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1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化第四章第四章 物位检测物位检测化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要n物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型n压差式液位计压差式液位计n工作原理工作原理n零点迁移问题零点迁移问题n用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位n其他物位计其他物位计n电容式物位计电容式物位计n核辐射物位计核辐射物位计n雷达式液位计雷达式液位计n称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪1化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型2几个概念几个概念几个概念几个概念液位液位 料位料位液位计液
2、位计 料位计料位计 界面计界面计测量物位的两个目的测量物位的两个目的测量物位的两个目的测量物位的两个目的按其工作原理分为按其工作原理分为按其工作原理分为按其工作原理分为直读式物位仪表直读式物位仪表 差压式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表浮力式物位仪表 电磁式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表核辐射式物位仪表 声波式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表光学式物位仪表化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计将差压变送器的一端接液相，另一端接气相将差压变送器的一端接液相，另
3、一端接气相因此因此3n一、工作原理一、工作原理图图4-1 4-1 差压式液位计原理图差压式液位计原理图化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计4液体密闭容器液体密闭容器液体敞开容器液体敞开容器固体称重仓固体称重仓化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计5n 二、零点迁移问题二、零点迁移问题在使用差压变送器测量液位时，一般来说在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力实际应用中，正、负室压力p p1 1、p p2 2分别为分别为则则图图4-2 4-2 负迁移示意图负迁移示意图化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压
4、式液位计差压式液位计迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。改变变送器的零点。迁移和调零迁移和调零迁移和调零迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。量则比较大。迁移迁移迁移迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。范围的平移，它不改变量程的大小。6化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计图图4-3 4-3 正负
5、迁移示意图正负迁移示意图图图4-4 4-4 正迁移示意图正迁移示意图举例举例举例举例 某差压变送器的测量范某差压变送器的测量范围为围为0 05000Pa5000Pa，当压差由，当压差由0 0变化到变化到5000Pa5000Pa时，变送器的时，变送器的输出将由输出将由4mA4mA变化到变化到20mA20mA，这是无迁移的情况，如左图这是无迁移的情况，如左图中曲线中曲线a a所示。负迁移如曲所示。负迁移如曲线线b b所示，正迁移如曲线所示，正迁移如曲线c c所所示。示。7一般型号后面加一般型号后面加“A”“A”的为正的为正迁移；加迁移；加“B”“B”的为负迁移。的为负迁移。化学工业出版社化学工业出
6、版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计n 三、用法兰式差压变送器测量液位三、用法兰式差压变送器测量液位 单法兰式单法兰式 双法兰式双法兰式 法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器按其结构形式按其结构形式按其结构形式按其结构形式8 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。用法兰式差压变送器，如下图所示。图图4-5 4-5 法兰式差压变送器测量液位示意图法兰式差压变送器测量液位
7、示意图11法兰式测量头；法兰式测量头；22毛细管；毛细管；33变送器变送器化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计图图4-6 4-6 单法兰插入式差压变送器单法兰插入式差压变送器11挡板；挡板；22喷嘴；喷嘴；33弹簧；弹簧；44反馈波纹管；反馈波纹管；55主杠杆；主杠杆；66密封片；密封片；77壳体；壳体；88连杆；连杆；99插入筒；插入筒；1010膜盒膜盒图图4-7 4-7 双法兰式差压变送器双法兰式差压变送器11挡板；挡板；22喷嘴；喷嘴；3 3杠杆；杠杆；44反反馈波纹管；馈波纹管；55密封片；密封片；66插入式法插入式法兰；兰；77负压室；负压室；88测量
8、波纹管；测量波纹管；99正压室；正压室；1010硅油；硅油；1111毛细管；毛细管；1212密封环；密封环；1313膜片；膜片；1414平法兰平法兰9化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计n一、电容式物位计一、电容式物位计1.1.1.1.测量原理测量原理测量原理测量原理图图4-8 4-8 电容器的组成电容器的组成11内电极；内电极；22外电极外电极两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量C C C C当当当当 D D D D 和和和和 d d d d 一定时，电容量一定时，电容量一定时，电容量一定时，电容量 C C C C 的的的的大小与极板的
9、长度大小与极板的长度大小与极板的长度大小与极板的长度 L L L L 和介质的介和介质的介和介质的介和介质的介电常数电常数电常数电常数的乘积成比例。的乘积成比例。的乘积成比例。的乘积成比例。10 通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。不同液体的分界面。化学工业出版社化学工业出版社 电容式液位计电容式液位计电容（绳）式料位计电容（绳）式料位计主要用于测量不导电流体主要用于测量不导电流体第三节第三节 其他物位计其他物位计化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计2.2.2.2.液位的检测液位的检测液位
10、的检测液位的检测4-9 4-9 非导电介质的非导电介质的液位测量液位测量11内电极；内电极；22外电极；外电极；33绝缘套；绝缘套；44流通小孔流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为零点的电容为 对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为当液位上升为H H时，电容量变为时，电容量变为电容量的变化为电容量的变化为11化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数与空气介电系数0不等的原理进行工作，（
11、-0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。结论结论结论结论12化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计3.3.3.3.料位的检测料位的检测料位的检测料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易于固体间磨损较大，容易“滞留滞留”，可用电极棒及容器壁，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。组成电容器的两极来测量非导电固体料位。左图所示为用金属电极棒插入容器来测量左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。料位的示意图。电容量变化与料位升降的关系为电容
12、量变化与料位升降的关系为1311金属电极棒；金属电极棒；22容器壁容器壁图图4-10 4-10 料位检测料位检测化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计优点优点优点优点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点缺点缺点缺点 需借助较复杂的电子线路。需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。发生变化这种情况。14化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计n二、核辐射物位计二、核辐射物位计 射线的透射强度随着射线的透射强度随着
13、通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（具体关系见式（4-94-9）。）。（4-94-9）图图4-10 4-10 核辐射物位计示意图核辐射物位计示意图11辐射源；辐射源；22接受器接受器特点特点特点特点适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。温融熔金属的液位。可在高温、烟雾等环境下工作。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人体有害，使
14、用范围但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。受到一些限制。15化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计n二、核辐射物位计二、核辐射物位计0045系列系列e码射频物位计码射频物位计化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计n三、雷达式液位计三、雷达式液位计 雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有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。毒液体的液位。它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且
15、测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相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对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。应用。优点优点16雷达物位计雷达物位计 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计图图4-12 4-12 雷达式液位计示意图雷达式液位计示意图 雷达波由天线发出到接收到由雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间液面来的反射波的时间t t由下式确定由下式确定 由于由于故故 雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。法两种方式。17化学
16、工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计图图4-13 4-13 微波脉冲法原理示意图微波脉冲法原理示意图要使用导波管？要使用导波管？18化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计n四、称重式液罐计量仪四、称重式液罐计量仪既能将既能将液位测得很准液位测得很准液位测得很准液位测得很准，又能反映出罐中，又能反映出罐中真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量。称重仪根据称重仪根据称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理天平原理天平原理设计。设计。设计。设计。由于由于杠杆平衡时杠杆平衡时（3-643-64）代入（代入（3-643-64）（3-653-
17、65）如果液罐是均匀截面如果液罐是均匀截面（3-663-66）（3-673-67）19化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计图图4-14 4-14 称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪11下波纹管；下波纹管；22上波纹管；上波纹管；33液相引压管；液相引压管；44气相引压管；气相引压管；55砝码；砝码；66丝杠；丝杠；77可逆电可逆电机；机；88编码盘；编码盘；99发讯器发讯器式中式中如果液罐的横截面积如果液罐的横截面积A A为常数，得为常数，得将式（将式（3-673-67）代入式（）代入式（3-653-65），得），得（3-683-68）20化学工业出版社化学工业出版社
18、 例题分析例题分析举例举例举例举例1.1.某贮罐内的压力变化范围为某贮罐内的压力变化范围为1215MPa1215MPa，要求远传显示，要求远传显示，试选择一台试选择一台DDZ-DDZ-型压力变送器型压力变送器(包括准确度等级和量包括准确度等级和量程程)。如果压力由。如果压力由12MPa12MPa变化到变化到15MPa15MPa，问这时压力变送，问这时压力变送器的输出变化了多少器的输出变化了多少?如果附加迁移机构如果附加迁移机构,问是否可以提问是否可以提高仪表的准确度和灵敏度高仪表的准确度和灵敏度?试举例说明之。试举例说明之。解：解：如果已知某厂生产的如果已知某厂生产的 DDZ-DDZ-型压力变
19、送器的规格有：型压力变送器的规格有：0 01010，1616，2525，6060，100 100（MPaMPa）精度等级均为精度等级均为0.50.5级。级。输出信号范围为输出信号范围为0 010mA10mA。21化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由已知条件，最高压力为由已知条件，最高压力为15MPa15MPa，若贮罐内的压力是比，若贮罐内的压力是比较平稳的，取压力变送器的测量上限为较平稳的，取压力变送器的测量上限为 若选择测量范围为若选择测量范围为0 025MPa25MPa、准确度等级为、准确度等级为0.50.5级级,这这时允许的最大绝对误差为时允许的最大绝对误差为 由于变送器的
20、测量范围为由于变送器的测量范围为0 025MPa25MPa，输出信号范围，输出信号范围为为0 010mA,10mA,故压力为故压力为12MPa12MPa时时,输出电流信号为输出电流信号为 22化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析压力为压力为15MPa15MPa时，输出电流信号为时，输出电流信号为 这就是说这就是说,当贮罐内的压力由当贮罐内的压力由12MPa12MPa变化到变化到15MPa15MPa时时,变送变送器的输出电流只变化了器的输出电流只变化了1.2mA1.2mA。在用差压变送器来测量液位时，由于在液位在用差压变送器来测量液位时，由于在液位H=0H=0时时,差压差压变送器的输入
21、差压信号变送器的输入差压信号p p并不一定等于并不一定等于0 0，故要考虑零点的，故要考虑零点的迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量中遇到，在其他参数迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量中遇到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移机构，可以改变测量的起始的测量中也可能遇到。加上迁移机构，可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度点，提高仪表的灵敏度(只不过这时仪表量程也要作相应改只不过这时仪表量程也要作相应改变变)。23化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由本例题可知，如果确定正迁移量为由本例题可知，如果确定正迁移量为7MPa7MPa，则变送，则变送器的量程规格可选为器的量程规格可选为1
22、6MPa16MPa。那么此时变送器的实际测量。那么此时变送器的实际测量范围为范围为7 723MPa23MPa，即输入压力为，即输入压力为7MPa7MPa时，输出电流为时，输出电流为0mA0mA；输入压力为；输入压力为23MPa23MPa时，输出电流为时，输出电流为10mA10mA。这时如果输入。这时如果输入压力为压力为12MPa12MPa，则输出电流为，则输出电流为 输入压力为输入压力为15MPa15MPa时时,输出电流为输出电流为 24化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由此可知，当输入压力由由此可知，当输入压力由12MPa12MPa变化到变化到15MPa15MPa时，输时，输出
23、电流变化了出电流变化了1.875mA1.875mA，比不带迁移机构的变送器灵敏，比不带迁移机构的变送器灵敏度提高了。度提高了。变送器的准确度等级仍为变送器的准确度等级仍为0.50.5级，此时仪表的最大级，此时仪表的最大允许绝对误差为允许绝对误差为(23-7)0.5%=0.08MPa(23-7)0.5%=0.08MPa，所以，由于，所以，由于加了迁移机构，使仪表的测量误差减少了。加了迁移机构，使仪表的测量误差减少了。25化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析图图4-15 4-15 法兰式差压变送器测液位法兰式差压变送器测液位262.2.用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位用一台双法兰
24、式差压变送器测量某容器的液位,如图如图4-154-15所示。所示。已知被测液位的变化范围为已知被测液位的变化范围为0 0 3m,3m,被测介质密度被测介质密度=900kg/m=900kg/m3 3,毛细管内工作介质密度毛细管内工作介质密度0 0=950kg/m=950kg/m3 3。变送器的安装尺寸为。变送器的安装尺寸为 h h1 1=1m,h=1m,h2 2=4m=4m。求变送器的测量范围。求变送器的测量范围,并判断零点迁移方向并判断零点迁移方向,计计算迁移量算迁移量,当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时,问对问对测量有何影响测量有何影响?化学工业
25、出版社化学工业出版社 例题分析例题分析解：解：当不考虑迁移量时当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。最大变化范围来计算。液位为液位为3m3m时时,其压差为其压差为 这里值得一提的是压力单位这里值得一提的是压力单位PaPa用用SISI基本单位时就基本单位时就相当于相当于m m-1-1kgskgs-2-2，即，即27化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 所以液柱压力用所以液柱压力用HgHg计算时计算时,只要只要H H用用m,m,用用kg/mkg/m3 3，g g用用m/sm/s2 2为单位时为单位时,相乘结果的单位就是相乘结果的单位
26、就是PaPa。上述计算结果。上述计算结果p pmaxmax为为26.487kPa,26.487kPa,经过圆整后经过圆整后,测量范围可选测量范围可选0 030kPa30kPa。根据图示根据图示,当液位高度为当液位高度为H H时时,差压变送器正压室所受差压变送器正压室所受的压力的压力p p1 1为为 负压室所受的压力负压室所受的压力p p2 2为为28化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析因此，差压变送器所受的压差为因此，差压变送器所受的压差为 由上式可知由上式可知,该差压变送器应进行负迁移该差压变送器应进行负迁移,其迁移量其迁移量为为 h h2 20 0g g。当差压变送器安装的高度改
27、变时当差压变送器安装的高度改变时,只要两个取压法只要两个取压法兰间的尺寸兰间的尺寸h h2 2不变不变,其迁移量是不变的。其迁移量是不变的。29化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析3.3.用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度,利利用溢流来保持罐内液位用溢流来保持罐内液位H H恒为恒为1m1m。如图。如图4-164-16所示。已知差压所示。已知差压变送器的输出信号为变送器的输出信号为010mA,010mA,硫酸的最小和最大密度分别为硫酸的最小和最大密度分别为minmin=1.32(g/cm=1.32(g/cm3 3),),maxm
28、ax=1.82(g/cm=1.82(g/cm3 3)图图4-16 4-16 流体密流体密度测量示意图度测量示意图minmin=1.32(g/cm=1.32(g/cm3 3),),maxmax=1.82(g/cm=1.82(g/cm3 3)要求要求:(1)(1)计算差压变送器的测量范围；计算差压变送器的测量范围；(2)(2)如加迁移装置如加迁移装置,请计算迁移量；请计算迁移量；(3)(3)如不加迁移装置如不加迁移装置,可在负压侧加装水恒压器可在负压侧加装水恒压器(如图中虚如图中虚线所示线所示)，以抵消正压室附加压力的影响，以抵消正压室附加压力的影响,请计算出水恒压请计算出水恒压器所需高度器所需高
29、度h h。30化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析解：解：（1 1）若不考虑零点迁移）若不考虑零点迁移,那么就要以那么就要以maxmax来计算差压来计算差压变送器的测量范围。当变送器的测量范围。当=maxmax=1.82g/cm=1.82g/cm3 3时时,差压变送差压变送器所承受的差压为器所承受的差压为将将H H=1m,=1m,maxmax=1820kg/m=1820kg/m3 3，g g=9.81m/s=9.81m/s2 2代入上式代入上式,得得 如果选择差压变送器的测量范围为如果选择差压变送器的测量范围为0 02102104 4Pa,Pa,则则当当=maxmax=1.82g/c
30、m=1.82g/cm3 3时时,对应的变送器输出为对应的变送器输出为 31化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析当当=minmin=1.32g/cm=1.32g/cm3 3时时,其差压为其差压为 这时差压变送器的输出为这时差压变送器的输出为 由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输出电流由出电流由6.475mA6.475mA变化到变化到8.925mA8.925mA，仅变化了，仅变化了2.45mA2.45mA，灵敏，灵敏度是很低的。度是很低的。32化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 （2 2）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点
31、迁移，提）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点迁移，提高测量的起始点。考虑到高测量的起始点。考虑到=maxmax时，这时所对应的压差时，这时所对应的压差仍为仍为1.785101.785104 4PaPa，所以在提高测量起始点的同时，测量，所以在提高测量起始点的同时，测量上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。当当=minmin=1.32g/cm=1.32g/cm3 3时时,p pminmin=1.29510=1.295104 4PaPa。因此。因此可以选择迁移量为可以选择迁移量为1101104 4Pa,Pa,测量范围为测量范围为1101104 421
32、02104 4PaPa的差压变送器。这时的差压变送器。这时,若若=minmin时时,变送器的输变送器的输出为出为 33化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析当当=max时时,变送器的输出为变送器的输出为 这时这时由由min变到变到max时时,输出电流由输出电流由2.95mA变为变为7.85mA,变化了变化了4.9mA,大大提高了仪表的灵敏度。大大提高了仪表的灵敏度。34化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 （3）如果不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压器，）如果不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压器，而迁移量仍为而迁移量仍为1104Pa，根据，根据 以水的密度以水的密度=1000kg/m3代入代入,得得 35