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1、5.1 概述物位的定义物位的定义 物位是指设备或容器中液体或固体物料的表面位置。物位可分为 液位、料位和界面三种。物位检测的意义及目的物位检测的意义及目的 确定容器中的原料、产品或半成品的数量，以保证连续生产或进行经济核算；了解物位是否在规定的范围之内，这对确保产品质量和产量，实现安全、高效、正常生产具有重要意义。物位检测仪表及其分类物位检测仪表及其分类 物位检测仪表也即物位计，可分为液位检测仪表、料位检测仪表、界面检测仪表。物位检测仪表按检测方式可分为连续检测仪表和定点检测仪表（又称物位开关）两大类；按工作原理可分为直读式、静压式、浮力式、机械接触式、电气式、声学式、光学式、辐射式、微波式、
2、称重式、磁致伸缩式等多种类型。第1页/共48页5.2 直读式液位计基于连通器原理工作。玻璃式液位计的选用问题：就地液位指示宜选用玻璃板液位计，但测量深色、粘稠并与管壁有沾染作用的介质时不宜使用；对于温度低于8080、压力小于0.4MPa0.4MPa、不易燃、无爆炸危险和无毒的洁净介质，可选用带护罩的玻璃管液位计；玻璃板液位计的长度不宜大于1700mm1700mm，当测量范围大于1700mm1700mm时，可采用几个液位计上下重叠安装。第2页/共48页5.3 静压式液位计检测原理检测原理 通过检测液柱静压的方法来测量液位。A A、B B两点之间的压力差为 当被测对象为敞口容器时，则pA即为大气压
3、pO，于是上式即变为第3页/共48页压力式液位计压力式液位计 压力式液位计是基于测压仪表所测压力与液位高度成正比而测量液位的，主要用于敞口容器液位测量。普通型压力计式液位计注：当压力计与取压点(即零液位点)不在同一水平位置时，应对由于位 置高度差而引起的附加压力进行修正，即“零点迁移”。第4页/共48页法兰式压力液位计 压力计通过法兰安装于容器底部，作为敏感元件的金属感压膜盒安装在法兰中，并经毛细管与压力计（如变送器等）的测量室相连。当压力计与取压点(即零液位点)不在同一水平位置时，也应进行零点迁移。第5页/共48页 投入式液位计 投入式液位计的突出优点是安装使用方便，只需将量程合适的投入式液
4、位计从敞口容器顶部投入到液体中，并经零点调整、量程调整和电缆固定即可，一般不存在零点迁移问题。不适合含泥沙等杂质较多的液体液位测量。第6页/共48页差压式液位计差压式液位计普通型差压式液位计普通型差压式液位计 系统结构及工作原理正、负压室的压力差P为 在测量密闭容器液位时，气相压力与大气压力不等，尤其是气相压力有变化甚至变化较大时，就不能采用上述压力式液位计，而应采用差压式液位计。第7页/共48页 实际应用举例双室平衡容器与DDZ-型差压变送器配套的锅炉汽包液位测量系统如下图。双室平衡容器的内部结构如图5-85-8所示，正管p p+内的压力随被测液位变化而变化；负管p p 内用以产生固定的压力
5、，正、负管之间就形成与被测液位高度相对应的差压信号p p=p p+-+-p p。第8页/共48页 差压信号p由差压变送器来测量，差压变送器的正压室接平衡容器的p+管，负压室接平衡容器的p-管。此时要实现如图5-11所示的特性曲线，就必须对差压变送器进行100%的零点负向迁移，即输入差压为负向最大值时让差压变送器输出4mA DC，输入差压为零时让差压变送器输出为20mA DC。第9页/共48页法兰式差压液位计 当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及粘度大、易凝固等介质的液位时，可以采用法兰式差压液位计，使用时不用考虑零点迁移问题。零点迁移零点迁移零点迁移有无迁移、正迁移和负迁移三种情况。零点迁移和
6、零点调整都是使变送器的输出信号下限值y yminmin与测量范围的下限值x xminmin相对应，在x xminmin=0=0时，称为零点调整，在x xminmin 0 0时，称为零点迁移。第10页/共48页无迁移 对于图5-35-3和图5-45-4的液位测量系统，如果压力计与取压点（零液位点）处于同一水平位置，则无需进行零点迁移；无迁移情况如图5-135-13的a a线所示。正迁移 对于图5-3、图5-4和图5-6的情况，在实际安装压力计或差压变送器时，一般不能保证其与零液位点在同一水平面上，如图5-14所示。设连接差压变送器负压室与容器上部取压点的引压管中充满气体，并忽略气体产生的静压力，
7、此时即需要对差压变送器进行正迁移，如图5-13中的b线所示。图5-13第11页/共48页负迁移 对于图5-7所示的锅炉气包液位测量系统而言，当液位为零时，差压变送器所感受到的差压为负的最大值（设为-B），而当液位最高时，则差压为零。而要使测量系统实现如图5-11所示的特性曲线，就必须必须对差压变送器进行100%的零点负向迁移，输入差压为-B时输出电流为4mA DC，而当输入差压为零时输出为20mA DC，如图5-13中的c线所示。静压式液位计的选用静压式液位计的选用 选型 安装 (P145-146)图5-14第12页/共48页5.4 浮力式液位计浮子式液位计浮子式液位计 浮力式液位计是利用漂浮
8、于被测液面上的浮子（也称浮标）的位置随液面变化而变化或利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力随液面位置的变化而变化来检测液位的。前者称为恒浮力式液位计；后者称为变浮力式液位计，也称为浮筒式液位计。浮子漂浮原理 浮子式液位计的浮子始终漂浮在液面上，平衡时浮子的位置即为被测液体的液面位置。第13页/共48页重锤式浮子液位计第14页/共48页舌簧管式液位计第15页/共48页磁翻转式液位计磁翻转式液位计可替代玻璃式液位计，用于测量敞口容器或密闭容器内的液位。第16页/共48页UNS(UGS)UNS(UGS)系列彩色石英管液位计：系列彩色石英管液位计：第17页/共48页浮球式液位开关浮筒式液位
9、计浮筒式液位计第18页/共48页5.5 电气式物位计电气式物位计是将物位的变化转换为电量的变化，进而间接测量物位的仪表。电容式物位计电容式物位计常用的电容式物位计多采用平行板或圆筒型电容传感器。浮力式液位计的选用浮力式液位计的选用浮子式液位计浮筒式液位计第19页/共48页圆筒型电容式物位计应用广泛，下面以此为例进行介绍。对于圆筒型电容传感器，如果被测介质为非导电性物质，在不考虑边缘效应的情况下，其电容量为 由上式可知，当圆筒形电容器的几何尺寸L，r1和r2保持不变，且介电常数也不变时，传感器的输出电容量与物位高度成线性关系，这就为后续的信号处理提供了方便。另外，两种介质的介电常数差值（2-1）
10、越大，则C也越大，说明相对灵敏度越高。电容式液位计 图5-20（a）为非导电性液体液位检测原理图。它由相互绝缘的同轴内、外电极组成。当液位高度为H时，整个电容相当于两个电容并联而成，其中被液体淹没部分的传感器介电常数由原来的1变为2，总的电容容量可由上式计算。第20页/共48页液位为H时电容量的变化量为第21页/共48页 图5-20（b）为导电性液体液位检测原理图。内电极采用紫铜或不锈钢材料，外半径为r1，其外套用聚四氟乙烯或搪瓷作为电介质和绝缘层（绝缘层外半径为r2）。同样，此时的电容也由两个电容并联而成，不同之处是，这时的液位不是改变传感器的电介质，而是改变外电极内径，被液体淹没部分的外电
11、极内半径由r2变为r2，而处在空气中的那部分电容的外电极内半径仍为r2，总的电容容量由下式计算：液位为H时电容量的变化量为若r2 r1且2 1，则上式可近似为第22页/共48页电容式料位计 对于固体物料，如锅炉煤粉仓粉位的测量，其原理与上述液位测量原理类似，但由于固体物料的摩擦力比较大，容易发生“滞留”现象，故一般是采用电极棒（内电极）和容器壁组成的电容传感器来测量非导电性固体物料的料位，或者是采用由套以绝缘套管的内电极和容器壁组成的电容传感器来测量导电性固体物料的料位。电容式料位计电容式液位计第23页/共48页电容式物位计的选型电容式物位计的选型应考虑如下问题：电容式物位计的选型应考虑如下问
12、题：对于腐蚀性液体、沉淀性流体等的液位连续测量和位式测量，可选用电容式液位计。用于界面测量时，两种液体的电气性能必须符合产品的技术要求。对于不粘稠非导电性液体，可采用轴套筒式的电极；对于不粘滞导电性液体，可采用套管式的电极；对于易粘滞非导电性液体，可采用裸电极。电容液位计不能用于易粘滞的导电性液体液位的连续测量。对于颗粒状物料和粉粒状物料，如煤、塑料单体、肥料、砂子等料位的连续测量和位式测量，可选用电容式料位计。第24页/共48页射频导纳物位计射频导纳物位计 射频导纳物位计由检测和变送两部分组成。检测部分由探头作为电容器的一极，而容器壁或辅助电极作为电容器的另一极，构成电容传感器；变送器由射频
13、正弦振荡器、解调器、放大器和电压/电流转换器等组成。它与前述电容式物位计相比的不同之处在于：后者采用100kHz的射频电源，测量的是阻抗的倒数导纳，故称其为射频导纳物位计。电极式液位计电极式液位计电极式液位计的典型产品是电接点水位计 测量原理 电接点水位计由电接点水位传感器和显示仪表组成，而电接点水位传感器又包括测量筒和若干个电接点，测量筒与汽包构成连通器，测量筒与电接点之间有良好的绝缘，第25页/共48页电接点水位传感器的结构电接点水位计的显示仪表电路原理第26页/共48页热电偶式液位计热电偶式液位计 在容器壁上选定若干个测点，并在每个测点处安装相应的热电偶，然后再用计算机等设备实时记录各测
14、点的温度，根据温度发生突变的位置，即可得出高温液体（如钢水、铁水）的液位高度。第27页/共48页5.6 超声波物位计连续式超声波物位计连续式超声波物位计 超声波物位计是采用压电晶体换能器（也叫超声波换能器）来发射和接收超声波，根据回声测距原理，利用超声波从发射到接收的时间间隔与物位高度成比例的关系来求得物位高度。气介式超声波物位计 单探头气介式超声波物位计如右图。用计时器测出超声波来回所经历的时间t t，即可求得物位高度为：第28页/共48页 对于右图所示的双探头气介式超声波物位计，被测物位高度可用下式表示液介式超声波液位计第29页/共48页单探头液介式超声波液位计如图5 526(a)26(a
15、)所示，液位高度计算公式为：对于图5-26（b）所示的双探头液介式超声波液位计，被测液位高度可用下式表示固介式超声波物位计 计算公式：这种计算方法忽略了超声波在液体中的传播时间，会带来一定的测量误差。为提高精度，也可将超声波在液体中的传播时间和距离计入在内。第30页/共48页超声波声速补偿 温度补偿 设置校正具根据已知声速与温度之间的函数关系，由相应的设备对声速进行自动补偿。工程上常用的声速校正具如图5-285-28所示。在超声波传播介质中安装两组换能器探头，其中的一组探头用作检测，另一组探头用作声速校正。第31页/共48页超声波物位开关超声波物位开关气介穿透式超声波料位开关 当物位升高到换能
16、器所在高度时，超声波声路将会被阻断，这样，接收换能器就接收不到超声波，控制器即可发出相应的开关控制信号。第32页/共48页液介穿透式超声波液位开关 这种液位开关是利用固体与液体和固体与气体的声阻抗差有显著差别这一特性而工作的。当液位处于正常范围时，换能器之间的间隙（即小槽）内充满气体，由于固体与气体的声阻抗差别很大，超声波的大部分将在固-气界面上被反射，所以接收换能器所接收到的能量很小；而当液位升高到报警限时，间隙内充满液体，由于固体与液体的声阻抗接近，则超声波穿透固-液界面时的损耗就较小，所以大部分超声波能量可被接收换能器所接收。据此可判断液位是否达到预定的高度。第33页/共48页声阻式超声
17、波液位开关 这种液位开关是利用气体和液体对超声波振动的阻尼有显著差别这一特性而工作的。当换能器的辐射面与气体接触时，由于气体对辐射面振动的阻尼较小，则换能器压电陶瓷的振幅就比较大；反之，当辐射面与液体接触时，由于液体对辐射面振动的阻尼较大，则换能器压电陶瓷的振幅就较小。超声波物位计的选用超声波物位计的选用选型安装第34页/共48页5.7 核辐射式物位计基本原理基本原理 射线的透射强度与介质厚度有关，在入射强度一定的情况下，透射强度会随着介质厚度的增加按指数规律衰减。当放射源和被测介质确定后，I I0 0和就都是常数，这样，根据上式，测出I I 即可求得被测介质厚度H H。结构及原理结构及原理
18、核辐射式物位计主要由放射源、接收器和显示仪表三大基本部分组成。第35页/共48页核辐射式物位计的类型核辐射式物位计的类型定点方式 图可进行上、下限报警信号，但不能进行连续测量。图（b）可对物位进行连续测量，但测量范围比较窄，测量准确度也较低。第36页/共48页自动跟踪方式 放射源和接收器始终保持在同一高度，并可由电机带动沿导轨随物位变化而升降。可实现对物位的自动跟踪。第37页/共48页多点组合方式在测量变化范围比较大的物位时，可以采用多点组合方式。核辐射式物位计的选型核辐射式物位计的选型见P165第38页/共48页5.8 机械接触式物位计重锤式料位计重锤式料位计重锤式料位计是利用失重原理测量物
19、位的。如高炉料位探尺即为重锤式料位计。第39页/共48页音叉式料位计音叉式料位计音叉式料位计是根据音叉振动频率的变化来检测料位的。音叉(振动片)由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率。如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振。据此可测料位 。第40页/共48页5.9 雷达物位计概述概述雷达物位计又称微波物位计，是利用雷达测距原理工作的。雷达物位计根据用途的不同可分为位式和连续式两种。位式雷达物位计如
20、图5-38所示。当物位低于微波束的传播路径时，接收器可接收到信号，而当物位升高到波束处时，微波被反射或吸收，接收器接收到的信号将会非常微弱，据此可进行物位的上下限报警。连续式雷达物位计是将发射器和接收器安装在容器的顶部，可对物位进行连续检测。第41页/共48页反射式雷达液位计反射式雷达液位计 反射式雷达液位计是利用微波反射原理制成的，可实现液位的连续检测或定点控制。如图5-40（a）所示为测功率法。接收天线接收接收到的微波功率P与天线距被测液位的高度H有如下关系式：如图5-40（b）所示为测时间法，工作原理与气介式超声波物位计类似，可用右式计算。第42页/共48页调频式雷达物位计调频式雷达物位
21、计 调频式雷达物位计采用复合脉冲雷达技术，它是将一段经调制的脉冲信号由同一天线发射并接收。由于发射的信号是频率随一定时间间隔（即扫描频率）线性增加的调频连续波（FMCWFMCW），则发射波与反射波的频率差值就与天线到被测介质表面的距离成正比，距离越大，频率差值也越大，反之亦然。导波式雷达物位计导波式雷达物位计 导波式雷达物位计采用时域反射法(TDR)(TDR)。微波脉冲是通过一根(或两根)从罐顶伸入，直达罐底的导波体传播。雷达物位计的选用雷达物位计的选用 选型安装第43页/共48页 工作时，测量头向波导线发出一个电流脉冲，在波导线附近产生的新磁场（其磁力线是以波导线轴线为圆心的同心圆）与磁浮子
22、的磁场相互作用，使波导线扭动并产生扭应力波脉冲，此扭应力波脉冲向上传播并被测量头内的传感器所接收。由于电流的传输速度很快，其传播时间可以忽略不计，这样，从测量头发出电流脉冲到接收到返回的应力波脉冲的时间就取决于机械波的传播速度和传感器距磁浮子之间的距离。5.10 磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计是利用磁致伸缩效应工作的。第44页/共48页第45页/共48页5.11 物位检测仪表的选用选型的一般规定选型的一般规定第46页/共48页安装的一般规定安装的一般规定物位检测仪表安装的一般规定如下：物位检测仪表的仪表连接头（管嘴）位置应避开进入设备物流的冲击。仪表的观测面应朝向操作通道，周围不应有妨碍维修仪表的物件。物位检测仪表宜安装在平台一端，或加宽平台。物位检测仪表的仪表连接头（管嘴）如在设备的底部，应伸入设备l00mml00mm。测量界面时，物位检测仪表的上部仪表连接头（管嘴）必须位于液相层内。数个液位计组合使用时，宜采用连通管安装型式。物位检测仪表品种多，同类仪表适用范围广，不同类仪表常可适用于同一场合，并且同类仪表因制造技术的不同，其性能和结构也会各有差异。因此在选型时，应深人了解工艺条件、被测介质的性质及检测控制系统的要求，根据各类仪表的技术性能、结构特点及性能价格比等，综合考虑后选择合适的仪表。第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页