1、物位測量及儀表物位測量及儀表物位測量：物位測量：液位液位氣體和液體間的分界面。氣體和液體間的分界面。界位界位兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的 接觸面。接觸面。料位料位氣體與固體顆粒或粉末的分界面。氣體與固體顆?；蚍勰┑姆纸缑?。返回返回1 1、液位檢測方法液位檢測方法 液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法。 直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。 間接測量，是將液位信號轉化為其它相關信號進行測量，如壓力法、浮力法、電學法等。 1.1直接測量法直接測量法 直接測

2、量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。 玻璃管液位計電接點水位計的水位傳感器原理電接點水位計的水位傳感器原理 原理：原理：帶若干電接點的連通容器，因汽、水導電性能差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別，被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻( (相當于開相當于開關閉合關閉合) )，因此被水接通的電接點位置可表示水位。，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：電接點導通的顯示方法：燈泡閃亮，帶放大器的發光二燈泡閃亮，帶放大器的發光二極

3、管等。極管等。 測量筒和汽包相連，據連通器力平衡原理從汽包內測量筒和汽包相連，據連通器力平衡原理從汽包內取出測量水柱。取出測量水柱。傳感器傳感器是水柱中組成測量標尺的是水柱中組成測量標尺的系列電系列電極極，將水柱分成若干區間。電極在水中對應點呈綠色，將水柱分成若干區間。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。在汽中對應點呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。電接點式水位傳感器的結構電接點式水位傳感器的結構電接點水位計電接點水位計1汽包汽包 2測量筒測量筒 3下接管下接管 4電接點電接點 電接點15,17,19個，正常水位附近要安裝密一些。共有3豎行夾角120顯示電路顯示儀

4、表： 氖氣顯示儀表并聯分流電阻限流電阻特點： 但指示不連續，兩電極間的距離就是儀表的不靈敏區。 接點之間在高度上的間距不是均勻的，在正常水位附近要密一些。1.2 壓力法液位壓力法液位 壓力法依據液體重量所產生的壓力進行測量。由于液體對容器底面產生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。 對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關系： gPH 下圖為用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。(a) 壓力表式液位計 (b)法蘭式液位變送器 (c)吹氣式液位計 對于密閉容器中的液位測量，可用差壓法進行測量，它可在測量過程中消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的

5、影響，下圖示出差壓式液位計測量原理。 引壓導管易被腐蝕或堵塞，影響測量精度，應用法蘭式壓力（差壓）變送器。敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測介質接觸，省去引壓導管，從而克服導管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經毛細管與變送器的測量室相通，它們所組成的密閉系統內充以硅油，作為傳壓介質。為了毛細管經久耐用，其外部均套有金屬蛇皮保護管。對于具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及粘度大、易凝固的介質法蘭式壓力（差壓）變送器量程遷移量程遷移無論是壓力檢測法還是差壓法，均要求零液位與檢測儀表無論是壓力檢測法還是差壓法，均要求零液位與檢測儀表在同一水平高度，否則會產生附加靜壓誤差。在同一水平高度，否則會產生附加靜壓誤差。處理方法

6、處理方法對壓力變送器進行零點對壓力變送器進行零點調整，使在只受附加靜調整，使在只受附加靜壓力時輸出為壓力時輸出為“零零”。量程遷移量程遷移量程量程遷移遷移無遷移無遷移負遷移負遷移正遷移正遷移Hhn無遷移無遷移保證正壓室與零液位等高保證正壓室與零液位等高gHP1當當H為零時，差壓輸為零時，差壓輸出為零。出為零。差壓變送器的作用是將輸入的差壓信號轉化為統一的標準差壓變送器的作用是將輸入的差壓信號轉化為統一的標準信號輸出。信號輸出。n負遷移負遷移形成原因：加隔離罐或采形成原因：加隔離罐或采用法蘭式測壓差。用法蘭式測壓差。1210ghgHPP正壓室：正壓室：220ghPP負壓室：負壓室：BgHhhgg

7、HPPP11221)(差壓：差壓：當當H=0時，差壓的輸出并不為零，而是時，差壓的輸出并不為零，而是-B。為使。為使H=0時，時，差變的輸出為差變的輸出為4mA，就要消除，就要消除-B的影響。稱之為量程遷移。的影響。稱之為量程遷移。由于要遷移的時為負值，所以稱為負遷移。由于要遷移的時為負值，所以稱為負遷移。量程遷移實例量程遷移實例 例如：已知例如：已知31/1200mkg32/950mkgmh0 . 11mh0 . 52m0 . 30mL 液位高度變化形成的差壓值為：液位高度變化形成的差壓值為： 所以可選擇差壓變送器量程為所以可選擇差壓變送器量程為40kPaPagH3528038 . 9120

8、01PaghhB372408 . 9950) 15()(212 所以負遷移量為所以負遷移量為37.240kPa，即將差壓變送器的零點調為，即將差壓變送器的零點調為-37.240kPa。遷移后差變的測量范圍為。遷移后差變的測量范圍為-37.242.76kPa。n正遷移正遷移011pgHghP正壓室：正壓室：負壓室：負壓室：0pP 壓差：壓差：gHghPPP11當當H=0時，差壓輸出并不為時，差壓輸出并不為零，其值為零，其值為ghC1其遷移量為正值，所以稱為正遷移。其遷移量為正值，所以稱為正遷移。綜上所述：正負遷移的實質是改變變送器的零點，同時改綜上所述：正負遷移的實質是改變變送器的零點，同時改變

9、量程的上下限，而量程范圍不變。變量程的上下限，而量程范圍不變。1.3 浮力法浮力法 恒浮力式檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液恒浮力式檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液面上的浮子（也稱浮標）隨液面變化而產生的位移。面上的浮子（也稱浮標）隨液面變化而產生的位移。 變浮力式檢測是利用沉浸在被測液體中的浮筒（也變浮力式檢測是利用沉浸在被測液體中的浮筒（也稱沉筒）所受的浮力與液面位置的關系檢測液位稱沉筒）所受的浮力與液面位置的關系檢測液位 。 浮力式液位檢測分為恒浮力式檢測與變浮力式檢測。浮力式液位檢測分為恒浮力式檢測與變浮力式檢測。1.3.1 鋼帶浮子式液位計鋼帶浮子式液位計 右圖為直讀式鋼帶浮

10、子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。1.3.2浮球液位計浮球液位計 電動浮球液位變送器的測量部分由浮球與平衡桿和平衡錘組成力矩平衡機構，因此浮球可以自由地隨液位的變化而升降。當液位改變時，浮球的位置發生相應的變化，通過球桿帶動主軸轉動，表頭內角位移傳感器與主軸通過齒輪嚙合，將液位的變化轉換成相應的電信號浮球液位計浮球液位計浮球式液位計浮球式液位計 OBGOAFW )（1. 工作原理工作原理2. 特點特點（1）量程小，受連桿長度和角度限制；）量程小，受連桿長度和角度限制；（2）精度低，最高）精度低，最高0.5級左右；級左右；（3）適用于溫度、粘度較高，壓力不）適用于溫度、粘度較

11、高，壓力不 高的液位測量。高的液位測量。W浮球的重力；浮球的重力；G重錘的重力；重錘的重力；OA轉軸到浮球中心垂直距離；轉軸到浮球中心垂直距離；OB轉軸到重錘中心垂直距離。轉軸到重錘中心垂直距離。內浮球液位計內浮球液位計H F (W-F) 杠桿順時針轉動杠桿順時針轉動F 返回返回1.3.3磁浮子液位計 磁性浮子、浮球式液位計主要由本體部分、就地指示器、遠傳變送器以及上、下限液位報警器等幾部分組成。磁性浮子式液位計通過與工藝容器相連的筒體內浮子隨液面（或界面）的上下移動，由浮子內的磁鋼利用磁耦合原理驅動磁性翻板指示器，用紅藍兩色（液紅氣藍）明顯直觀地指示出工藝容器內的液位或界位。水平軸NNNNS

12、徑向充磁翻板式液位計工作原理動畫演示翻板式液位計工作原理動畫演示返本節目錄返本節目錄返本章目錄返本章目錄1.3.4 浮筒式液位計浮筒式液位計 浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。圖中： 1-浮筒；2-彈簧；3-差動變送器 。浮筒式液位計：是一種浮筒式液位計：是一種變浮力變浮力式液位計。式液位計?；驹恚夯驹恚?設浮筒質量為設浮筒質量為m ，截面積為，截面積為A ，彈簧的剛度，彈簧的剛度為為c，壓縮位移為，壓縮位移為 x0，被測液體密度為，被測液體密度為 ，浮筒沒，浮筒沒入液體高度為入液體高度為H起始位置

13、彈性力與重力、浮力相平衡，有：起始位置彈性力與重力、浮力相平衡，有：彈性力重力浮力浮筒式液位計：是一種浮筒式液位計：是一種變浮力變浮力式液位計。式液位計?；驹恚夯驹恚寒斠何蛔兓瘯r，浮筒所受浮力改變，彈簧的當液位變化時，浮筒所受浮力改變，彈簧的變形亦有變化。變形亦有變化。達到新的力平衡時則有以下關系：達到新的力平衡時則有以下關系：（即浮筒位移變化）彈簧變形變化液位高度變化假設xH浮筒式液位計：是一種浮筒式液位計：是一種變浮力變浮力式液位計。式液位計?；驹恚夯驹恚?結論：只要檢測彈簧的變形結論：只要檢測彈簧的變形x（即浮筒的（即浮筒的位移量），即可確定液位的變化位移量），即可確定液

14、位的變化H ,進而確定液體的液位高度。進而確定液體的液位高度。HHxHxHHH浮筒式液位計：是一種浮筒式液位計：是一種變浮力變浮力式液位計。式液位計。 位移檢測方法：位移檢測方法：彈簧變形量的檢測可通過差動變壓器實現。彈簧變形量的檢測可通過差動變壓器實現。如圖，在浮筒頂部的連桿上裝一鐵心，鐵心隨如圖，在浮筒頂部的連桿上裝一鐵心，鐵心隨浮筒而上下移動，其位移經差動變壓器轉換為浮筒而上下移動，其位移經差動變壓器轉換為與位移成比例的電壓輸出，從而給出相應的液位與位移成比例的電壓輸出，從而給出相應的液位指示。指示。 采用彈簧結構的好處：采用彈簧結構的好處：液位高度的變化范圍可能很寬，但浮筒只有很小的位

15、移，對液位高度的變化范圍可能很寬，但浮筒只有很小的位移，對應差動式變壓器鐵芯位移很小，實現起來方便。應差動式變壓器鐵芯位移很小，實現起來方便。電動浮筒液位計 杠桿的末端吊有內筒，浮筒隨介質的浮力F1變化而升降，這個浮力作用在杠桿1上，使杠桿系統以軸封膜片為支點而產生微小偏轉（軸封膜片一方面作為杠桿的支點，另一方面起密封作用）。帶動杠桿2轉動 ，傳感器將偏移量經信號處理及轉換電路轉換成420mA標準信號輸出，即完成變換過程。 智能浮筒液位（界位）變送器 被測液位的變化引起內筒位置的變化，該變化被傳遞到扭力管組件上，使扭力管與芯軸同步轉動。同時固定在扭力管芯軸上的磁鐵發生旋轉位移，改變了由霍爾效應

16、傳感器檢測的磁場。該傳感器將磁場信號轉換為電信號。液位變化液位變化扭力矩變化扭力矩變化扭轉角變化扭轉角變化 角位移傳感器角位移傳感器電信號電信號扭力管式結構扭力管式結構1.1.測量元件測量元件作用：作用：H H 浮力浮力 Fx扭角扭角 H = Hmax時：杠桿作用力為時：杠桿作用力為gAHWFmaxxH=0時：杠桿作用力為時：杠桿作用力為x =扭力管產生扭角扭力管產生扭角max(約約7)。扭力管產生最小扭角為扭力管產生最小扭角為min (約約2)。 A 浮筒截面積；浮筒截面積； 被測液體密度。被測液體密度。Fx 測量部分測量部分返回返回2. 轉換部分轉換部分作用：作用：將將u I0 %100m

17、ax K K 比例系數，比例系數，K=0100%短路環短路環轉至中舌轉至中舌最左端最左端時，時，K=0；最右端最右端時，時，K=100%。 01=K0 02 =（1-K）0021)12( ZKuuu Z 磁通磁通- -電壓轉換系數。電壓轉換系數。u與與K成正比，則成正比，則u與與成正比成正比。差動變壓器差動變壓器返回返回返回返回（三）軸封膜片式結構（三）軸封膜片式結構返回返回1. 位移檢測放大器位移檢測放大器 作用：作用：將銜鐵微小位移將銜鐵微小位移 S 轉換成直流電流轉換成直流電流 I0。2電磁反饋機構電磁反饋機構作用：作用：I0Ff返回返回3. 工作原理工作原理力矩平衡力矩平衡(力平衡力平

18、衡) 改變改變W或矢量角或矢量角可改變量程?？筛淖兞砍?。HWtanKI0K變送器結構常數。變送器結構常數。Fx Fx =W-F1. 量程由浮筒長度決定。量程由浮筒長度決定。 國產：國產：300、500、800、1200、1600、2000mm（四）特點（四）特點2. 只能用于測量輕、凈介質。只能用于測量輕、凈介質。 3. 當被測介質當被測介質密度變化時，必須進行密度修正。密度變化時，必須進行密度修正。 4. 精度精度0.51.0級，級，可測液位、界位?？蓽y液位、界位。返回返回1.6 超聲波法超聲波法超聲波液位計利用波在介質中的傳播超聲波液位計利用波在介質中的傳播特性。特性。 因此，在容器底部或

19、頂部安裝超聲波發射器和接收器，發射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發射到接收的時間差，便可測出液位高低。工作原理工作原理返回返回 所謂超聲波一般是指頻率高于可聽頻率極限(20kHz以上頻段)的彈性振動，這種振動以波動的形式在介質中的傳播過程就形成超聲波。超聲波在穿過不同介質的分界面時會產生反射，根據超聲波從發射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度之間的關系，就可以進行物位的測量。 超聲波液位計按傳聲介質不同，可分為氣介式氣介式、液介式液介式和固介式固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發自收的自發自收的單探頭方式單探頭方式和收發分開的雙探頭方式收發分開的雙探頭方式。相互組合

20、可以得到六種液位計的方案。(a)氣介式 (b) 液介式 (c)固介式單探頭超聲波液位計 由上圖看出，超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時間為t ，則： L是與液位有關的量，故測出L便可知液位， L的測量一般是用接收到的信號觸發門電路對振蕩器的脈沖進行計數來實現。tCL21聲波遇到兩相界面時會聲波遇到兩相界面時會發生發生反射反射氣介聲速氣介聲速高出最高高出最高液位液位測量盲區測量盲區約約1m v（P,T）eg.空氣空氣 V0 = 331 m/s；V100 = 387 m/s帶溫度探頭的超聲波液位計帶溫度探頭的超聲波液位計帶有聲速校正桿的超聲波液位計帶有聲速校正桿的超聲波液位計 00tth

21、h vth002vth2tt0hh01.7導波雷達液位計 導波雷達液（界）位變送器運用了 TDR（時域反射原理）技術，發射的電磁波脈沖沿著桿或纜傳送當遇到比先前傳導介質（空氣或蒸發汽）介電常數大的介質表面時，脈沖波被反射回來。用超高速計來計算脈沖波的傳導時間，從而達到精確的液位測量。 導波式雷達液位測量采用時域反射法 (TDR，Time Domain Reflectometry)，通常稱導波雷達，采用脈沖波方式工作。與普通微波物位計不同點在于雷達發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。雷達式液位計示意圖cHt02 雷

22、達波由天線發出到接收到由液面來的反射波的時間t由下式確定 0HLH由于tcLH2故24雷達探測器對時間的測量有微波脈沖法及連續波調頻法兩種方式。雷達探測器對時間的測量有微波脈沖法及連續波調頻法兩種方式。微波脈沖法原理示意圖1.8脈沖雷達物位計脈沖雷達物位計 雷達天線面對物料發射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脈沖雷達天線接收。那么距離物料表面的距離D可通過脈沖的時間行程T來測得：D=cT/2 (c是光速)因空罐的距離E已知，則物位L為： L = E-D檢測原理微波發射天線通過輸入空罐高度E(=零點)，滿罐高度F(=滿量程)及一些應用參數的設定，使輸出信號對應于4-20mA輸出。雷達液位計的

23、測量不確定度 0.2s，輸出信號均為420mA/HART，兩線制。測量范圍：035m；回波采樣55次/s，精確度約為(0.20.3)% FS。 發射接收高頻電磁波，原理類似于超聲液位發射接收高頻電磁波，原理類似于超聲液位計。計。電磁波電磁波，波速與空氣溫度、濕度等無關波速與空氣溫度、濕度等無關。H HH H導導波波管管vtH21雷達液位計雷達液位計導波雷達液位計導波雷達液位計德國德國E+H FMR230 雷達液位計雷達液位計用于液體、顆粒及漿料物位的用于液體、顆粒及漿料物位的連續非接觸測量連續非接觸測量。測量不受介質變化、溫度變化、測量不受介質變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽的影響；惰性氣體及蒸

24、汽的影響；喇叭式天線喇叭式天線，頻率，頻率6 GHz；量程量程20 m，精度，精度3mm；兩線制，兩線制，HART協議；協議；西門子西門子SITRANS LR400 雷達液位計雷達液位計適于測量高粉塵固體物料適于測量高粉塵固體物料和低介電常數液體物位。和低介電常數液體物位。連續波調頻工作方式連續波調頻工作方式；工作頻率工作頻率24 GHz；量程量程50 m，精度，精度60 mm；兩線制，兩線制，HART協議；協議；現場本安型的紅外手持編程器對儀表進行編程?，F場本安型的紅外手持編程器對儀表進行編程。德國科隆德國科隆(KROHNE) BM70P 雷達液位計雷達液位計液體和液化氣的液位測量。液體和液

25、化氣的液位測量。工作頻率工作頻率8.99.9 GHz；量程量程35 m；精度精度: 110 m時，時，1mm 10 m時，時，0.01% 示值誤差示值誤差具有改進信噪比的微波窗，具有改進信噪比的微波窗，高靈敏性高靈敏性，動態響應達動態響應達 140 dB 。t t發射脈沖發射脈沖接收脈沖接收脈沖計數時鐘計數時鐘N個N個若計數時鐘頻率為若計數時鐘頻率為f，從發射脈沖瞬間觸發計數到接收，從發射脈沖瞬間觸發計數到接收脈沖瞬間停止計數，共有脈沖瞬間停止計數，共有N個計數脈沖，個計數脈沖，則傳播時間則傳播時間t為為fNt vtH21vtH21由由得得fvtvH22其中其中 t t計數脈沖周期計數脈沖周期

26、 f f計數脈沖頻率計數脈沖頻率 H H液位分辨率液位分辨率電磁波速度（即光速）電磁波速度（即光速） m/s， H1.5 mm 計數脈沖頻率計數脈沖頻率為為8103vGHzHzf1001011psst101011而當前集成電路的運算速度為幾十而當前集成電路的運算速度為幾十MHz，相差，相差幾個數量級，幾個數量級，必須另尋出路必須另尋出路！ 被測信號是周期為被測信號是周期為T的的周期性信號周期性信號，采樣周期采樣周期為為T+t，每周期只采一個，每周期只采一個瞬時值，瞬時值，等效采樣周期等效采樣周期為為t。周期性重復的高頻信號周期性重復的高頻信號均可采用此方法，降低采樣頻均可采用此方法，降低采樣頻

27、率。率。原理原理等效時間采樣法在時間量檢測中的應用等效時間采樣法在時間量檢測中的應用t（最小分辨時間）為（最小分辨時間）為發射發射與與采樣信號采樣信號周期差值，又稱周期差值，又稱等效采樣周期，只要滿足兩信號周期之差為等效采樣周期，只要滿足兩信號周期之差為t10ps。舉例：舉例：發射時鐘發射時鐘628.0000008 10fMHzHz2125000Tps采樣時鐘采樣時鐘618.0001568.000156 10fMHzHz相應的，相應的，1124997.6Tps0212.4tTTps前已述，分辨前已述，分辨H=1.5mm液位，等效采樣周期液位，等效采樣周期t10ps故，若實測距離故，若實測距離

28、hD6.182m第第n個采樣脈沖可測到反射波，求個采樣脈沖可測到反射波，求n？pstt6 .940pst6 . 9mhD182. 6psvhtDD3 .41213103182. 6228tntD05.42936 . 93 .41213ttnD若取若取n=4294，則發射接收，則發射接收4294次完成測量，次完成測量，用計數器計數用計數器計數n，即可測出，即可測出tD，進而求出，進而求出hD。mspst16. 242944125000需時需時2125000Tps1124997.6Tps驗驗 算算n=4293n=4293n=4294n=4294mvth9118. 6106 . 9429310321

29、21128mvth4318. 6106 . 942941032121128今測得今測得n=23654,n=23654,求求h:h:mvth062.34106 . 92365410321211287.5.4 連續波調頻法連續波調頻法調頻連續波調頻連續波接收到的信號接收到的信號頻率與發出的頻率與發出的信號頻率之差信號頻率之差stssTBkktkffTtT221210：調制斜率時當stssTBkktkffTtT221210：調制斜率時當stssTBkktkffTtT221210：調制斜率時當Rvth21kftdRtfrf時間差時間差RtdfdsSdRfBvTTBfvtvh422121液位高度液位高度

30、stssTBkktkffTtT221210：調制斜率時當7.5.4 連續波調頻法連續波調頻法ftfrf補充作業：補充作業：1、一臺脈沖式雷達液位計，發射脈沖信號周期為、一臺脈沖式雷達液位計，發射脈沖信號周期為499990ps,采樣脈沖信號周期為采樣脈沖信號周期為500000ps,采用等效時采用等效時間采樣法進行雷達脈沖回波測量，等效采樣周期為間采樣法進行雷達脈沖回波測量，等效采樣周期為多少？液位分辨率是多少？今用計數器記得第多少？液位分辨率是多少？今用計數器記得第13465個周期測得液位的反射波，問雷達液位計至液面距個周期測得液位的反射波，問雷達液位計至液面距離是多少？離是多少？伺服液位計 .伺服液位計.doc1.9中子料位計基本工作原理中子料位計基本工作原理 反向散射式中子料位計，或稱中子氫密度界面反向散射式中子料位計，或稱中子氫密度界面/料位計。它通過料位計。它通過對焦炭塔特定區域內物料含、密度的連續測量，給出塔內全部對焦炭塔特定區域內物料含、密度的連續測量，給出塔內全部物料狀態（油氣、泡沫