熱工測量技術(shù)A5(5)

《熱工測量技術(shù)A》

第5部分

物位測量

及儀表

第5章

概述、鍋爐汽包水位測量、其他物位測量等

5物位測量

物位是指貯存容器或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備里的液位、粉位狀固體、氣體之間的分界面位置，也可以是互不相溶的兩種液體間由于密度不同而形成的界面位置，根據(jù)具體用途分為液位、料位、界位傳感器或變送器。

第5章物位測量第5部分物位測量及儀表

5物位測量

物位不僅是物料耗量或產(chǎn)量計(jì)量的參數(shù)，也是保證連續(xù)生產(chǎn)和設(shè)備安全的重要參數(shù)。特別是現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)中，由于規(guī)模大，速度快，且常用高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性或易燃易爆物料，對于物位的監(jiān)測和自動(dòng)控制更是至關(guān)重要。各種物料的性質(zhì)千差萬別，物位測量方法很多，所用儀表、傳感器、變送器也各有特色。本章按測量的原理分為壓力式、浮力式、電容式、電導(dǎo)式、及電感式、阻力式、聲波式、微波式及射線式等等加以介紹。

第5章物位測量

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位往往是很重要的控制參數(shù)。對于一般儲液裝置內(nèi)所儲存液體的多少對生產(chǎn)過程的影響是不可忽視的。比如火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽包內(nèi)的水位就直接影響汽水系統(tǒng)循環(huán)的效果以及送出蒸汽的質(zhì)量。

液位測量的方法

1.浮力式

2.靜壓式

靜壓式液位傳感器是基于流體靜力學(xué)中一定液柱高度的液體產(chǎn)生一定壓力的原理。液位—壓力轉(zhuǎn)換的方式主要有壓力式和差壓式。

3.電氣式電氣式液位測量是直接將液位轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感等量值的變化。4.聲波式

5.1鍋爐汽包水位測量

5物位測量

第5章物位測量

火電生產(chǎn)過程中一般都是采用云母水位計(jì)、差壓水位計(jì)和電接點(diǎn)式水位計(jì)等測量汽包水位。由于汽包內(nèi)汽水界面不像一般儲水容器中那樣分明，所以汽包水位的測量目前都是測量汽包內(nèi)的重量水位。所謂重量水位，即假想某一瞬時(shí)汽包出口與入口都封閉起來，汽側(cè)中的水回到水一側(cè)，水側(cè)中的汽回到汽一側(cè)，而且汽、水平靜下來時(shí)的水位。此時(shí)，在汽包水位測量基準(zhǔn)線開一導(dǎo)壓口所引出的壓力與假想前運(yùn)行狀態(tài)時(shí)在該導(dǎo)壓口處引出的壓力是相同的。所引出壓力的變化代表了水位的變化。

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)（1）云母水位計(jì)云母水位計(jì)是鍋爐汽包一般都裝設(shè)的就地顯示水位表。它是一連通器，結(jié)構(gòu)簡單，顯示直觀，如圖所示。由于云母水位計(jì)溫度低于汽包內(nèi)溫度，因此云母水位計(jì)的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。式中——汽包內(nèi)飽和蒸汽密度；——汽包內(nèi)飽和水密度；——云母水位計(jì)測量管內(nèi)水柱的平均密度；——汽包內(nèi)重量水位;—顯示值。

⑵云母水位計(jì)的特點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn):

直接反映汽包水位;

直觀、可靠缺點(diǎn)：一般只能現(xiàn)場就地觀察；液位顯示不夠清晰，尤其是超出水位計(jì)可視范圍時(shí)，很難判斷是滿水還是缺水。

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)

第5章物位測量

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)

⑶雙色水位計(jì)：

結(jié)構(gòu)：云母水位計(jì)上加以改進(jìn)。原理：雙色水位計(jì)是采用把普通光經(jīng)濾光玻璃(紅、綠兩種)使紅光、綠光透過，再經(jīng)被測液體或氣體折射，在光路上設(shè)置窗口予以顯現(xiàn)，可測知光路上是液體或氣體。利用光從空氣進(jìn)入蒸汽或水而產(chǎn)生不同的折射的原理，使蒸汽部分顯紅色，水部分顯綠色。

第5章物位測量

雙色水位計(jì)原理示意1一汽測連通管；2一加熱用蒸汽進(jìn)汽管；3一水位計(jì)本體；4一加熱室；5一測量室；6一加熱蒸汽出口管；7一水側(cè)連通管；8一光源；9一毛玻璃；10一紅色濾光玻藏，11一綠色濾光玻璃；12一組合透鏡；13一光學(xué)玻璃板；14一墊片；15一云母片(高壓以上鍋爐用)；16一保護(hù)罩；17一觀察窗

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)

注意：

①用于高壓鍋爐上的水位計(jì)，為考慮其強(qiáng)度，窗口玻璃不能做成長條形；而做成多窗式。其缺點(diǎn)是窗口之間有一段水位指示的“盲區(qū)”。②為減小水位計(jì)的溫降帶來的測量誤差，在水位計(jì)本體內(nèi)加裝了蒸汽加熱夾套。③為防止鍋爐壓力突降時(shí)，測量室中水柱沸騰而影響測量，從安全方面考慮，測量室內(nèi)的水柱溫度應(yīng)有一定的過冷度。

第5章物位測量

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)⑷雙色水位計(jì)的電視遠(yuǎn)傳：即在雙色水位計(jì)的現(xiàn)場加裝一個(gè)電視攝像裝置（攝像頭）則可實(shí)現(xiàn)水位信號的電視遠(yuǎn)傳。

第5章物位測量5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)燈泡汽包（蒸汽側(cè)）（飽和水側(cè)）Pρ′′ρ′毛玻璃紅玻璃綠玻璃電視攝像頭⑴⑵⑶12345

第5章物位測量

5.1.1云母水位計(jì)、雙色水位計(jì)

上頁圖例說明:

1——玻璃板（云母片）水位計(jì)

2——棱鏡

3——紅、綠玻璃（并列）

4——光源

5——電視攝像頭

第5章物位測量5.1鍋爐汽包水位測量

5.1.2電接點(diǎn)水位計(jì):汽包（蒸汽側(cè)）（飽和水側(cè)）Pρ′′ρ′～ρ′′ρ′滅亮水位傳感器測量筒顯示部分

第5章物位測量

5.1.2電接點(diǎn)水位計(jì)

5.1.2.1測量筒安裝位置剖面示意圖:

第5章物位測量

5.1.2電接點(diǎn)水位計(jì)

5.1.2.2電接點(diǎn)水位計(jì)的組成：

由測量筒、水位傳感器、電氣顯示三部分所組成

5.1.2.3電接點(diǎn)水位計(jì)的工作原理：

利用汽包內(nèi)汽、水介質(zhì)的電阻率相差極大的性質(zhì)來測量汽包水位的。被水淹的電接點(diǎn)所在電路處于低電阻（相當(dāng)于開關(guān)閉合）。

第5章物位測量

5.1.2電接點(diǎn)水位計(jì)

5.1.2.4電接點(diǎn)水位計(jì)的說明：

①傳感器部分：

電接點(diǎn)的數(shù)目以能監(jiān)視水位的要求來確定，目前多為15、17、19個(gè)為多，且接點(diǎn)之間的間距不是均勻的，分布在正常水位處要密一些。

第5章物位測量5.1.2.4電接點(diǎn)水位計(jì)的說明

②傳感器存在的誤差：

●測量筒溫度變化所引起的；●電接點(diǎn)之間的間距不均勻，導(dǎo)致指示信號不連續(xù)，產(chǎn)生“盲區(qū)”；●有可能產(chǎn)生“虛假”水位。故電接點(diǎn)水位計(jì)的輸出信號不能作為調(diào)節(jié)器輸入信號。

③顯示部分：

●氖燈顯示；●發(fā)光二極管；●普通燈泡。適應(yīng)于鍋爐汽包、凝汽器、工業(yè)水箱的水位測量。

第5章物位測量

5.1鍋爐汽包水位測量5.1.3

差壓式水位計(jì):

第5章物位測量

差壓式水位計(jì)是靜壓式液位測量儀表，在汽包水位、高加水位、除氧器水位測量中都能得到應(yīng)用。水位—差壓轉(zhuǎn)換原理水位—差壓轉(zhuǎn)換裝置又稱平衡容器，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示，(a)為簡單平衡容器，(b)為雙室平衡容器，(c)為結(jié)構(gòu)補(bǔ)償式雙室平衡容器。

5.1鍋爐汽包水位測量5.1.3

差壓式水位計(jì):汽包(蒸汽側(cè))ρs(飽和水側(cè))ρwρsρ2ρ1H0H⊿HL-+⊿P（平衡容器）

第5章物位測量5.1.3差壓式水位計(jì)

5.1.3.3差壓式水位計(jì)（老式）的雙室平衡容器：

●結(jié)構(gòu)：如上頁所示。

5.1.3.1差壓式水位計(jì)（老式）的組成：

由平衡容器、差壓變送器、顯示儀表三部分所組成。

5.1.3.2差壓式水位計(jì)（老式）的工作原理：

把液位高度變化轉(zhuǎn)換成差壓變化，其測量儀表就是差壓計(jì)，只要確保水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，就能精確測出其水位的高低。此種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器而達(dá)到（實(shí)現(xiàn)）的。

第5章物位測量5.1.3.3差壓式水位計(jì)（老式）的雙室平衡容器●工作原理（工作過程）：

因正壓頭液位高低保持一致（高溢出，低冷凝水補(bǔ)充）；而負(fù)壓頭是隨汽包水位變化而變化，因而負(fù)壓頭壓力變化就直接反映了汽包水位的變化。●存在誤差及原因：▼平衡容器中水溫變化造成重度變化，使指示值不準(zhǔn)；▼汽包壓力變化時(shí)，同樣造成蒸汽和水的重度隨之變化，使指示值不準(zhǔn)；▼汽包水位的高低，平衡容器結(jié)構(gòu)尺寸的大小，也直接影響指示值的誤差?！窠鉀Q的措施：▼改進(jìn)平衡容器的結(jié)構(gòu)和尺寸；▼采用汽包壓力補(bǔ)償措施等。

第5章物位測量

5.1.3差壓式水位計(jì)

5.1.3.4差壓式水位計(jì)（新式，改進(jìn)型）的結(jié)構(gòu)：

同樣由平衡容器、差壓變送器、顯示儀表三部分所組成。

5.1.3.5差壓式水位計(jì)（新式，改進(jìn)型）的工作原理

改進(jìn)：●加大正壓容器的面積；●保持正壓容器水位恒定；●用蒸汽加熱正壓容器的水溫等于汽包中飽和溫度值；●凝結(jié)下來的多余的水定期排入下降管，并保持泄水管與下降管相接處的高度達(dá)到平衡容器內(nèi)無多余的水而下降管又不被抽干（即泄水管內(nèi)保持一定高度的的水）?！駷楸ＷC壓力引出管的垂直部分中水的重度等于環(huán)境溫度下水的重度，必須保證壓力引出管的水平距離要足夠長。●但仍有誤差。

第5章物位測量5.1.3差壓式水位計(jì)

5.1.3.6差壓式水位計(jì)（新式，改進(jìn)型）平衡容器的結(jié)構(gòu):汽包ρsρw(飽和水側(cè))(蒸汽側(cè))泄水管下降管SSlLρs凝結(jié)水漏盤ρw⊿HH0ρa(bǔ)引出管P-P+送差壓變送器ΔP

第5章物位測量

5.1.3差壓式水位計(jì)

5.1.3.7差壓式水位計(jì)（新式，改進(jìn)型）平衡容器的結(jié)構(gòu)改變后的特點(diǎn)：

★為使正壓管中的水位始終恒定，加大了正壓容器的截面積；并在其上安裝凝結(jié)水漏盤，使更多的凝結(jié)水不斷流入正壓容器，其多余的水不斷溢出。

★用蒸汽加熱的方法使正壓容器中的水溫等于飽和溫度。

★多余的蒸汽凝結(jié)水由瀉水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽凝結(jié)水，又不能使下降管抽空，瀉水管中應(yīng)始終保持一定高度的蒸汽凝結(jié)水。

★為保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環(huán)境溫度下水的密度，壓力引出管的水平距離S應(yīng)盡可能長。

第5章物位測量5.1.3差壓式水位計(jì)5.1.3.8汽包水位信號的壓力校正：平衡容器與差壓變送器壓力變送器∑/F1（x）F2（x）（即校正后的結(jié)果）K5’-K6pHP-ΔpK5’-K6p-ΔpK1-K2p函數(shù)發(fā)生器加法器除法器

第5章物位測量

5.1.3差壓式水位計(jì)

5.1.3.9帶微處理器的鍋爐汽包水位計(jì)ρsρwρa(bǔ)vSHρa(bǔ)mL差壓變送器-+壓力變送器溫度變送器智能鍋爐汽包水位計(jì)冷凝器

第5章物位測量

5.1.3.10帶微處理器的鍋爐汽包水位計(jì)分析5.1.3差壓式水位計(jì)

●設(shè)差壓信號為Δp，則有：

Δp=p+-p-=（L-m）ρa(bǔ)g+mρa(bǔ)v

g-Hρwg-（L-H）ρsg

●若有H=H0+ΔH，H0

為零水位，則上式可寫成：●

●式中：ρs—飽和蒸汽密度；

ρw—飽和水密度；

ρa(bǔ)—環(huán)境溫度下導(dǎo)壓管中水的密度；

ρa(bǔ)v

—冷凝器中水的平均密度。

第5章物位測量

5.1.3.10帶微處理器的鍋爐汽包水位計(jì)分析

●由上頁式可見，汽包水位不僅與差壓Δp有關(guān)；而且與ρw、ρs、ρa(bǔ)和ρa(bǔ)v

有關(guān)；也就是與汽包壓力和環(huán)境溫度有關(guān)。

●ρs和（ρw-ρs

）是汽包壓力的函數(shù)。●根據(jù)溫度、壓力、差壓變送器送入的信號，就可以算得比較準(zhǔn)確的水位ΔH值。

第5章物位測量

5.1.3.11帶微處理器的鍋爐汽包水位計(jì)硬件框圖：

圖智能鍋爐汽包水位計(jì)硬件框圖5.1.3差壓式水位計(jì)

時(shí)鐘LED顯示接口D/A報(bào)警接點(diǎn)輸出A/D多路開關(guān)單片機(jī)自復(fù)位存儲器譯碼ROMRAM停電保護(hù)壓力變送器溫度變送器控制總線差壓變送器地址總線數(shù)據(jù)總線

第5章物位測量物位測量中幾個(gè)問題：①流動(dòng)性好的液體，液位是水平的，一般液位計(jì)只對安裝高度要求，可以在同一高度上選擇任何安裝地點(diǎn)。②流動(dòng)性差的粉粒體物料，料面就不是水平的，應(yīng)將料位計(jì)安裝在距容器內(nèi)壁1/3半徑處。③物位測量的另一個(gè)普遍性問題是盲區(qū)。④有時(shí)容器的幾何形狀和傳感器安裝位置配合不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)死角。⑤粉粒體料位還有滯留區(qū)。⑥物位測量可用于計(jì)算物料儲量。⑦接觸法測物位的儀表應(yīng)考慮防腐蝕和滲漏。5.1概述

第5章物位測量

5.2壓力式液位變送器

利用壓力或差壓變送器可以很方便地測量液位，且能輸出標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號或電流信號。5.2.1單法蘭及雙法蘭

對于上端與大氣相通的開口容器，可以在底部接壓力表，根據(jù)液柱下端壓力得到液位，參見教材。

由于容器和壓力表間只需一個(gè)法蘭將管路連接，故稱“單法蘭液位計(jì)”。

對于上端和大氣隔絕的閉口容器，多半其上部空間與大氣壓力不等，必須采用教材中的方式，用兩個(gè)法蘭分別將液相和氣相壓力導(dǎo)至差壓變送器，利用P1和P2之差反映液位，這就叫做“雙法蘭液位計(jì)”。

第5章物位測量

5物位測量

5.2.2吹氣法

5.2壓力式液位變送器

開口容器里的液位，可由極簡單實(shí)用的方法轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)氣壓信號，即所謂的吹氣法。

第5章物位測量

5.3浮力式液位傳感器及變送器

利用液體浮力測液位的原理應(yīng)用廣泛，靠浮子隨液面升降的位移反映液位變化的，屬于恒浮力式；靠液面升降對物體浮力改變反映液位的屬于變浮力方式。

5.3.1恒浮力式

水塔里的水位常用教材中所示的方法指示。

第5章物位測量

5物位測量10℅100℅2l3l1l33圖

浮子重錘液位計(jì)5.3浮力式液位傳感器及變送器

第5章物位測量

極限情況就是整個(gè)貯罐上全被浮子所掩蓋，這就成了浮頂罐。浮頂罐則是罐頂做成中空的大活塞，漂浮在油面上，將油品與空氣隔絕，有效地防止了揮發(fā)。5.3浮力式液位傳感器及變送器

第5章物位測量

近來中小容器和設(shè)備常用磁浮子舌簧管液位變送器。

如果只需求液位越限報(bào)警，不必提供液位值，在豎管里只需裝兩個(gè)舌簧管，其中的2裝在上限液位處，3則在下限處，分別引出導(dǎo)線，接至報(bào)警或位式控制電路。就地指示用的磁浮子液位計(jì)，為了便于觀察，常按教材中所敘的原理顯示。有磁翻板液位計(jì)和磁滾柱液位計(jì)。在恒浮力式連續(xù)測量液位的各種方法中，以伺服型浮子液位計(jì)精確度最高。

5.3浮力式液位傳感器及變送器

第5章物位測量5.3.2變浮力式

變浮力式液位計(jì)俗稱“浮筒”液位計(jì)，其原理如下圖所示。圖

變浮力式液位計(jì)DHL

第5章物位測量

用變浮力法構(gòu)成位式構(gòu)成位式傳感器也很容易，可參看下圖所示。圖

位式變浮力液位傳感器FG2G12134ABC

第5章物位測量

5.4電容式物位傳感器及變送器

利用物料介電常數(shù)恒定時(shí)極間電容正比于物位的原理，可構(gòu)成電容式物位傳感器。特點(diǎn)是無可動(dòng)部件，與物料密度無關(guān)，但要求物料的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)差別大，且需用高頻電路。5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)：電極的結(jié)構(gòu)見下頁圖所示。圖（a）適用于導(dǎo)電容器中的絕緣性物料，且容器為立式圓筒形。器壁為一極，沿軸線插入金屬棒為另一極，其間構(gòu)成的電容CX與物位成比例。也可懸掛帶重錘的軟導(dǎo)線作為電極。圖（b）適用與非金屬容器，或雖為金屬容器但非立式圓筒形，物料為絕緣性的。

第5章物位測量

5物位測量CXH0HL（a）CX（b）CX（c）圖

電容物位傳感器的電極5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

上頁圖（c）用于導(dǎo)電性物料，其形狀和位置和圖（a）一樣，但中央圓棒電極上保有絕緣材料。工作原理：以圖（a）為例，設(shè)導(dǎo)電容器直徑為D，中央電極直徑為d，上部空氣的介電常數(shù)為ε1，下部液體的介電常數(shù)為ε2，電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為HL，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫出氣體部分的電容為：

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理液位部分的電容為：

第5章物位測量忽略雜散電容及端部邊界效應(yīng)后，兩電極間總電容為：5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

式中C0為初始電容，可在空倉時(shí)測出。有物料時(shí)電容C與物位HL成線形關(guān)系。為了提高敏度，希望HL前的系數(shù)盡量大，除取決于被測介質(zhì)外，在電極結(jié)構(gòu)上應(yīng)力圖使用大直徑的中央電極，d接近于D則系數(shù)的分母小，靈敏度高。但實(shí)際上采用圖（a）結(jié)構(gòu)不可能使d大到接近于D的程度，可以把電極裝在另一個(gè)直徑小的豎管里，再用圖（b）的形式與被測容器連通。或者采用圖（c）的結(jié)構(gòu)。

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)然，這兩種辦法都只適合于流動(dòng)性好的液體，對于粉?；蛏杂姓承缘囊后w，如果提高靈敏度，可將中央電極稍偏向一側(cè)器壁，但切勿過分靠近，因?yàn)樘拷诿鏁r(shí)稍有彎曲或移動(dòng)會(huì)引起靈敏度劇烈變動(dòng)。若電極偏離容器軸線后的靈敏度用K表示，它與偏移量b有下列關(guān)系：

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

將上式關(guān)系用曲線表示，則如教材中圖所示。電極接近容器壁，靈敏度很高，但曲線斜率大，讀數(shù)不易穩(wěn)定。bD/2K圖

電極偏心特性曲線

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝，則可用教材中圖表示。圖（a）為結(jié)構(gòu)示意，圖（b）為等效電路。等效電路中的C’1代表與物位無關(guān)的雜散電容；C2代表液面以上以絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為：

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

圖中C3代表液面以上介質(zhì)（測界位時(shí)是輕液）為電介質(zhì)的電容，其值為:

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理CX(a)dD1DHLH0ε1ε3ε2CXC1’C2C3C4C5(b)圖

有絕緣層電極及其等效電路

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理圖中C4為液面以下以絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為圖中C5為液面以下以被測液體為電介質(zhì)的電容，其值為

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

以上各式中的符號含義可參看圖（a）。根據(jù)圖中關(guān)系不難看出，C2與C3是串聯(lián)關(guān)系，C4與C5也是串聯(lián)關(guān)系，以上兩串聯(lián)電路又與C’1三者并聯(lián)，故得

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理（5.22）

對于確定的介質(zhì)而言，上式中等號右邊第一和第二項(xiàng)皆為常數(shù)，可看作不變的初始電容。第三項(xiàng)可認(rèn)為是靈敏度K與HL之乘積。若容器下部為導(dǎo)電液體，C5=0，上式變?yōu)?/p>

第5章物位測量（5.23）將式（5.22）與式（5.23）比較，等號右的前兩項(xiàng)完全一樣，但第三項(xiàng)HL的系數(shù)不同。測導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，靈敏度高。5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

測兩種液體間的界位時(shí)，如均為不導(dǎo)電液體，可用裸露電極。如其中一種（只限一種）為導(dǎo)電液體，就必須用包絕緣層的電極。但無論用式（5.20）或式（5.22）都可看出，不導(dǎo)電介質(zhì)的界位測量靈敏度與兩種液體的介電常數(shù)之差成正比，這和浮力法要求的密度差大相對應(yīng)。如果兩種液體密度相近而介電常數(shù)差別大，電容法便可大顯身手。上節(jié)提到重油與水密度相差無幾，但水有導(dǎo)電性，可利用有絕緣層的電極，有式（5.23）計(jì)算。

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

電容法也用于粉粒體料位測量，但應(yīng)注意物料中含水分時(shí)將對測量結(jié)果影響很大。例如干燥的土壤介電常數(shù)約為1.9，含水19℅時(shí)達(dá)到8，何況水分還會(huì)造成漏電。即使采用絕緣層的電極，效果也不佳。所以電容法只宜用于干燥粉粒體或水分含量恒定不變的粉粒體。稍有粘著性的不導(dǎo)電液體仍可用裸露電極，若粘性液體有導(dǎo)電性，即使采用絕緣電極也不能工作，因?yàn)轲じ皆陔姌O上的導(dǎo)電液不脫落會(huì)造成虛假液位。這種情況下只能借助隔離膜將壓力傳到非粘性液體上，再用電容法測量。

第5章物位測量5.4.1電極結(jié)構(gòu)及工作原理

5.4.2位式作用傳感器電路

用電容法構(gòu)成物位開關(guān)，可用于液位或料位報(bào)警或位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種應(yīng)用方式下，不要求電容與物位成正比，只希望在電極附近有很高的靈敏度，所以電極宜橫向插入容器或用平板形電極。

第5章物位測量5.4電容式物位傳感器及變送器

5.4.2位式作用傳感器電路

所用電路有起振停振型及連續(xù)振蕩型兩類。前者靠物位所形成的電容滿足振蕩條件與否，決定是否振蕩；后者利用交流電橋的輸出信號判斷物位。兩者都通過功率放大驅(qū)動(dòng)繼電器或無觸點(diǎn)開關(guān)器件的狀態(tài)得到通斷信號。在教材圖中，用縱坐標(biāo)表示引起輸出開關(guān)狀態(tài)變化所需電容的改變量△CX，橫坐標(biāo)表示物料中水分導(dǎo)致漏電阻引起開關(guān)狀態(tài)改變所需的△RX。兩個(gè)因素都對輸出狀態(tài)有影響，共同構(gòu)成圖中曲線。

第5章物位測量103104105106107△Rx（Ω）

0△Cx（pF）11‘22‘圖

測電阻對切換的影響

第5章物位測量

5.4.2位式作用傳感器電路

兩種曲線的對應(yīng)電路如圖。圖（a）為交流電橋式電路，相當(dāng)于曲線2的特性。圖（b）為起振停振型電路。是曲線1的特性。C0R0CXRXU0～圖

兩種位式傳感器電路（a）

第5章物位測量

5.4.2位式作用傳感器電路L1C1CxRxC3L2C2＋圖

兩種位式傳感器（b）

第5章物位測量

5.4.2位式作用傳感器電路

料位變送器的電容傳感器電路，多為環(huán)形二極管電橋式，其工作原理如圖（a）所示。實(shí)用電路是圖（b）所示的改進(jìn)型。5.4.3連續(xù)作用傳感器電路

第5章物位測量5.4電容式物位傳感器及變送器ABCDD1D2D3D4CmC0mAt1t2U2U1圖

環(huán)行二極管電橋(a)

第5章物位測量

5.4.3連續(xù)作用傳感器電路圖

環(huán)行二極管電橋(b)ABCDD1D2D3D4CmC0mACSCXL1Cd

第5章物位測量

5.4.3連續(xù)作用傳感器電路

5.5電導(dǎo)式及電感式物位傳感器

對于導(dǎo)電性液體用電導(dǎo)式液位傳感器更為簡單易行，尤其是輸出開關(guān)信號的位式傳感器，精確度和可靠性都比較高。

第5章物位測量

5物位測量（a）ABC（b）AB圖

電導(dǎo)式液位傳感器5.5.1電接點(diǎn)液位傳感器

第5章物位測量～～AB(C)圖

電導(dǎo)式液位傳感器

第5章物位測量5.5.1電接點(diǎn)液位傳感器5.5.2簡易連續(xù)指示液位計(jì)

若液體導(dǎo)電性強(qiáng)，可采用教材中圖（c）方式。圖中左側(cè)為分段電阻法，使AB間的阻值近似反比于液位。右側(cè)為氖燈顯示法，液位越高發(fā)光的氖燈越多。要注意的是，液體的電阻應(yīng)遠(yuǎn)小于器壁漏電阻。5.5.3跟蹤式液位變送器5.5.4超導(dǎo)液位變送器5.5.5電感式液位傳感器

（留給同學(xué)們自己自學(xué)。）

第5章物位測量

5.5電導(dǎo)式及電感式物位傳感器

5.6阻力式料位傳感器及變送器

此處所稱的阻力是指物料對機(jī)械運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)的阻擋力。粉末顆粒狀物料比液態(tài)物質(zhì)流動(dòng)性差，對運(yùn)動(dòng)物體有明顯的阻力，利用這一特點(diǎn)可構(gòu)成各種料位傳感器或變送器。5.6.1重錘探索法5.6.2旋槳或推板法

第5章物位測量

5物位測量5.6阻力式料位傳感器及變送器5.6.3音叉法

根據(jù)物料對振動(dòng)中的音叉有無阻力探知料位是否達(dá)到或超過某高度，并發(fā)出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，靈敏而可靠。音叉由彈性良好的金屬制成，本身具有確定的固有頻率，如外加交變力的頻率與其固有頻率一致，則叉體處于共振狀態(tài)。由于周圍空氣對振動(dòng)的阻尼微弱，金屬內(nèi)部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅(qū)動(dòng)功率就能維持較強(qiáng)的振動(dòng)。

第5章物位測量

當(dāng)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。

為了給音叉提供交變的驅(qū)動(dòng)力，利用放大電路對壓電元件施加交變電場，靠逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械力作用在叉體上。用另外一組壓電元件的正壓電效應(yīng)檢測振動(dòng)，它把振動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯慕蛔冸娦盘?。再由電子放大器和移相電路，把檢測元件的信號放大，經(jīng)過移相，施加到驅(qū)動(dòng)元件上去，構(gòu)成閉環(huán)振蕩器。

第5章物位測量

5.6.3音叉法在這個(gè)閉環(huán)中，既有機(jī)械能也有電能，叉體是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，倘若受到物料阻尼難以振動(dòng)，正反饋的幅值和相位都將明顯地改變，破壞了振蕩條件，就會(huì)停振。只要在放大電路的輸出端接以適當(dāng)?shù)钠骷?，不難得到開關(guān)信號。

音叉料位開關(guān)的方框圖如教材圖中。為了保護(hù)壓電元件免受物料損傷和粉塵污染，將驅(qū)動(dòng)和檢振元件裝載叉體內(nèi)部，經(jīng)過金屬膜片傳遞振動(dòng)。

第5章物位測量

5.6.3音叉法料位圖

音叉料位開關(guān)原理框圖

第5章物位測量

5.6.3音叉法檢振元件前置放大濾波移相電壓放大檢波功率放大晶體管音叉驅(qū)動(dòng)元件檢振元件驅(qū)動(dòng)元件引線壓板膜片叉股圖

壓電音叉的叉體

第5章物位測量

5.6.3音叉法

放大電路可由集成電路LM324構(gòu)成，見教材圖示。圖中A1擔(dān)任前置放大，A2為低通濾波，A3為移相電路，A4為電壓放大，圖中PZT2為驅(qū)動(dòng)元件，PZT1為檢振元件。各電路元件的參數(shù)一般按照固有頻率為300Hz的叉體設(shè)計(jì)。如果僅僅需要就地?zé)艄怙@示，用作上限報(bào)警，圖中的D4可用紅色發(fā)光管，D3則用綠色發(fā)光管，料位過高而停振時(shí)，D4亮而D3滅，料位正常叉體振蕩時(shí)D3亮，D4滅。用作下限報(bào)警時(shí)，可將D3，D4接法互換。這種情況下，圖中的SSR及RL不裝，只裝發(fā)光管D4

。

第5章物位測量

5.6.3音叉法

如需控制閘門或出料機(jī)械設(shè)備在料位過高時(shí)自動(dòng)排放，可在圖中用固態(tài)繼電器SSR代替D4

。SSR是有光電隔離的雙向晶閘管，它可以使交流電路通斷，由于是無觸點(diǎn)的，比繼電器或接觸器可靠。如需控制進(jìn)料設(shè)備在料位過低時(shí)自動(dòng)灌入，可將SSR代替D3接在晶體管T的發(fā)射極電路里。

第5章物位測量

5.6.3音叉法

與SSR相連的RL代表被控制的交流設(shè)備，也就是SSR的負(fù)載。音叉料位開關(guān)的叉體不一定裝載容器壁上，也可以從頂部伸入，根據(jù)所需控制的料位決定伸入長度。叉體的制造和裝配良好時(shí)，音叉也可用于液位測量或控制，但不適合過分粘稠的將料。與音叉原理相近的有振動(dòng)棒及振動(dòng)片式料位開關(guān)，也有三股差式料位開關(guān)。

第5章物位測量

5.6.3音叉法

5.7超聲式物位傳感器

各種介質(zhì)對聲波的傳播都呈現(xiàn)一定的阻抗，聲阻抗與介質(zhì)的密度及彈性有關(guān)，一般液體的聲阻抗比空氣的大兩千多倍，金屬的聲阻抗比水的又大十多倍到幾十倍。

第5章物位測量

5物位測量5.7.1窄逢式超聲波液位開關(guān)（透射式）

美國羅斯蒙特集團(tuán)Key-Ray/Sensall公司首創(chuàng)的這種液位開關(guān)，其探頭部分具有縫隙，剖視內(nèi)部圖參閱教材。在窄逢的兩面內(nèi)側(cè)有壓電換能器1和2，1用于接收，2用于發(fā)射。其間有放大電路3可形成閉環(huán)振蕩，功率放大電路4提供輸出信號。當(dāng)窄逢被液體浸沒時(shí)，超聲波的能量足以透過窄逢被接收換能器檢測，經(jīng)過放大后供給發(fā)射換能器，維持振蕩。液位下降后窄縫暴露在空氣中，阻抗顯著變小，大部分聲波被反射，接收到聲能太少不足以維持振蕩，輸出信號改變。所用振蕩電路可參看教材

第5章