過程檢測技術(shù)及儀表第2章4節(jié)物位測量課件

概述物位幾個概念：在容器中液體介質(zhì)的高低叫液位，容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位測量液位的儀表叫液位計，測量料位的儀表叫料位計測量兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的儀表叫界面計在物位檢測中，有時需要對物位進行連續(xù)檢測，有時只需要測量物位是否達到某一特定位置，用于定點物位測量的儀表稱為物位開關(guān)

概述意義：確定容器內(nèi)儲存量。通過測量達到控制物位?；鹆Πl(fā)電鍋爐汽包水位:鍋爐安全、汽輪發(fā)電機概述常用的物位儀表分類:直讀式物位儀表：玻璃管液位計、玻璃板液位計等。差壓式物位儀表：利用液柱或物料堆積對某定點產(chǎn)生壓力的原理而工作。浮力式物位儀表：利用浮子高度或浮力隨液位高度而變化的原理工作。電磁式物位儀表：使物位的變化轉(zhuǎn)換為一些電量的變化，如電容核輻射物位儀表：利用射線透過物料時其強度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理聲波式物位儀表：由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測出這些變化就可測知物位。根據(jù)工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。光學式物位儀表：利用物位對光波的遮斷和反射原理工作……原理：利用浮力原理,是基于液體的浮力使浮子隨著液位的變化上升或下降而測量液位。適用于液位的檢測。分類：浮子有很多種形式，常用的按結(jié)構(gòu)原理和浮子形狀可分為：浮球液位計、浮筒液位計、鋼帶液位計、磁浮子液位計和磁翻板液位計。浮力式液位計浮力式液位計浮力式液位計又可分為恒浮力式和變浮力式兩類。

1.變浮力式液位計

變浮力式亦稱筒式液位計，當液面區(qū)別時，沉筒浸泡于液體內(nèi)的體積有區(qū)別，因而所受浮力區(qū)別而產(chǎn)生位移，通過機械傳動轉(zhuǎn)換為角位移來量測液位。此類儀表能以便于遠傳和自動調(diào)節(jié)。

2.恒浮力式液位計恒浮力式液位計是依靠浮標或浮子浮在液體中隨液面變化而升降，它的特點是結(jié)構(gòu)簡易、價格較低，適于各種貯罐的測量。

測量原理：1、如圖所示，將一截面相同，質(zhì)量為m的圓筒形空心金屬浮筒懸掛在彈簧上，當h＝0時，浮筒的重量被彈簧的反作用所平衡。當液位變化使浮筒的一部分被液位浸泡時，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移動，直到與彈簧的反作用力重新平衡。設(shè)此時彈簧的位移為△x，彈簧剛度為c，則浮筒液位計浮筒液位計浮筒液位計使用和特點1、適用于高溫，高壓的場合2、精度較高（精度等級0.5）、可靠性好、調(diào)整方便、測量范圍廣、經(jīng)久耐用。3、適合工藝流程中敞口或帶壓容器內(nèi)的液位、界位、密度的連續(xù)測量。4、該儀表帶二線制4～20mA輸出和HART傳輸協(xié)議輸出；5、有本安型、隔爆型、液晶指示型、電池型多種產(chǎn)品，安裝形式多樣。6、智能式的具有參數(shù)設(shè)定、故障提示等功能電動浮筒液位變送器概述可廣泛適用于石油、化工、制藥等工業(yè)中常壓或帶壓容器內(nèi)各種液體液位、分層界面的連續(xù)測量。只輸出電信號，需與顯示儀表配套測量液位。浮筒是一根直徑均勻，長度與測量范圍相同的密封金屬管，如下圖，屬變浮力式儀表。電動浮筒液位變送器測量原理變送器是借助于阿基米德定律（浮力原理）及力平衡原理而工作的。被測液面高度的浮筒懸掛在下杠桿端部，液位上升時，浮筒沉浸在液體中，并受到阿基米德定律向上的浮力作用。當液位變化時，支承點杠桿力也發(fā)生變化，通過稱重傳感器測得浮筒浮力的大小，即可得到液面的高度。經(jīng)轉(zhuǎn)換，輸出與液位高度成比例的4～20mA.DC標準信號。遠傳至控制室，實現(xiàn)遠程液位顯示或工藝流程的控制。電動浮筒液位變送器電動浮筒液位變送器特點和使用1、針對不同的介質(zhì)和測量要求，變送器設(shè)有密度及零點、量程調(diào)節(jié)電位器，以便對輸出信號進行調(diào)整。2.測量精度較高：±0.5%---±1.5%(FS)；靈敏度為0.05%；3．輸出信號：標準型：4～20mA.DC,二線制；24V.DC供電；智能型：4～20mA，疊加符合HART協(xié)議的數(shù)字信號；4、要防止變送器受強烈振動或沖擊；5、對于易凝、易結(jié)晶、易沉淀及粘度較大的被測介質(zhì)應選用帶保溫夾套式，現(xiàn)場應備有蒸汽管線；6、傳輸電纜與變送器引入裝置在連接處需加撓性保護管，變送器端子連接處應加絕緣套管。7、變送器外殼必須良好接地，工作環(huán)境溫度最高不得超過60℃。

干簧式浮球液位控制器干簧式浮球液位控制器用途：用于民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造紙、食品、污水處理等行業(yè)內(nèi)開口或密閉儲罐，地下池槽中各種液位的液位測量，被檢測的介質(zhì)可分水、油、酸、堿、工業(yè)污水等各種導電及非導電液體，本控制器可對液位進行自動控制。干簧式浮球液位控制器型號：工業(yè)產(chǎn)品常用的有UQK-71系列

干簧式浮球液位控制器安裝和接線

1、

法蘭安裝和螺紋安裝兩種2、

傳感器與顯示儀之間的聯(lián)接線不能與交流電源同路敷設(shè)，因為感應交流電有可能會

影響儀表，同時為了避免干擾信號，盡可能使用屏蔽電纜在鐵管內(nèi)敷設(shè)。3、

傳感器裝在被測容器上，傳感器下端最好與容器底部固定牢。4、

由于受運輸?shù)南拗?，大?m以上采取分段裝箱，焊接后做好水壓試驗（壓力小于0.6MPa）確定不漏方可使用。5、垂直安裝側(cè)裝式浮球液位開關(guān)測量原理：側(cè)裝式浮球液位開關(guān)是利用液體浮力原理，當浮球因浮力作用而上下運動時，信號器發(fā)出預定的信號。側(cè)裝式浮球液位開關(guān)測量原理與浮子式液位界面信號器類似；側(cè)裝式浮球液位開關(guān)SPDT(SinglePoleDoubleThrow)：單刀雙擲，是電氣接線的一種方式304相當于我國的0Cr19Ni9(0Cr18Ni9)不銹鋼側(cè)裝式浮球液位開關(guān)特點：1、側(cè)裝浮球液位開關(guān)系用于桶槽內(nèi)高、低液位的檢測報警,既可水平安裝于桶測壁,也可垂直安裝于頂部,2、結(jié)構(gòu)簡單合理,性能穩(wěn)定可靠,安裝方便,且其控制部分與被測介質(zhì)完全隔離。3、結(jié)構(gòu):防護型(IP65),隔爆型(ExdⅡCT6);本安型

4、材質(zhì)：塑料材質(zhì)有PP、PVDF，可用于酸堿場所；不銹鋼材質(zhì)有SUS304/316，適用于高溫或高壓桶槽。檢測原理容器中某點的靜壓力和容器內(nèi)物位的高度有關(guān)：

ρ為介質(zhì)的密度，對于固體顆粒，ρ應理解為堆積密度靜壓式液位計由于物料（液體）上方的自由空間有壓力p0,則根據(jù)靜力學原理，有因此要知道物位，需要測出壓力容器下部某些與上部自由空間之間的壓力差。為此要用差壓傳感器。靜壓式液位計靜壓式液位計零點遷移無遷移設(shè)差壓變送器正、負壓室所受到的壓力分別為和，則有可見差壓變送器未受任何附加靜壓；差壓變送器無需遷移。靜壓式液位計零點遷移的目的：使H＝0時，變送器輸出為Iomin負遷移設(shè)隔離液的密度為，這時差壓變送器正、負壓室所受到的壓力分別為由于要遷移的量為負值，因此稱負遷移。靜壓式液位計正遷移設(shè)連接負壓室與容器上部取壓點的引壓管中充滿氣體，并忽略氣體產(chǎn)生的靜壓力，則差壓變送器正、負壓室所受的壓力為靜壓式液位計由于要遷移的量為正值，因此稱正遷移。例已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位變化范圍0—2.5米，求：變送器的量程和遷移量。解Hmaxρ1g=2.5*1200*9.8=29400Pa變送器量程可選為：40kPa當H=0時，-ρ2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24kPa變送器需要進行負遷移，遷移量為－37.24kPa

結(jié)論：差壓式液位變送器，事實上就是一個差壓變送器，差壓式液位變送器的安裝與前面所述的差壓變送器的安裝是完全相同的。為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體液位時，引壓管線容易出現(xiàn)被腐蝕、被堵塞的問題，應使用在導壓管人口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器（壓力信號的遠傳裝置），分單法蘭式及雙法蘭式兩種。

原理：把物位的變化變換為電容量的變化；結(jié)構(gòu)：檢測元件常為一個圓筒式的電容器，由兩個長度為L，半徑分別為R和r的圓筒形金屬導體中間隔以絕緣物質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。電容式物位計

當兩圓筒中間所充介質(zhì)介電常數(shù)為ε0的氣體時，則該圓筒間的電容量為：如果電極的一部分被另一部分介電常數(shù)為ε的液體（物料）所浸沒時，設(shè)上半部分介質(zhì)的介電常數(shù)仍為ε0，浸沒的部分長度為l，則電容器上半部分的電容器為：下半部分為：總電容為：電容式物位計

可見，當幾何尺寸一定，ε，ε0不變時，電容的變化量是被測介質(zhì)物位L的線性函數(shù)。如果被測介質(zhì)為導電性液體，電極要用絕緣物覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外圓筒一起作為外電極，構(gòu)成導電介質(zhì)電容式物位計。電容式物位計

電容式物位計的電容信號轉(zhuǎn)換：傳感器中的振蕩電路可以把物位變化引起的電容量改變轉(zhuǎn)換為頻率的變化，并送給電子模塊，通過的計算分析處理后轉(zhuǎn)換為工程量顯示出來，從而實現(xiàn)了物位的連續(xù)測量。電容式料位計電容式液位計電容式物位計

電容式物位計制造主要考慮因素：1、溫度對介電常數(shù)的變化的影響；2、物位對電容器的電容量變化值很小，往往只是幾納法（幾千皮法），而且易受干擾影響，電容測量比較困難。電容式物位計

電容式物位計產(chǎn)品特點及使用：1、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能可靠的優(yōu)點；2、電極多為不銹鋼材料制造，耐腐蝕性強、絕緣和導電性物料均能使用3、適合監(jiān)測開口、有壓容器中的物位，維修量小。4、本儀表不適于介電常數(shù)或物料濕度變化過大的場合以及物料不能與電極良好接觸的固體介質(zhì)。5、被測介質(zhì)為結(jié)晶、結(jié)垢或粘度很高時對測量精度有一定影響。6、依照過程溫度不同分成三類：普通型：-20～60℃、中溫型：-40～200℃、高溫型：-40～800℃7、傳感器與二次儀表的連線及距離：距離<200m，用直徑1.5mm以上的導線（最好是雙絞線）連接，每條導線電阻應小于3歐姆；檢測原理

超聲波一般頻率高于20kHz。超聲波的發(fā)射和接收通常有超聲波換能器實現(xiàn)的，目前最廣泛的超聲波換能器是電能—聲能轉(zhuǎn)換器，壓電晶體換能器（用作超聲發(fā)射和接受的壓電晶體）就是常用的換能器之一。超聲波物位檢測的基本原理就是根據(jù)聲波在介質(zhì)中傳播速度，衰減以及在界面的反射等特性進行。超聲波物位計當聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，在兩種密度不同、聲速不同的介質(zhì)的分界面，將產(chǎn)生反射和折射，其中反射率為：IR、I0分別為反射和入射聲波的聲強聲阻抗Z1=ρ1v1,聲阻抗Z2=ρ2v2,其中v1、v2為聲波在介質(zhì)1和2中的傳播速度；α、β分別為聲波的入射角和反射角；當聲波從氣體傳播到液體或固態(tài)，或者相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射；超聲波物位計在容器底部安裝一只超聲波發(fā)射器和一只接收器（也可以只用一個探頭輪換發(fā)射和接收超聲波脈沖），設(shè)聲速為v，實際物位高度為H，則從發(fā)射到接收所需時間t為對于一定的氣體來說，v是已知的，因此，可以用測時間的方法確定出物位的高度。測量液位時，超聲波探頭也可置于容器的頂部，其原理是一樣的。超聲波物位計超聲波的發(fā)射與接收

超聲波的發(fā)射與接收根據(jù)壓電效應，通過換能器實現(xiàn)，換能器的核心是壓電晶體。聲波發(fā)射圖聲波接收圖實現(xiàn)方法超聲波傳播速度的補償方法有：1、溫度補償：安裝溫度傳感器測溫；2、設(shè)置校正具：設(shè)置兩組換能器探頭，一組作為測量探頭，一組作為聲速校正用探頭，兩組換能器探頭都放在被測介質(zhì)中，聲速校正用探頭發(fā)射的聲波在固定時間內(nèi)走過固定的距離，以此測出實際聲速。超聲液位（物位）計超聲波物位計溫度補償

如果聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度主要隨溫度而變，聲速與溫度的關(guān)系為已知，而且假設(shè)聲波所穿越的介質(zhì)的溫度處處相等，則可以在超聲換能器附近安裝一個溫度傳感器，根據(jù)已知的聲速與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，自動進行聲速的補償。應用固定校正具檢測液位原理圖設(shè)置校正具

在被測介質(zhì)中安裝兩組換能器探頭，一組用作測量探頭，另一組用作構(gòu)成速效校正用的探頭。A、固定校具：

校正的方法是將校正用的探頭固定在校正具（一般是金屬圓同）的一端，校正具的另一端是一塊反射板。由于校正探頭到反射板的距離為已知的固定長度L0，測出聲脈沖從校正探頭到反射板的往返時間T0，則可得聲波在介質(zhì)中的傳播速度為：設(shè)置校正具

因為校正探頭和測量探頭是在同一個介質(zhì)中，如果兩者的傳播速度相等，即=v，則代入（3-26）式可得

由上式可知，只要測出時間T和，就能獲得料位的高度H，從而消除了聲速變化引起的測量誤差。適用于容器中介質(zhì)的聲速各處相同。B、活動校具主要用于聲速沿高度方向變化的介質(zhì)。應用活動校正具檢測液位原理圖超聲波物位計超聲波物位計使用特點：1、非接觸式測量，超聲波物位計安裝于料倉、液罐上方，不直接接觸物料。2、超聲波料位計儀表可配置可編程繼電器輸出、高精度4~20mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出三種形式。3、低功耗，超聲波料位計主機功耗小于5W。4、內(nèi)置溫度補償，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。5、高至16位D/A轉(zhuǎn)換，測量精度高（0.2%）。6、特別適合煤堆、石塊等固體物位測量，以及江河、污水液位、罐裝液體、泥漿等液位測量。核輻射式物位計

概述：放射性同位素在蛻變過程中會放射出α、β、γ三種射線。α射線是從放射性同位素原子核中放射出來的，它由兩個質(zhì)子和兩個中子所組成，帶有正電荷，它的電離本領(lǐng)最強，但穿透能力最弱。β射線是電子流，電離本領(lǐng)比α射線弱，而穿透能力較α射線強。γ射線是一種從原子核中發(fā)出的電磁波，它的波長較短，不帶電荷，它在物質(zhì)中的穿透能力比α和β射線都強，但電離本領(lǐng)最弱。

由于射線的可穿透性，它們常被用于情況特殊或環(huán)境條件惡劣的場合實現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測，如位移，材料的厚度及成分，流體密度，流量，物位等。物位檢測是其中一個典型的應用示例。核輻射式物位計檢測原理當射線穿過一定的物質(zhì)，由于物質(zhì)的吸收，其穿透強度隨物質(zhì)的厚度而減小，其變化規(guī)律為

μ－介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)不同的材料有不同的吸收系數(shù)，一般固態(tài)最大，液體其次，氣體最小。核輻射式物位計式中，I為射入介質(zhì)前和通過介質(zhì)后的射線強度；為介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)；H為射線所通過的介質(zhì)厚度。介質(zhì)不同，吸收射線的能力也不同。一般是固體吸收能力最強，液體其次，氣體最弱。當射線源和被測介質(zhì)一定時，和都為常數(shù)。測處通過介質(zhì)后的射線強度I，便可求出被測介質(zhì)的厚度H。

檢測原理γ射線料位計核輻射式物位計射線式液位檢測原理圖檢測系統(tǒng)組成

射線式物位檢測系統(tǒng)主要由射線源，射線探器和電子線路等部分組成。(1)射線源主要從射線的種類、射線的強度以及使用的時間等方面考慮選擇合適的放射性同位素和所使用的量。

由于在物位檢測中一般需要射線穿透的距離較長，因此常采用穿透能力較強的γ射線。能產(chǎn)生γ射線的放射性同位素主要是鈷60和銫137，它們的半衰期分別為5.3年和33年。

（2）探測器射線探測器的作用是將其接收到的射線強度轉(zhuǎn)變成電信號，并輸給下一級電路。作為射線的檢測，常用的探測器是閃爍計數(shù)管，此外，還有電離室，正比計數(shù)管等。

放射源的強度取決于所使用的放射性同位素的質(zhì)量。質(zhì)量越大，所釋放的射線強度也越大，這對提高測量精度，提高儀器的反映速度有利，但同時也給防護帶來了困難，因此必須是兩者兼顧，在保證測量滿足要求的前提下盡量減少其強度，以簡化防護和保證安全。檢測系統(tǒng)組成

閃爍計數(shù)管主要是由閃爍體和光電倍增兩部分組成。閃爍體是一種能將射線的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿奈镔|(zhì)，而光電倍增管的作用為接受閃爍體發(fā)射的光子將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮樱⑦@些電子倍增放大為可測量的電脈沖。對于不同射線的探測，所用的閃爍體是不同的。探測射線的閃爍體為碘化鈉晶體。（3）電子線路將探測器輸出的脈沖信號進行處理并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標準信號。

放射線進行物位檢測實現(xiàn)方式放射源可以是一個點源，也可以做成線源，接收器同樣可以是單點或是線狀的。因此用放射線進行物位檢測有多種方式，常用的如圖所示：a圖是定點測量，不能連續(xù)測量；b圖的射線源和探測器分別裝在容器的下部和上部，測量范圍窄、精度較低；c圖采用線狀的射線源，d圖采用線狀的探測器，這兩種方法對射線源或探測器要求更高，但可測量程更寬，線性度更好。核輻射式物位計核輻射式物位計特點和要求

核輻射式物位計屬于非接觸式物位測量儀表。適用于高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等條件苛刻的場合。核射線還能夠直接穿透鋼板等介質(zhì)，可用于高溫熔融金屬的液位測量。使用時幾乎不受溫度、壓力、電磁場的影響。但由于射線對人體有害，因此射線的劑量應嚴加控制，且須切實加強安全防護措施

(工業(yè)現(xiàn)場一般不優(yōu)先考慮使用核輻射式物位計)

小結(jié)：物位測量的特點及影響因素

液位測量的特點穩(wěn)定的液面是一個規(guī)則的表面，但是當物料有流進流出時，會有波浪使液面波動。在生產(chǎn)過程中還可能出現(xiàn)沸騰或起泡沫的現(xiàn)象，使液面變得模糊。大型容器中常會有各處液體的溫度、密度和黏度等物理量不均勻的現(xiàn)象。容器中液體呈高溫、高壓或高黏度，或含有大量雜質(zhì)、懸浮物等。小結(jié)：物位測量的特點及影響因素

料位測量的特點料面不規(guī)則，存在自然堆積的角度。物料排出后存在滯留區(qū)。物料間的空隙不穩(wěn)定，會影響對容器中實際儲料量的計算。界位測量的特點界位測量的特點則是在界面處可能存在渾濁段。小結(jié)：物位檢測器件的選擇（1）玻璃板液位計可用于就地液位指示，結(jié)構(gòu)簡單，直觀可靠，經(jīng)久耐用，但測量深色、有腐蝕性、粘稠并與管壁有沾染作用的介質(zhì)時不宜使用。（2）磁性浮子液位計適用于就地液位界面指示，它主要應用在工作壓力不宜大干10MPa，介質(zhì)溫度不大于250℃，介質(zhì)密度宜為400~2000kg/m3，介質(zhì)密度