自動檢測與控制 第5章 物位檢測儀表課件

第五章物位檢測儀表QQ645107670物位，料位、液位和分界面的統(tǒng)稱。通過對物位的測量，不但可確定容器內(nèi)貯料的數(shù)量，以保證連續(xù)生產(chǎn)的需要或進行經(jīng)濟核算，亦可保證生產(chǎn)過程在安全和合理狀態(tài)下順利進行。由于被測物料的性質(zhì)千差萬別，物位測量方法很多，本章主要介紹工廠中常用的物位檢測儀表的原理與應用。第一節(jié)浮力式液位計第二節(jié)差壓式液位計第三節(jié)電容式物位計第四節(jié)電導物位傳感器第五節(jié)音叉物位計第六節(jié)微波物位計第七節(jié)核輻射物位檢測第八節(jié)磁致伸縮液位計第九節(jié)超聲波液位計第一節(jié)浮力式液位計浮力式液位計是基于物體在液體中受浮力作用的原理工作的。浮子漂浮在液面上或半浸在液體中隨液面上下波動而升降，浮子所在處就是液體的液位。前者是浮子法，后者是浮力法，是應用最廣的液位計。一、浮子式液位計浮子式液位計是一種維持力不變的即恒浮力式液位計。它是在液體中放置一個浮子，也稱浮標，可隨液面變化而自由浮動。浮子隨液面的升降，通過繩索和滑輪帶動指針，便指示出液位數(shù)值。如果把滑輪的轉(zhuǎn)角和繩索的位移，經(jīng)過機械傳動后轉(zhuǎn)化為電阻或電感等變化，就可以進行液位的遠傳、指示記錄液位值。二、磁翻轉(zhuǎn)浮標液位計為克服玻璃管浮標液位計易碎問題，在浮標上設置永久磁鐵，安裝在非導磁不銹鋼導筒內(nèi)，它隨導筒內(nèi)的液位升降，借助于磁耦合作用，使導管外翻轉(zhuǎn)箱內(nèi)的紅白相間的翻板或翻球依次翻轉(zhuǎn)。有液體的位置紅色朝外，無液體的位置白色朝外，因此紅色就是液位所在，液位高度由標尺顯示。三、浮筒式液位計浮子改成浮筒，將它半浸于液體之中，當液面變化時，浮筒被液體浸沒的體積隨著變化而受到不同的浮力，通過測量浮力的變化可以測量液位。1-浮筒，2-杠桿，3-扭力管，4-芯軸，5-推桿，6-霍爾位移轉(zhuǎn)換器第二節(jié)差壓式液位計測量原理：利用容器內(nèi)液位變化時，由液柱高度產(chǎn)生的靜壓也相應變化的原理工作的，用差壓計測得的差壓與液位高度成正比，常用來測量敞口容器和密封容器的液位。使用注意事項：習慣上應使變送器輸出信號與液位相對應(如液位范圍0-H，則差變輸出的Imin正好對應0液位，而Imax對應H)，使用時可能需對差壓變送器進行零點遷移。

壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

特性曲線平移而曲線斜率不變稱為零點遷移。分為零點正遷移（Z0>0）、零點負遷移（Z0<0）兩種類型。其實質(zhì)是改變上下限，而不改變量程的大小。a無遷移b負遷移c正遷移三、特殊介質(zhì)液體液位測量某些特殊液體，如腐蝕性、含固體顆粒、易結(jié)晶、易沉淀或粘度大等液體的液位測量，不能采用普通差壓變送器而只能采用法蘭式差壓變送器【因為容易造成堵塞或差變損壞】。法蘭測頭是一不銹鋼膜盒，膜盒內(nèi)充以硅油，用毛細管引到差壓變送器的測量室。法蘭式差變測量液位1-平法蘭接頭，2-毛細管，3-差變，4-插入法蘭接頭第三節(jié)電容式物位計一、檢測原理

圓筒形電容器的電容量C為：C=2πεL/ln(D/d)=kL可見當將電容傳感器插入被測介質(zhì)中，電極浸入介質(zhì)中的深度隨物位高低而變化，電極間介質(zhì)的升降，必然改變兩極板間的電容量，從而可以測出物位。圓筒形電容器1-內(nèi)電極；2-外電極二、電容物位傳感器(一)導電液體電容傳感器

水、酸、堿、鹽及各種水溶液等導電液體電容液位傳感器一般用直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣管或涂以搪瓷絕緣，如圖。電容傳感器插在直徑為D0容器內(nèi)的液體中，通過檢測傳感器電容變化量即可知液位的高低。導電液體液位測量1-內(nèi)電極；2-絕緣套管；3-容器(二)非導體液體電容傳感器非導電液體，不要求電極表面絕緣，可以用裸電極作內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配成電容傳感器。1-內(nèi)電極；2-外電極；3-絕緣環(huán)(三)粉粒狀物料電容傳感器在測量粉粒狀非導電介質(zhì)如礦石、合金、石灰、干燥水泥、糧食等的料位，是長期困擾的難題，至今還沒有一個準確可靠的測量方法。電容式料位計原理a)金屬料倉；(b)水泥料倉1-內(nèi)電極;2-金屬容器壁電極;3-鋼絲繩內(nèi)電極;4-鋼筋;5-絕緣體三、射頻導納電容物位計射頻導納電容物位計是上世紀90年代發(fā)展起來的，是電容物位計的換代產(chǎn)品，它是由檢測與變送兩部分組成，檢測部分由探頭作為電容器的一極，容器壁(或輔助電極)構(gòu)成電容傳感器。它的電路和傳感器獨特，克服了一般電容傳感器單純測量電容所引起的誤差。幾乎可測量生產(chǎn)過程中所有介質(zhì)的物位或液位，不受溫度、濕度、流體粘度與密度變化的影響。二、超導液位計超導液位計利用低溫下某些金屬的超導現(xiàn)象來測量。圖中1為鉭絲，2為錳銅絲，錳銅絲通以電流。浸在液氦中的鉭絲處于超導狀態(tài)，其電阻為零，但在液面以上的部分仍有電阻。電壓表V和電流表A連續(xù)測出電壓和電流，兩者的讀數(shù)相除即為電阻值，經(jīng)標定后可以液位值表示。1-鉭絲;2-錳銅絲三、電感式液位傳感器(一)電渦流液位開關

平面螺旋紋線圈(盤香形)通以交流電。當導電液體表面接近線圈時，液體出現(xiàn)渦流，將使線圈的電感量改變。在線圈兩端并聯(lián)一個電容，并聯(lián)回路的諧振頻率，會因液面向盤形線圈接近或離開而發(fā)生明顯變化。利用這一原理可構(gòu)成電渦流液位開關，結(jié)構(gòu)簡單，應用方便，但不適合連續(xù)液位檢測。(二)電感式液位計交流電流通過線圈時，線圈具有一定的感抗，容器內(nèi)無導電液體時感抗最大。當液位升高時渦流加大，相當于變壓器副邊接近短路，這時原邊感抗就越來越小，原邊電流就會逐漸加大。只需在線圈上通以頻率恒定的交流電壓，便可根據(jù)電流的大小測定液位。連通管1將被測導電液體引至容器2內(nèi)，在容器中央有口字形鐵心3穿過，鐵心另一端上繞有線圈4。(二)旋轉(zhuǎn)葉片或推板法在容器壁的某一高度處裝一個小功率電動機，其末端帶有旋轉(zhuǎn)葉片，在適當部位伸入容器內(nèi)。葉片不接觸物料時，處于空載旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電動機的電流很小，當液位上升到與葉片接觸時，葉片轉(zhuǎn)動阻力增大，甚至停止轉(zhuǎn)動，電動機的電流顯著加大，使繼電器的接點動作，發(fā)出料位報警或位式控制信號。如果電機軸經(jīng)過曲柄或連桿機構(gòu)變?yōu)橥鶑瓦\動，則可帶動活塞或平板在容器中或前或后的推拉動作，即成推板法。當然不一定都要靠電機電流的大小使繼電器接點動作，也可以利用離合器或連桿上的傳動機構(gòu)，在葉片或推板負載增大時改變電接點的通斷狀態(tài)。第五節(jié)音叉物位計音叉由彈性良好的金屬制成，本身具有確定的固有頻率，當外加交變力的頻率與其固有頻率一致，叉體產(chǎn)生共振狀態(tài)。當粉、粒體物料觸及叉體之后，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減而停振。音叉物位計就是根據(jù)物料對振動中的音叉有無阻力探知料位是否到達或超過某高度，并發(fā)出通斷信號，此法不需要大幅度的機械運動，驅(qū)動功率小，機械結(jié)構(gòu)簡單、靈敏而可靠。第六節(jié)微波物位計微波物位計也稱雷達物位計。利用回波測距原理，由喇叭狀或桿式天線向被測物料面發(fā)射微波，微波傳播到不同相對介電率的物料表面時會產(chǎn)生反射，并被天線所接收。發(fā)射波與接收波的時間差與物料面與天線的距離成正比，測出傳播時間即可得知距離。由于微波以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，所以在一些有溫度，壓力，蒸汽等場合，其它物位計不能正常工作，而微波物位計可以使用。二、調(diào)頻微波物位計調(diào)頻微波物位計天線發(fā)射的微波是調(diào)頻連續(xù)波【FMCW(FrequencyModulatedContin-uousWave)，頻率隨一定時間間隔(即掃描頻率)線性增加】。當回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計算出物料面的距離。三、導波式微波物位計導波式微波物位測量采用時域反射法(TDR，TimeDomainReflectometry)，通常稱導波雷達，采用脈沖波方式工作。與微波物位計不同點在于雷達發(fā)射的高頻脈沖不是通過空間傳播，而是沿一根(或兩根)從罐頂伸入直達罐底的導波體傳導。導波體可以是金屬桿或柔性金屬纜繩。第七節(jié)核輻射物位檢測一、檢測原理核輻射強度隨穿透物質(zhì)厚度H而變的規(guī)律為I=I0e-μH

(朗伯-比爾定律)式中，I、I0—射線透過介質(zhì)后與射入介質(zhì)前的強度；

μ—介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)。當放射源強度、被測介質(zhì)一定時，則介質(zhì)厚度H與射線強度I的關系為:

H=(lnI0-lnI)/μ上式表明，測出透過介質(zhì)后的射線強度，便可求出被測介質(zhì)的厚度H。放射性物位計原理框圖放射性物位計主要由放射源、接收器和顯示儀表組成：二、物位檢測方法

放射性物位計檢測物位的方法，一般為有定點檢測和自動跟蹤等方式。根據(jù)被測對象的實際需要，放射源可有多種安裝方式，以適應不同的物位檢測和控制的要求。(一)定點放射源檢測法

點狀放射源與接收器固定在設備的一定位置上。

1-放射源2-接收器(二)跟蹤檢測法跟蹤式放射性物位計既保持了定點檢測方式的優(yōu)點，又可實現(xiàn)連續(xù)測量，并且量程可以很寬，但儀表的結(jié)構(gòu)較復雜。跟蹤式放射性物位計原理圖1-放射源，2-接收器，3-導軌，4-放大器，5-執(zhí)行器，6，7-自整角機發(fā)送接收器，8-顯示儀表，9-遠傳指示儀表第八節(jié)磁致伸縮液位計磁致伸縮液位計主要由電子頭、探測桿、浮子三部分組成。探測桿由3條同軸的圓管組成：外管由防腐蝕材料制成，以提供保護作用；中間圓管可根據(jù)要求裝配一個或多個測溫傳感器；最中心的是波導管，其內(nèi)部是由磁致伸縮材料構(gòu)成的波導絲；在液位儀探測桿外配有內(nèi)含磁鐵隨液位變化的浮子。工作原理工作時，電子頭中的脈沖發(fā)生器首先在磁致伸縮波導絲上施加一個電脈沖信號(亦稱詢問脈沖，初始脈沖)，此電脈沖同時伴隨一個環(huán)形磁場，以光速沿波導絲向下傳遞。當該環(huán)形磁場遇到浮子中磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場時，將與之進行矢量疊加，形成一個螺旋形的磁場。導致波導絲產(chǎn)生扭曲變形，從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)波(或稱返回脈沖)。返回脈沖以固定音速(2830m/s，幾乎不受溫度、沖擊、污染等環(huán)境因素的影響)沿波導絲傳回，通過測量詢問脈沖與返回脈沖的時間差可以精確地算出磁鐵(浮子)的位置，從而確定被測液位。結(jié)構(gòu)原理與工作波形圖磁致伸縮液位計結(jié)構(gòu)精巧，安裝簡單方便，環(huán)境適應性強，不需定期重標和維護，具有精度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點。第九節(jié)超聲波液位計超聲波液位計是利用回聲測距原