注意事项：

测量范围

液位变化范围小于浮筒长度

浮筒重量

应大于所排出液体的重量。

应用

用于液体液位检测、或界面检测。

第32页：3.5.5电气式物位检测

3.5.5电气式物位检测

• 电气式物位检测是利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。
• 分类（依据电量参数）：电阻式电容式电感式目前电容式为最常见。

第33页：电容式物位检测

电容式物位检测

原理

基于圆筒电容器工作原理。

• 原理结构图：
• 圆筒电容量描述式：

工作状态分析

设圆筒电容二极板之间的H高度范围内被介电常数为ε2的液体侵没。ε1：二极板间介电常数电容描述式：C1C2

第34页：整理有

整理有

结论

圆筒形电容器的几何尺寸L、R和r及介电常数不变时，电容器电容增量△C与电极被介电常数为ε2的介质所浸没的高度H成正比关系。两种介质的介电常数的差值(ε2-ε1)越大，则△C也越大，即相对灵敏度越高。可用于固态或液态介质的物位测量。注意：一般应用于介质为非导电物质。测量非导电介质物位时属于变介质性电容传感器

第35页：2测量导电介质物位

2测量导电介质物位

• 导电液体的电容式液位测量电容用于导电介质的液位检测．电极要用绝缘物覆盖，而液体和外圆筒一起作为外电极（绝缘物为中间介质）。

原理图

等效电路：C12C11C属于变面积型电容传感器。

第36页：2一般有

2一般有

电容描述

ε1：被测液位上方气体介电常数ε3：绝缘物的介电常数；R1：容器的内半径。

C12C11C

ε3＞＞ε1，R1＞＞R，C12＜＜C11。

第37页：忽略C11的影响

忽略C11的影响

，等效电容C为

第38页：提示

提示

• 电容式物位计主要由电极(敏感元件)和电容检测电路组成。
• 电容式物位检测的基本原理是将物位的变化转换为由插入电极所构成的电容器的电容量的改变。
• 由于电容的变化量较小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。
• 目前在物位检测中，常见的电容检测方法主要有交流电桥法、充放电法和谐振电路法等。
• 可用于液位、料位和界面的检测。

其他电容式液位测量方法

分段式，主要应用于界面测量。其不采用外桶作为电极，其外桶形状可为非圆形。

第39页：3.5.6声学式物位检测

3.5.6声学式物位检测

• kHz以上频率的机械波)作为物位检测的声波。1）超声波特性及物位检测原理a.超声波特性
• 超声波可以在气体、液体及固体中以一定的速度进行传播，例如在常温下空气中的声速约为334m／s，在水中的声速约为1440m／s，而在钢铁中约为5000m／s。
• 声速与介质所处的状态(如温度)有关。例如：空气中传播速度与温度的关系:在固体或液体中声速一般随温度增高而降低。

第40页：超声波可近似为直线传播

超声波可近似为直线传播

• 有很好的方向性。声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强。
• 声波在介质中传播时会被吸收而衰减气体吸收最强，液体其次，固体吸收最小。声波传播时的衰减程度与声波频率有关，频率越高，声波衰减越大。

第41页：超声波的反射与折射特性

超声波的反射与折射特性

• 一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射。

IR、I0

反射和入射声波的声强；α、β：声波入射角、反射角；Z1、Z2：两种介质的声阻抗，Zi= ρivi例如：声波自水中传播到空气，已知：Z1=1.44×106，Z2=4×102，入射角与反射角为0，声波几乎全部被反射反射系数R：反射系数：

第42页：检测原理利用声波

检测原理利用声波

• 的界面反射特性，通过计测传播时间获得物位信号。

原理图

描述式：

第43页：应用

应用

2）a.超声波物位计种类：气介式，液介式，固介式b.主要影响因素介质温度及密度变化

第44页：实用测量方案

实用测量方案

c.描述式

第45页：超声波液位计

超声波液位计

3）特点①与介质不接触，无可动部件，仪器寿命长；②超声波传播速度比较稳定，光线、介质黏度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对测量影响极小，适用于有毒、腐蚀性或高粘度介质的测量；③可以较方便地提供遥测或遥控信号；④可测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位；⑤仪器结构复杂，价格昂贵。

第46页：3.5.7射线式物位检测

3.5.7射线式物位检测

• 射线：

种类

α射线：氦原子核，带正电荷；β射线：电子流γ射线：一种从原子核中发出的电磁波，波长较短，不带电荷，γ射线在物质中的穿透能力最强

主要应用

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.

第47页：检测原理

检测原理

• 射线能量吸收特点射线能量被所穿透介质部分吸收，穿透的射线强度随通过的介质厚度增加而减弱。强度变化规律：I0、I：射入介质前和通过介质后的射线强度；μ：介质对射线的吸收系数；H：射线所通过的介质厚度。

介质吸收能量能力

固体＞液体＞气体

• 测量原理通过检测射线的吸收能量获取物位信号。

第48页：检测系统构成射线式物位

检测系统构成射线式物位

• 检测系统主要由射线源、射线探测器和电子线路等部分组成①射线源一般采用穿透能力较强的γ射线。产生γ射线的放射性同位素：
• Co60(钴)：产生的γ射线能量大，半衰期5.3年，
• Cs137(铯)，产生的γ射线能量较小。半衰期33年。②探测器将接收的射线强度转变成电信号。主要有：闪烁计数管、电离室、正比计数管和盖革一弥勒计数管等。③电子线路信号放大，标准信号输出

第49页：实现方法

实现方法

• ①定点测量原理图：特点：
• 射线源与探测器安装在同一水平面
• 不能应用于液面的连续测量探测器射线源

第50页：连续测量

连续测量

• （一般应用）原理图：特点：
• 射线源和探测器分别装于容器上部和下部
• 接收射线强度随液位变化，可连续测量
• 测量范围较窄，300-500mm
• 准确度较低探测器射线源

第51页：跟踪测量原理图

跟踪测量原理图

测量过程

通过电机带动射线源与探测器沿轨道随液面上下运动，能对液面实现自动跟踪。

• 射线源探测器轨道

第52页：多射线源

多射线源

• （探测器）组合原理图：特点
• 可以适应宽量程需要，并可改善测量系统的线性特性
• 投资高，安装维护困难

第53页：3.5.8料位检测

3.5.8料位检测

重锤法称重法电磁法声学法光学法微波法主要方法：

第54页：重锤探测法原理图

重锤探测法原理图

• 动作过程
• 从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置；
• 重锤碰到物料时产生失重信号，控制执行机构停转一反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。特点：
• 一种简单可行、比较粗略的检测方法；
• 可实现定点或连续测量；
• 通常用于定期测定料位

第55页：称重法原理图

称重法原理图

测量依据

介质重量与体积的关系特点及应用：

• 属于比较粗略的测量方法；
• 一般只适用于精度要求不高的场合。

第56页：声学法原理图

声学法原理图

构成

由音叉、压电元件及电子线路等组成。

动作

音又由压电元件激振，以一定频率振动；料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后发出信号。

特点

灵敏度高，从微小粉体到颗粒体都能测量，但不适于测量高粘度和有长纤维的物质。

第57页：2.5.9物位开关应用目的

2.5.9物位开关应用目的

• 物位开关用于定点测量，并发出相应的开关量信号。

工作原理

与同类连续测量仪表相同物位开关的特点简单、可靠、使用方便，适用范围广。

第58页：几种常见物位开关

几种常见物位开关

第59页：2.5.10影响物位测量的因素

2.5.10影响物位测量的因素

• 液位测量
• 物料流进流出时，液面波动。在生产过程中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、密度和粘度等物理量不均匀的现象。
• 容器中的液体呈高温、高压或高粘度，或含有大量杂质、悬浮物等。2）料位测量
• 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量。3）界面测量在界面处可能存在浑浊段。

第60页：例题

例题

• 工艺要求测量置于密闭容器内的两种液体的界面，已知两种液体密度分别为ρ1=0.8g/cm3，ρ2=1.1g/cm3，a.请利用差压变送器设计一界面连续测量系统，b.确定仪表量程，c.判断是否需要进行量程迁移，d.若需要请计算迁移量。

解答

a.界面测量系统（如图）b.量程：△pmax=h3(ρ2-ρ1)gc.界面为最低界位时有p+=p+(h1+h2+h3)ρ1g+h4ρ2g-hρ0gp-=p+h1ρ1g+(h2+h3+h4-h)ρ0g若p+≠ p-则需要进行量程迁移d.迁移量△p=(h2+h3)ρ1g+h4ρ2g-(h2+h3+h4)ρ0g

第61页：1采用DDZ-III型差压变送

1采用DDZ-III型差压变送

• 习题器检测某水槽液位，已知液位波动范围为H，安装如下图所示。
• 请给出迁移量计算式b.已知：ρ=900kg/m3；ρ1=800kg/m3；h1=3mh2=1.5mh3=2m问:是否需要零点迁移？
• 是何种迁移?迁移量是多少？

第62页：习题2

习题2

• 如图利用双法兰差压液位计测量容器内液位。
• 已知导压介质密度为ρ，请判断其是否需要进行量程迁移，迁移量是多少。