工業(yè)儀表第五章

工業(yè)儀表第五章第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.1概述物位測量的原因：生產(chǎn)過程中，需要了解罐、塔、庫等容器的液位，液體-液體間，液體-固體之間的界面高度，以及固體物料的料位，等。幾個概念：物位：容器內(nèi)所貯存物體的上表面位置。物體可以是流體，固體，也可以是不同物體，或者狀態(tài)不同物體交接面。界面：指液-液、液-固等的分界面，分別稱為液-液、液-固界面。物位測量就是確定液位、料位或界面的位置。物位測量的目的：1通過測量物位，確定容器內(nèi)原料、半成品，或者產(chǎn)品的數(shù)量；2通過測量物位，確定生產(chǎn)過程是否連續(xù)，便于控制和調(diào)節(jié)，滿足生產(chǎn)要求。第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.1.1物位測量的特點(1)液體為可流動性物體，流進或流出容器時，界面會發(fā)生波動。為精確測量液位，應當采取措施，盡量保持被測液面部分的穩(wěn)定。(2)大型容器內(nèi)的液體各處溫度、密度和粘度可能不均勻。在測量液位時，必須注意儀表的選型和對溫度、密度、粘度不均勻所帶來測量誤差的補償。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日料倉或槽斗內(nèi)安息角、孔隙

(3)物料性質(zhì)不同、顆粒大小不同時，休止角也不同，測量料位須知道休止角，將儀表安裝在適當位置，反映料位的真實情況，并盡量避開進料口，或安裝防沖擊擋板，以免物料因由上而下的直接沖擊而損壞儀表。第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(4)由于物料受含水量、粘性、顆粒形狀差異，以及容器結構、進、出料口位置等因素的影響，出料口附近往往會出現(xiàn)如圖5-1所示的大孔隙(俗稱“架橋”)。這種孔隙將對容器中物料實際貯量的測量產(chǎn)生影響。因此，在測量時必須加以消除。（5）很多對象只需測量上、下限，并不連續(xù)測量。實際上，這很難辦到(6)測量范圍寬（幾毫米到上百米），測量對象多，故測量儀表品種多，測量原理也較多。(7)測量條件惡劣（高溫、高壓、低比重介質(zhì)、強腐蝕介質(zhì)）第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.1.2物位儀表的類型(1)直讀式物位儀表

原理：連通器原理例：玻璃管液位計、玻璃板液位計(2)浮力式液位儀表

原理：浮子高度隨液位變化而改變，或?qū)]于液體中的浮子的浮力隨液面高度變化的原理工作的。(3)差壓式物位儀表

原理：容器內(nèi)物位改變，造成液柱產(chǎn)生的靜壓變化原理工作。1）壓力式物位儀表；2）差壓式物位儀表

第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日

(4)電磁式物位儀表

原理：將物位變化轉(zhuǎn)換為電量變化，通過測量這些電量變化間接測量物位。

例：電阻式（電極式）、電容式和電感式，還有利用壓磁效應工作的物位儀表。(5)核輻射式物位儀表

原理：利用核輻射透過物料時，物質(zhì)對放射性同位素放射的射線（常為g射線）的吸收作用為基礎進行物位測量。(6)聲波式物位計

原理：利用超聲波在氣體、液體或固體中衰減的程度、穿透能力和輻射聲阻抗等各不相同的性質(zhì)進行物位測量。第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日分類：1）聲波遮斷式物位計2）聲波反射式物位儀3）聲阻尼式物位儀(7)光學式物位儀表

原理：利用物位對光波的遮斷和反射原理工作，光源可以是普通的白熾燈光或激光等。（8）機械接觸式：重錘式、旋翼式、音叉式第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.1.3物位儀表使用時應考慮的因素1)被測對象的狀態(tài)液體：溫度、壓力、比重、粘度、粘附性、氣泡、懸浮物、介電常數(shù)、電導率、液位變化速度等。固體：溫度、壓力、比重、粘附性、含水量、粒度、物料變化速度等。2)被測物位要求連續(xù)測量，報警或控制。3)測量范圍。4)測量精確度或控制精確度。5)容器情況：開口or密閉，大小、形狀等。6)是否要求防腐蝕或防爆，及要求的防爆等級。7)工作環(huán)境：濕度、溫度，煙霧、灰塵、磁場、放射性、振動等。8)安裝位置：接觸介質(zhì)否？垂直or水平安裝?在容器的何處？第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.2壓差式物位計5.2.1概述分類：壓力式物位計和差壓式物位計。特點1測量范圍大；2檢測部件除膜片外，無可動部件；3可以測量黏度大、容易結晶、有懸浮物或腐蝕性介質(zhì)的場合；4測量結果受介質(zhì)密度變化影響小。5.2.2壓力式液位計原理：根據(jù)容器內(nèi)液面高度H和液柱質(zhì)量造成的靜壓力p成比例關系，確定液面的位置。圖5-2為基本原理圖。P=ρgH(5-1)廣泛應用于開口容器和受壓容器中的物位測量。第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.2.3差壓式物位計1利用差壓法測量液位原理說明：圖5-3所示。Δp=p2-p0=p1+p0-p0=p1而p1=ρgH，因此H=p1/(ρg)第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日2測量鍋爐水位的差壓式水位計圖5-4所示。組成：平衡容器、差壓變換器和顯示儀表。特點：可以連續(xù)顯示水位，也可以發(fā)報警告和向水位調(diào)節(jié)器提供信號。1）平衡容器組成平衡容器負壓管、正壓管、冷凝容器、上下連接管組成。工作原理：平衡容器就是水位傳感器，在起內(nèi)部造成一個恒定的水靜壓力，使之與被測水位形成的水靜壓力相比較，輸出二者之差，從而測出被測液體的水位高度。負壓管正壓管冷凝容器第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日主要問題：介質(zhì)密度會因為溫度和壓力的變化而變化，從而造成誤差。解決辦法：采取補償、校驗措施。2）定量說明p+=p+Lρ1gp-=p+(L-H0-ΔH)ρ``g+(H0+ΔH)ρ`gΔp=p+-p-=L(ρ1-ρ``)g-H0(ρ`-ρ``)g-ΔH(ρ`-ρ``)gg—重力加速度；ρ1—平衡容器中水的平均密度；ρ`、ρ``—壓力p時的飽和水與飽和蒸汽密度。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3電接點液位計

說明：屬連通器式液位計，用于低粘度液體的液位測量。

組成：玻璃管和標尺。電接點水位計的變形結構有：

玻璃板式：用于中低壓鍋爐汽包水位測量

云母片式：用于高壓鍋爐汽包水位測量

雙色式：汽水分界面二側(cè)為紅綠兩色，是結合玻璃板式和雙色式水位計結構特點，并輔助于光學系統(tǒng)而設計的。

電接點式：由水位傳感器和電氣顯示儀表組成

第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3.1電接點水位計的水位傳感器原理原理：帶若干電接點的連通容器，因汽、水導電性能差別，被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻(相當于開關閉合)，因此被水接通的電接點位置可表示水位。電接點導通的顯示方法：燈泡閃亮，帶放大器的發(fā)光二極管等。測量筒和汽包相連，據(jù)連通器力平衡原理從汽包內(nèi)取出測量水柱。傳感器是水柱中組成測量標尺的系列電極，將水柱分成若干區(qū)間。電極在水中對應點呈綠色，在汽中對應點呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3.2電接點式水位傳感器的結構電接點水位計1－汽包2－測量筒3－下接管4－電接點第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日組成：測量筒殼(連通容器)、電接點座和電接點等。測量筒長度視水位測量范圍而定，直徑確定考慮接點數(shù)目(保證開孔后有足夠的強度)。電接點數(shù)目：多為15、l7和19。為保證強度和便于安裝，在測量筒外殼上按120°分布。接點間距不均勻，正常水位附近接點密度較大。電接點應能在高溫高壓下正常工作，溫度劇變時不泄漏，耐腐蝕，與筒殼絕緣好。常用超純氧化鋁(高壓爐)和聚四氟乙烯(中壓爐)作絕緣材料。測點最小間隔為15mm，即測量標尺最小刻度和階躍最小幅度為15mm。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3.3電接點水位傳感器的誤差①散熱引起的誤差—所有連通器式水位計共存。

措施：適當加粗汽側(cè)和水側(cè)的連通導管，筒殼頂部不保溫，增加凝結水量，筒殼其余部分保溫以減少散熱。②不連續(xù)指示引起的誤差。接點之間的水位變化不能反映，即形成“盲區(qū)”，合理布置接點可以改善此盲區(qū)，但總是不宜作調(diào)節(jié)信號用。第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日定義：測量料位的計量器稱為料位計。常用的料位計有：重錘式料位計、電容脈沖式料位計、阻移式料位計、阻旋式料位計、射線料位計、超聲波料位計等。5.4料位計第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日重錘式料位計示意圖組成：與鋼絲繩連接的重錘；執(zhí)行機構；啟動器；信號轉(zhuǎn)換部分；數(shù)據(jù)采集與顯示部分；控制邏輯部分5.4.1重錘式料位計第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(1)重錘式料位計工作原理探頭接觸物料前后的鋼絲繩受力變化電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)化成荷重、失重信號傳送給儀表邏輯控制系統(tǒng)對執(zhí)行器發(fā)出指令，完成探測說明：儀表同時通過傳感元件將負荷情況隨時傳送給計數(shù)電路，供儀表顯示、報警用第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日工作過程的三個階段：靜止階段：當處于“手動”狀態(tài)時，鋼絲繩承受探頭重錘重量，執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸受一力矩，發(fā)出“荷重”信號。手動按鈕接通后，邏輯控制器受到觸發(fā)，儀表進入探測階段。當處于“自動”狀態(tài)時，通過儀表內(nèi)“延時”環(huán)節(jié)發(fā)出信號觸發(fā)邏輯控制系統(tǒng)，儀表進入自動測量狀態(tài)。測量階段：

邏輯控制系統(tǒng)使計數(shù)—譯碼電路復位，清除上次測量值，磁力起動器啟動電動機正向運轉(zhuǎn)，使重錘下降。執(zhí)行器發(fā)出正比于探頭行程的光電脈沖信號，經(jīng)計數(shù)電路和譯碼器自動將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流信號(0～10mA)供顯示及報警。探頭接觸物料后，鋼絲繩受力迅速減小，執(zhí)行器發(fā)出“失重”信號，傳至邏輯控制系統(tǒng)，整機脫離測量。返回階段：

邏輯控制系統(tǒng)收到“失重”信號后，磁力起動器使電動機反轉(zhuǎn)，探頭上升，并將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流值以顯示容器內(nèi)的料位。同時“保留記憶”信號，直至下一過程開始。探頭上升到靜止原位時，發(fā)出信號，電動機停止運轉(zhuǎn)，進入靜止階段。第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(2)主要技術指標

測量范圍：0～23M；操作方式：包括手動操作，定時操作。定時為1～10min，分十檔任選；被測介質(zhì)溫度：常溫；環(huán)境溫度：-20～+55℃；基本誤差：±10mm；重錘質(zhì)量：0.3kg。第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日（1）測量原理組成：傳感器和二次儀表組成。同軸圓柱形電容器的電容量：5.４.2電容脈沖式物位計極板長度介質(zhì)的相對介電常數(shù)真空的介電常數(shù)同軸圓柱形極板電容器d通過電容傳感器把物位轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再用測量電容量的方法確定物位數(shù)值。傳感器把料位的變化轉(zhuǎn)變成與之對應的電容量的變化，由測量電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對應的電脈沖信號，遠傳給二次儀表處理

第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日電容傳感器插入被測容器內(nèi)，被測介質(zhì)為液體，介電常數(shù)為ε2，其覆蓋氣體的介電常數(shù)為ε1。液位高度為零時，兩極間充滿氣體，電容量為C。液體升高H時，兩極之間有H高度被液體浸入，由于ε1與ε2不同，必產(chǎn)生電容量的變化?C第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日由內(nèi)電極1和與它相絕緣的同軸金屬圓筒制成的外電極2組成，內(nèi)外電極之間采用絕緣套管3進行絕緣固定。（２）測量非導電介質(zhì)液位電容傳感器（３）測量導電介質(zhì)液位的電容傳感器被測介質(zhì)為導電液體，內(nèi)電極要用絕緣物覆蓋作為中間介質(zhì)，導電液體與金屬容器壁一起作為外電極。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日當被測液位為零時，電容器中間所充介質(zhì)是介電常數(shù)為e0的氣體，電容器的電容為：

C0=2pe0L/ln(R/r)當液位為某一高度H時，電容器可視為兩部分電容的并聯(lián)組合，即C1=2pe1H/ln(R/r)+2pe0(L-H)/ln(R/r)液位變化引起的電容增量為：C=C1-C0則：C=2p(e1-e0)H/ln(R/r)可見，電容的增量與被測液位成正比，因此測出電容增量的變化便可知道液位的高液體的介電常數(shù)電極被液體浸沒的高度第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日（４）固體料位的測量用一根電極棒與金屬容器壁構成電容器的兩電極，將金屬電極棒插入容器內(nèi)的被測物料中，以金屬棒作內(nèi)電極，金屬容器壁為外電極，與非導電物料的料位測量相同，測量電容量的變化，即可測得料位。第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.4.3阻旋式料位計阻旋式料位計示意圖1-同步電機；2-微動開關；3-傳動齒輪；4-斜板；5-主軸；6-旋翼構造及工作原理：同步電機通過傳動齒輪Z1、Z2、Z3、Z4減速后，帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上的旋翼以3r/min的速度轉(zhuǎn)動。料位上升接觸到旋翼時，旋翼旋轉(zhuǎn)受阻，齒輪Z3在同步電機驅(qū)動下，克服返回彈簧的阻力，沿齒輪Z4作圓周運動，同時帶動斜板轉(zhuǎn)動，斜板的微小位移推動兩微動開關的觸點，一只微動開關切斷同步電機電源，電機停止轉(zhuǎn)動，另—微動開關對外發(fā)出觸點信號。料位下降到低于旋翼的位置時，作用于旋翼上的阻力消除，斜板依靠返回彈簧的作用復原，微動開關復原，同步電機電源接通，旋翼恢復轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)高料位報警。改變微動開關觸點信號的連接線，可進行低料位報警。第三十頁