第3章-过程测量仪表4(物位).ppt

3-5 3-5 物位测量仪表物位测量仪表物位检测方法2概述3 1静压式液位计静压式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计电容式物位计电容式物位计其他物位测量仪表3 31o物位的定义：物位的定义：n“物位物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。置。n物位是液位、料位、界位的总称。物位是液位、料位、界位的总称。o液位液位指设备和容器中液体介质表面的高低。指设备和容器中液体介质表面的高低。o料位料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体指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。物料的堆积高度。o界位界位指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。液固相界面。液-液、液液、液-固相界面的位置简称界位。固相界面的位置简称界位。n对物位进行测量、指示的仪表，称物位检测仪表。对物位进行测量、指示的仪表，称物位检测仪表。一、概述一、概述2一、概述一、概述o物位检测仪表的分类：物位检测仪表的分类：n由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以很大差别，所以物位检测的方法有多种多样，以满足不同生产过程的测量要求。满足不同生产过程的测量要求。n按测量方式分类：按测量方式分类：可分为连续测量和定点测量两可分为连续测量和定点测量两大类。大类。1、连续测量方式能持续测量物位的变化。、连续测量方式能持续测量物位的变化。2、定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或、定点测量方式则只检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某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关物位开关。n按工作原理分类按工作原理分类：物位检测仪表有直读式、浮力：物位检测仪表有直读式、浮力式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。3o直读式物位检测仪表直读式物位检测仪表n采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中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。方法可靠、准确，但是只能就地指物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。示。主要用于液位检测和压力较低的场合。o静压式物位检测仪表静压式物位检测仪表n基于流体静力学原理，适用于液位检测。基于流体静力学原理，适用于液位检测。n容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。考点的压力可测知液位。n这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。一、概述一、概述4o浮力式物位检测仪表浮力式物位检测仪表n其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检其工作原理基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。从而可以检测液位。n这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。等。o电磁式物位仪表电磁式物位仪表n是将物位变化转换为电量的变化，并通过对电是将物位变化转换为电量的变化，并通过对电量变化的测量间接测知物位。量变化的测量间接测知物位。一、概述一、概述5o声波式物位仪表声波式物位仪表:n基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到基于声学回声原理，通过测量超声波由发射到返回的时间推算物位的高度。返回的时间推算物位的高度。o辐射式物位仪表辐射式物位仪表:n利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质利用伽玛射线穿过介质时，其辐射强度随介质的厚度而衰减的原理测量物位。的厚度而衰减的原理测量物位。一、概述一、概述6p将压力计与容器底部相连，根据将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液流体静力学原理，所测压力与液位的关系为：位的关系为：p=gH p 容器内取压平面上由液柱产生容器内取压平面上由液柱产生的静压力的静压力 容器内被测介质的密度容器内被测介质的密度g 重力加速度重力加速度H 从取压平面到液面的高度从取压平面到液面的高度二、二、物位检测方法物位检测方法2.1 2.1 静压式液位计静压式液位计 1 1工作原理工作原理：静压式液位计是根据液体在容器内的液静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。7p在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方在测量受压密闭容器中的液位时，由于介质上方的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测的压力影响会产生附加静压力，所以采用差压法测液位。液位。测量受压密闭容器中的液位测量受压密闭容器中的液位8 p差压变送器的差压变送器的高压侧高压侧与与容器底部的取压管相连，容器底部的取压管相连，低压侧低压侧与液面上方容器与液面上方容器的顶部相连。的顶部相连。p如果容器上部空间为干如果容器上部空间为干燥的气体，则此时差压燥的气体，则此时差压变送器高，低压侧所感变送器高，低压侧所感受的压力分别为：受的压力分别为：9o差压变送器所受的压差差压变送器所受的压差 p因此，可以根据差压变送器因此，可以根据差压变送器测得的差压按下式计算出液测得的差压按下式计算出液位的高度位的高度10静压式液位计静压式液位计特点：特点：o利用静压原理测液位，就是把液位测量分别利用静压原理测液位，就是把液位测量分别转化为压力或差压测量。转化为压力或差压测量。o各种压力和差压测量仪表，只要量程合适，各种压力和差压测量仪表，只要量程合适，都可用来测量液位，分别叫压力式液位计和都可用来测量液位，分别叫压力式液位计和差压式液位计。差压式液位计。11 （1）差压变送器的高压室）差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上；）在同一水平面上；（2）差压变送器低压室的）差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的导压管中没有任何气体的冷凝液存在；冷凝液存在；（3）被测介质的密度保持）被测介质的密度保持不变。不变。*2 零点迁移问题零点迁移问题p由差压式液位计的测量原由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差理可知，液柱的静压差 P 与液位高度与液位高度 H 满足满足式式 的条件是：的条件是：12p在这种情况下，差压变送器处在这种情况下，差压变送器处于理想条件下的于理想条件下的无迁移工作状无迁移工作状态态。p假定采用输出为假定采用输出为 4mA 20mA 的的DDZ-差压变送器，差压变送器，对应关系如图：对应关系如图：u当当 H 0 时，变送器输入压差时，变送器输入压差 p 0，输，输出电流为出电流为4mA；u当液位到上限，变送器输入压差当液位到上限，变送器输入压差 p=Hmaxg，输，输出电流出电流20mA。13o在实际应用中存在的问题：在实际应用中存在的问题：n差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上；差压变送器的安装位置不能与最低液位处于同一水平面上；n导压管路中有隔离液。导压管路中有隔离液。14a图，差压变送器高低压室图，差压变送器高低压室所受压力分别为：所受压力分别为：高低压室所受的压差为：p当当 H=0时，时，p=hg，此时的变送器输此时的变送器输出必然大于出必然大于 4mA。15零点迁移功能零点迁移功能o为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须为使变送器输出与被测液位仍保持无迁移对应关系，必须应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。应用差压变送器的零点迁移功能来抵消静压影响。o*正迁移：正迁移：变送器的起始输入点由变送器的起始输入点由零点变为一个正值，因零点变为一个正值，因此称为正迁移。此称为正迁移。正迁移特性曲线正迁移特性曲线16o高低压室所感受的压差为高低压室所感受的压差为 o与无迁移情况相比较，总的差压减少了与无迁移情况相比较，总的差压减少了(h2-h1)2g，当，当 H=Hmax时，变送器的输出达不到时，变送器的输出达不到 20mA。若被测液体的密度为若被测液体的密度为 1 ，隔离液的密度为隔离液的密度为 2，且，且 1 2，则变送器高低压室的，则变送器高低压室的压力分别为：压力分别为：o*负迁移：负迁移：在工程中还经常遇到负迁移的情况，如在工程中还经常遇到负迁移的情况，如b图所示。图所示。17*负迁移：负迁移：o为了使变送器输出与被测为了使变送器输出与被测液位之间仍然保持无迁移液位之间仍然保持无迁移情况的对应关系。就必须情况的对应关系。就必须借助差压变送器的零点迁借助差压变送器的零点迁移功能来抵消这静压力的移功能来抵消这静压力的影响。影响。18负迁移特性曲线负迁移特性曲线*负迁移：负迁移：o变送器的起始输入点由零点变送器的起始输入点由零点变为一个负值，这种情况变为一个负值，这种情况就是负迁移。就是负迁移。19例题：如图所示为一密闭储罐，容器中液体密例题：如图所示为一密闭储罐，容器中液体密度为度为1，待测液位为，待测液位为H，试回答下列问题：，试回答下列问题：1、该差压变送器是否需要迁移？如果需要的话，、该差压变送器是否需要迁移？如果需要的话，需要正迁移还是负迁移？迁移量为多少？需要正迁移还是负迁移？迁移量为多少？2、画出迁移前后的特性曲线。、画出迁移前后的特性曲线。3、迁移后的测量范围为多少？、迁移后的测量范围为多少？解：解：1、判断是否迁移：、判断是否迁移：因此，需要迁移，正迁移，因此，需要迁移，正迁移，迁移量迁移量1gh。2、迁移特性曲线、迁移特性曲线3、迁移后的测量范围：、迁移后的测量范围：20二、二、物位检测方法物位检测方法2.2 磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计是一种浮力式液位计，利用浮力原理，靠磁浮子式液位计是一种浮力式液位计，利用浮力原理，靠漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位的变化。漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位的变化。不锈钢管不锈钢管舌簧管舌簧管电阻电阻浮子浮子绝缘板绝缘板21磁浮子式磁浮子式液位计越限报液位计越限报警采用图警采用图3-373-37所示所示：结构特点：上下限报警结构特点：上下限报警液位处装两个舌簧管，并液位处装两个舌簧管，并由导线引出至报警装置。由导线引出至报警装置。同性相斥、异性相吸同性相斥、异性相吸p位式磁浮子式液位计：位式磁浮子式液位计：22o磁浮子式就地指磁浮子式就地指示型液位计示型液位计A.磁翻板液位计磁翻板液位计B.磁滚柱液位计磁滚柱液位计结构特点：结构特点：将液体引入装有磁浮将液体引入装有磁浮子的钢管内，由连通子的钢管内，由连通器原理，内外液面一器原理，内外液面一致。致。同性相斥、异性相吸同性相斥、异性相吸23o磁浮子式液位计的特点：磁浮子式液位计的特点：结构简单，设计合理，显示清晰直观。结构简单，设计合理，显示清晰直观。主要用于中小容器和生产设备的液位或界面主要用于中小容器和生产设备的液位或界面的测量。的测量。24二、二、物位检测方法物位检测方法2.3、电容式物位计、电容式物位计p工作原理：工作原理：将被测介质物位的变化转化成电容量的变化，并通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出。电容式物位计大致可分成三种工作方式。25方式一：方式一：图图（a）适用于立）适用于立式圆筒形式圆筒形导电容器导电容器，非导电液体或固体非导电液体或固体粉末的物位测量。粉末的物位测量。在这种应用中，器在这种应用中，器壁为电容的外电极，壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，沿轴线插入金属棒，作为内电极。作为内电极。总电容由上部空气总电容由上部空气电容和下部物料电电容和下部物料电容构成。容构成。金属棒金属棒金属容器金属容器非导电液体非导电液体26方式二：方式二：图图（b）适用于）适用于非金属容非金属容器器，物料为非导电性液体物料为非导电性液体的液位的测量。的液位的测量。中心棒状电极的外面套有中心棒状电极的外面套有同轴金属筒，通过绝缘支同轴金属筒，通过绝缘支架固定，金属筒的上下开架固定，金属筒的上下开口，使筒内外的液位相同。口，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容介质为气两个电极，电容介质为气体和液体物料。这样电容体和液体物料。这样电容与容器的形状无关，只取与容器的形状无关，只取决于液位的高低。决于液位的高低。金属棒金属棒非金属容器非金属容器非导电液体非导电液体27方式三：方式三：图图（c）适用立式圆筒）适用立式圆筒形形导电容器导电容器，且，且物料为物料为导电性液体的液位测量导电性液体的液位测量。中央圆棒电极包有绝缘中央圆棒电极包有绝缘材料，作为介质，导电材料，作为介质，导电液体和容器壁共同作为液体和容器壁共同作为外电级。外电级。总电容由绝缘材料介电总电容由绝缘材料介电常数和液位高度构成。常数和液位高度构成。金属容器金属容器金属棒金属棒导电液体导电液体28电容式物位计特点：电容式物位计特点：电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界电容式物位计可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点。位，具有结构简单，安装要求低等特点。但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。值，严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。当精度要求较高时，应采用修正措施。29三、三、其他物位测量仪表其他物位测量仪表1、超声波物位仪表、超声波物位仪表n一般把超过一般把超过20kHz的声波称为超声波。声频越高，的声波称为超声波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。衰减也越大。n原理：基于回声测距原理设计的。原理：基于回声测距原理设计的。o利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。从而确定物位的高度。301、超声波物位仪表、超声波物位仪表31o超声波物位计的特点：超声波物位计的特点：n无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；非接触式测量；n不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；导率、热导率等无关；n适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；能有很大的波动；n测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。32三、三、其他物位测量仪表其他物位测量仪表2、核辐射式物位仪表、核辐射式物位仪表n核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、核辐射式物位仪表是根据被测物质对放射线的吸收、散射等特性而设计制造的。散射等特性而设计制造的。n原理：不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射原理：不同的物质对射线的吸收能力也不同，当放射线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会线穿过一定的被测介质时，由于介质的吸收作用，会使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。使射线的辐射强度随着被测介质的厚度而按指数衰减。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。所以只要测出通过介质射线强度就可获得物位高度。式中：式中：I为穿过厚度为为穿过厚度为X的物质后的辐射强度；的物质后的辐射强度；I0为射为射入物质前的辐射强度；入物质前的辐射强度；为物质的吸收系数为物质的吸收系数；H为介为介质层厚度。质层厚度。3334o核辐射式物位计的特点：核辐射式物位计的特点：n属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。等各种容器中液体或固体物料的物位测量。n可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。劣的工作条件。n其放射性安全防护措施需按有关规范操作。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。353、恒浮力法液位计的原理：恒浮力法液位计的原理：三、三、其他物位测量仪表其他物位测量仪表36课程小结物位测量：物位测量：p了解了解各类物位计的工作原理。各类物位计的工作原理。p掌握掌握静压式液位测量的基本原理和零点迁移内静压式液位测量的基本原理和零点迁移内容。容。p掌握掌握迁移概念、迁移量及判断正负迁移、会计迁移概念、迁移量及判断正负迁移、会计算量程、画零点迁移曲线。算量程、画零点迁移曲线。37p作业题：做作业二（word附件2）38电信学院自动化系先进控制技术研究所电信学院自动化系先进控制技术研究所39