1、 熱工測熱工測 量技術量技術A 第第 5部分部分 物位測量物位測量 及儀表及儀表 第第 5 章章 概述、鍋爐汽包水位測量、其他物位測量等概述、鍋爐汽包水位測量、其他物位測量等v 5 物位測量物位測量 物位物位是指貯存容器或工業生產設備里的液位、粉位狀固體、是指貯存容器或工業生產設備里的液位、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，根據具體用途分為密度不同而形成的界面位置，根據具體用途分為液位、料位、液位、料位、界位界位傳感器或變送器。傳感器或變送器。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測

2、量量第第 5 部分部分 物位測量及儀表物位測量及儀表 5 物位測量物位測量 物位不僅是物料耗量或產量計量的參數，也是保證連續生物位不僅是物料耗量或產量計量的參數，也是保證連續生產和設備安全的重要參數。特別是現代大工業生產中，由于規產和設備安全的重要參數。特別是現代大工業生產中，由于規模大，速度快，且常用高溫、高壓、強腐蝕性或易燃易爆物料，模大，速度快，且常用高溫、高壓、強腐蝕性或易燃易爆物料，對于物位的監測和自動控制更是至關重要。對于物位的監測和自動控制更是至關重要。 各種物料的性質千差萬別，物位測量方法很多，所用儀表、各種物料的性質千差萬別，物位測量方法很多，所用儀表、傳感器、變送器也各有特

3、色。本章按測量的原理分為壓力式、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、電導式、及電感式、阻力式、聲波式、微波浮力式、電容式、電導式、及電感式、阻力式、聲波式、微波式及射線式等等加以介紹。式及射線式等等加以介紹。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 在工業生產過程中，液位往往是很重要的控制參數。對于一般儲液裝置內所儲存液體的多少對生產過程的影響是不可忽視的。比如火電生產過程中的鍋爐汽包內的水位就直接影響汽水系統循環的效果以及送出蒸汽的質量。 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中一定液柱高度的液體產生一定壓力的原理。液位

4、壓力轉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換為電阻、電容、電感等量值的變化 。4.聲波式 v 5.1 鍋爐汽包水位測量 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 火電生產過程中一般都是采用云母水位計、差壓水位計和電接點式水位計等測量汽包水位。 由于汽包內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的重量水位。所謂重量水位，即假想某一瞬時汽包出口與入口都封閉起來，汽側中的水回到水一側，水側中的汽回到汽一側，而且汽、水平靜下來時的水位。此時，在汽包水位測量基準線開一導壓口所引出的壓力與假想前運行狀態時在該導壓口處引出的壓力是相同的。

5、所引出壓力的變化代表了水位的變化。 5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計（1 1）云母水位計）云母水位計 云母水位計是鍋爐汽包一般都裝設的就地顯示水位表。它是一連通器，結構簡單，顯示直觀，如圖所示。 由于云母水位計溫度低于汽包內溫度，因此云母水位計的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。式中 汽包內飽和蒸汽密度； 汽包內飽和水密度； 云母水位計測量管內水柱的平均密度； 汽包內重量水位; 顯示值。 HHswsaswaHH 云母水位計的特點云母水位計的特點: 優點優點: 直接反映汽包水位直接反映汽包水位; 直觀、可靠直觀、可靠 缺點：缺點： 一般只能現場就地觀察；一般只能現場就地觀

6、察； 液位顯示不夠清晰，尤其是超出水位計可視范液位顯示不夠清晰，尤其是超出水位計可視范圍時，很難判斷是滿水還是缺水。圍時，很難判斷是滿水還是缺水。5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計 雙色水位計：雙色水位計： 結構：云母水位計上加以改進。結構：云母水位計上加以改進。 原理：雙色水位計是采用把普通光經濾光玻璃原理：雙色水位計是采用把普通光經濾光玻璃(紅、綠兩紅、綠兩種種)使紅光、綠光透過，再經被測液體或氣體折射，在光路上使紅光、綠光透過，再經被測液體或氣體折射，在光路上設置窗

7、口予以顯現，可測知光路上是液體或氣體。利用光從空設置窗口予以顯現，可測知光路上是液體或氣體。利用光從空氣進入蒸汽或水而產生不同的折射的原理，使蒸汽部分顯紅色，氣進入蒸汽或水而產生不同的折射的原理，使蒸汽部分顯紅色，水部分顯綠色。水部分顯綠色。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計 注意：注意： 用于高壓鍋爐上的水位計，為考慮其強度，窗口玻用于高壓鍋爐上的水位計，為考慮其強度，窗口玻璃不能做成長條形；而做成多窗式。其缺點是窗口之間有一段璃不能做成長條形；而做成多窗式。其缺點是窗口之間有一段水位指示的水位指示的“盲區盲區”。 為減小水

8、位計的溫降帶來的測量誤差，在水位計本為減小水位計的溫降帶來的測量誤差，在水位計本體內加裝了蒸汽加熱夾套。體內加裝了蒸汽加熱夾套。 為防止鍋爐壓力突降時，測量室中水柱沸騰而影響為防止鍋爐壓力突降時，測量室中水柱沸騰而影響測量，從安全方面考慮，測量室內的水柱溫度應有一定的過冷測量，從安全方面考慮，測量室內的水柱溫度應有一定的過冷度。度。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計 雙色水位計的電視遠傳：雙色水位計的電視遠傳： 即在雙色水位計的現場加裝一個電視攝像即在雙色水位計的現場加裝一個電視攝像裝置（攝像頭）則可實現水位信號的電視遠傳。裝

9、置（攝像頭）則可實現水位信號的電視遠傳。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計燈燈泡泡汽包汽包（蒸汽側）（蒸汽側）（飽和水側）（飽和水側）P毛毛玻玻璃璃紅紅玻玻璃璃綠綠玻玻璃璃電電視視攝攝像像頭頭12345 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.1 云母水位計、雙色水位計云母水位計、雙色水位計 上頁圖例說明上頁圖例說明: 1玻璃板（云母片）水位計玻璃板（云母片）水位計 2棱鏡棱鏡 3紅、綠玻璃（并列）紅、綠玻璃（并列） 4光源光源 5電視攝像頭電視攝像頭 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1 鍋爐汽包水位測

10、量鍋爐汽包水位測量 5.1.2 電接點水位計電接點水位計:汽包汽包（蒸汽側）（蒸汽側）（飽和水側）（飽和水側）P滅滅亮亮水位傳感器水位傳感器測量筒測量筒顯示部分顯示部分 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.2 電接點水位計電接點水位計 5.1.2.1 測量筒安裝位置剖面示意圖測量筒安裝位置剖面示意圖: 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.2 電接點水位計電接點水位計 5.1.2電接點水位計的組成：電接點水位計的組成： 由測量筒、水位傳感器、電氣顯示三部分所組成由測量筒、水位傳感器、電氣顯示三部分所組成5.1.2電接點水位計的工作原理：電接點水位計的工作原理： 利

11、用汽包內汽、水介質的電阻率相差極大的性質來測利用汽包內汽、水介質的電阻率相差極大的性質來測量汽包水位的。量汽包水位的。 被水淹的電接點所在電路處于低電阻（相當于開關閉被水淹的電接點所在電路處于低電阻（相當于開關閉合）。合）。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.2 電接點水位計電接點水位計 5.1.2電接點水位計的說明：電接點水位計的說明： 傳感器部分：傳感器部分： 電接點的數目以能監視水位的要求來確定，電接點的數目以能監視水位的要求來確定，目前多為目前多為15、17、19個為多，且接點之間的間距不是個為多，且接點之間的間距不是均勻的，分布在正常水位處要密一些。均勻的，分布在正

12、常水位處要密一些。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.2.4 電接點水位計的說明電接點水位計的說明 傳感器存在的誤差：傳感器存在的誤差： 測量筒溫度變化所引起的；測量筒溫度變化所引起的； 電接點之間的間距不均勻，導致指示信號不連續，產生電接點之間的間距不均勻，導致指示信號不連續，產生“盲區盲區”； 有可能產生有可能產生 “虛假虛假”水位。水位。 故電接點水位計的輸出信號不能作為調節器輸入信號。故電接點水位計的輸出信號不能作為調節器輸入信號。 顯示部分：顯示部分： 氖燈顯示；氖燈顯示； 發光二極管；發光二極管； 普通燈泡。普通燈泡。 適應于鍋爐汽包、凝汽器、工業水箱的水位測量。適

13、應于鍋爐汽包、凝汽器、工業水箱的水位測量。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1 鍋爐汽包水位測量鍋爐汽包水位測量5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 : 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 差壓式水位計是靜壓式液位測量儀表，在汽包水位、差壓式水位計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用。高加水位、除氧器水位測量中都能得到應用。水位水位差壓轉換原理差壓轉換原理 水位水位差壓轉換裝置又稱平衡容器，其結構形式差壓轉換裝置又稱平衡容器，其結構形式如圖所示，如圖所示，(a)為簡單平衡容器，為簡單平衡容器，(b)為雙室平衡容器，為雙室平衡容器，(c

14、)為結構補償式雙室平衡容器。為結構補償式雙室平衡容器。 5.1 鍋爐汽包水位測量鍋爐汽包水位測量5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 :汽包汽包(蒸汽側蒸汽側)s(飽和水側飽和水側)ws21H0HHL-+P（平衡容器）（平衡容器） 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 5.1.3.3 差壓式水位計（老式）的雙室平衡容器：差壓式水位計（老式）的雙室平衡容器： 結構：如上頁所示。結構：如上頁所示。5.1.3.1 差壓式水位計（老式）的組成差壓式水位計（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。由平衡容器、差壓變送器、顯示儀表三部分所組

15、成。5.1.3.2 差壓式水位計（老式）的工作原理：差壓式水位計（老式）的工作原理： 把液位高度變化轉換成差壓變化，其測量儀表就是差壓計，只要把液位高度變化轉換成差壓變化，其測量儀表就是差壓計，只要確保水位與差壓之間的準確轉換，就能精確測出其水位的高低。此種轉換確保水位與差壓之間的準確轉換，就能精確測出其水位的高低。此種轉換是通過平衡容器而達到（實現）的。是通過平衡容器而達到（實現）的。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.3.3 差壓式水位計（老式）的雙室平衡容器差壓式水位計（老式）的雙室平衡容器 工作原理（工作過程）：工作原理（工作過程）： 因正壓頭液位高低保持一致（高溢出，

16、低冷凝水補充）；而負壓頭是隨因正壓頭液位高低保持一致（高溢出，低冷凝水補充）；而負壓頭是隨汽包水位變化而變化，因而負壓頭壓力變化就直接反映了汽包水位的變化。汽包水位變化而變化，因而負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：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；平衡容器中水溫變化造成重度變化，使指示值不準； 汽包壓力變化時，同樣造成蒸汽和水的重度隨之變化，使指示值不準；汽包壓力變化時，同樣造成蒸汽和水的重度隨之變化，使指示值不準； 汽包水位的高低，平衡容器結構尺寸的大小，也直接影響指示值的誤差。汽包水位的高低，平衡容器結構尺寸的大小，也直接影響指示值的

17、誤差。 解決的措施：解決的措施： 改進平衡容器的結構和尺寸；改進平衡容器的結構和尺寸； 采用汽包壓力補償措施等。采用汽包壓力補償措施等。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 5.1.3.4 差壓式水位計（新式，改進型）的結構差壓式水位計（新式，改進型）的結構： 同樣由平衡容器、差壓變送器、顯示儀表三部分所組成。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（新式，改進型）的差壓式水位計（新式，改進型）的工作原理工作原理 改進：改進： 加大正壓容器的面積；加大正壓容器的面積； 保持正壓容器水位恒定；保持正壓容器水位恒

18、定； 用蒸汽加熱正壓容器的水溫等于汽包中飽和溫度值；用蒸汽加熱正壓容器的水溫等于汽包中飽和溫度值； 凝結下來的多余的水定期排入下降管，并保持泄水管與下凝結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到平衡容器內無多余的水而下降管又不被抽干（即泄降管相接處的高度達到平衡容器內無多余的水而下降管又不被抽干（即泄水管內保持一定高度的的水）。水管內保持一定高度的的水）。 為保證壓力引出管的垂直部分中水的重度等于環境溫度下為保證壓力引出管的垂直部分中水的重度等于環境溫度下水的重度，必須保證壓力引出管的水平距離要足夠長。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。但仍

19、有誤差。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 5.1.3.6 差壓式水位計（新式，改進型）差壓式水位計（新式，改進型） 平衡容器的結構平衡容器的結構 :汽包汽包sw(飽和水側飽和水側)(蒸汽側蒸汽側)泄水管泄水管下下降降管管SSlLs凝結水漏盤凝結水漏盤wHH0a引出管引出管P-P+送差壓變送器送差壓變送器P 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 5.1.3.7 差壓式水位計（新式，改進型）差壓式水位計（新式，改進型） 平衡容器的結構改變后的特點：平衡容器的結構改變后的特點： 為使正壓管中的水位始終恒定，加

20、大了正壓容器的截面積；并在其上為使正壓管中的水位始終恒定，加大了正壓容器的截面積；并在其上安裝凝結水漏盤，使更多的凝結水不斷流入正壓容器，其多余的水不斷溢安裝凝結水漏盤，使更多的凝結水不斷流入正壓容器，其多余的水不斷溢出。出。 用蒸汽加熱的方法使正壓容器中的水溫等于飽和溫度。用蒸汽加熱的方法使正壓容器中的水溫等于飽和溫度。 多余的蒸汽凝結水由瀉水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽多余的蒸汽凝結水由瀉水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽凝結水，又不能使下降管抽空，瀉水管中應始終保持一定高度的蒸汽凝結凝結水，又不能使下降管抽空，瀉水管中應始終保持一定高度的蒸汽凝結水。水。 為保證壓力引出管

21、的垂直部分水的密度等于環境溫度下水的密度，壓為保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環境溫度下水的密度，壓力引出管的水平距離力引出管的水平距離 S 應盡可能長。應盡可能長。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計5.1.3.8 汽包水位信號的壓力校正：汽包水位信號的壓力校正：平衡容器與平衡容器與差壓變送器差壓變送器壓壓 力力變變 送送 器器/F1（x）F2（x）（即校正后的結果）（即校正后的結果）K5-K6pHP-pK5-K6p- pK1-K2pPKKppKK2165函數發生器函數發生器加法器加法器除法器除法器 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量

22、5.1.3 差壓式水位計差壓式水位計 5.1.3.9 帶微處理器的鍋爐汽包水位計帶微處理器的鍋爐汽包水位計swavSHamL差壓差壓變送器變送器-+壓力壓力變送器變送器溫度溫度變送器變送器智能鍋爐汽包水位計智能鍋爐汽包水位計冷凝器冷凝器 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.3.10 帶微處理器的鍋爐汽包水位計分析帶微處理器的鍋爐汽包水位計分析5.1差壓式水位計差壓式水位計 設差壓信號為設差壓信號為 p，則有：則有： p = p+ - p- = （L - m）a g + mav g - H w g -（L - H） s g 若有若有 H = H0 + H， H0 為零水位，則上式

23、可寫成：為零水位，則上式可寫成： 0)(HggpgLgmgmLHswsava 式中：式中： s 飽和蒸汽密度；飽和蒸汽密度； w 飽和水密度；飽和水密度； a 環境溫度下導壓管中水的密度；環境溫度下導壓管中水的密度； av 冷凝器中水的平均密度。冷凝器中水的平均密度。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.3.10 帶微處理器的鍋爐汽包水位計分析帶微處理器的鍋爐汽包水位計分析 由上頁式可見，汽包水位不僅與差壓由上頁式可見，汽包水位不僅與差壓 p 有關；有關；而且與而且與 w 、 s 、 a 和和 av 有關；也就是與汽包壓力和有關；也就是與汽包壓力和環境溫度有關。環境溫度有關。

24、s 和（和（ w - s ）是汽包壓力的函數。）是汽包壓力的函數。 根據溫度、壓力、差壓變送器送入的信號，就根據溫度、壓力、差壓變送器送入的信號，就可以算得比較準確的水位可以算得比較準確的水位 H 值。值。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.1.3.11 帶微處理器的鍋爐汽包水位計硬件框圖：帶微處理器的鍋爐汽包水位計硬件框圖： 圖圖 智能鍋爐汽包水位計硬件框圖智能鍋爐汽包水位計硬件框圖5.1差壓式水位計差壓式水位計 時鐘時鐘LED顯示接口顯示接口D/A報警接點報警接點輸出輸出A/D多路多路開關開關單片機單片機自復位自復位存儲器存儲器譯碼譯碼ROMRAM停電停電保護保護壓力變送器壓

25、力變送器溫度變送器溫度變送器控制總線控制總線差壓變送器差壓變送器地址總線地址總線數據總線數據總線 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量物位測量中幾個問題：物位測量中幾個問題： 流動性好的液體，液位是水平的，一般液位計只對安流動性好的液體，液位是水平的，一般液位計只對安裝高度要求，可以在同一高度上選擇任何安裝地點。裝高度要求，可以在同一高度上選擇任何安裝地點。 流動性差的粉粒體物料，料面就不是水平的，應將料流動性差的粉粒體物料，料面就不是水平的，應將料位計安裝在距容器內壁位計安裝在距容器內壁1/3半徑處。半徑處。 物位測量的另一個普遍性問題是盲區。物位測量的另一個普遍性問題是盲區。 有時容

26、器的幾何形狀和傳感器安裝位置配合不當會出有時容器的幾何形狀和傳感器安裝位置配合不當會出現死角。現死角。 粉粒體料位還有滯留區。粉粒體料位還有滯留區。 物位測量可用于計算物料儲量。物位測量可用于計算物料儲量。 接觸法測物位的儀表應考慮防腐蝕和滲漏。接觸法測物位的儀表應考慮防腐蝕和滲漏。5.1 概述概述 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量v 5.2 壓力式液位變送器壓力式液位變送器 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，且能輸出標準氣壓信號或電流信號。標準氣壓信號或電流信號。5.2.1 單法蘭及雙法蘭單法蘭及雙法蘭 對于上端與大氣相通的

27、開口容器，可以在底部接壓力表，對于上端與大氣相通的開口容器，可以在底部接壓力表，根據液柱下端壓力得到液位，參見教材。根據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法蘭將管路連接，故稱由于容器和壓力表間只需一個法蘭將管路連接，故稱“單單法蘭液位計法蘭液位計”。 對于上端和大氣隔絕的閉口容器，多半其上部空間與大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，用兩個法蘭分別將液相氣壓力不等，必須采用教材中的方式，用兩個法蘭分別將液相和氣相壓力導至差壓變送器，利用和氣相壓力導至差壓變送器，利用P1和和P2之差反映液位，這就之差反映液位，這就叫做叫做“

28、雙法蘭液位計雙法蘭液位計”。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.2.2 吹氣法吹氣法 5.2 壓力式液位變送器壓力式液位變送器 開口容器里的液位，可由極簡單開口容器里的液位，可由極簡單實用的方法轉變為標準氣壓信號，即實用的方法轉變為標準氣壓信號，即所謂的吹氣法。所謂的吹氣法。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量v 5.3 浮力式液位傳感器及變送器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用廣泛，靠浮子隨利用液體浮力測液位的原理應用廣泛，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

29、位的屬于變浮力方式。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 恒浮力式恒浮力式 水塔里的水位常用教材中所示的方法指示。水塔里的水位常用教材中所示的方法指示。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量101002l3l1l33圖圖 浮子重錘液位計浮子重錘液位計5.3 浮力式液位傳感器及變送器浮力式液位傳感器及變送器 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 極限情況就是整個貯罐上全被浮子所掩蓋極限情況就是整個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，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，將油品與空氣空的大活塞，漂浮在油面上，將油品

30、與空氣隔絕，有效地防止了揮發。隔絕，有效地防止了揮發。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 近來中小容器和設備常用磁浮子舌簧管液位變送器近來中小容器和設備常用磁浮子舌簧管液位變送器。 如果只需求液位越限報警，不必提供液位值，在豎管里只如果只需求液位越限報警，不必提供液位值，在豎管里只需裝兩個舌簧管，其中的需裝兩個舌簧管，其中的2裝在上限液位處，裝在上限液位處，3則在下限處，分則在下限處，分別引出導線，接至報警或位式控制電路。別引出導線，接至報警或位式控制電路。 就地指示用的磁浮子液位計，為了便于觀察，常按教材中就地指示用的磁浮子液位計，為了便于觀察，常按教材中所敘的原理顯示。有磁翻板液

31、位計和磁滾柱液位計。所敘的原理顯示。有磁翻板液位計和磁滾柱液位計。 在恒浮力式連續測量液位的各種方法中，以伺服型浮子液在恒浮力式連續測量液位的各種方法中，以伺服型浮子液位計精確度最高。位計精確度最高。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.3.2 變浮力式變浮力式 變浮力式液位計俗稱變浮力式液位計俗稱“浮筒浮筒”液位計，其原理如下圖所示。液位計，其原理如下圖所示。圖圖 變浮力式液位計變浮力式液位計DHL 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 用變浮力法構成位式構成位式傳感器也很容易，可參看下圖所示用變浮力法構成位式構成位式傳感器也很容易，可參看下圖所示 。圖圖 位式變浮力液位傳感

32、器位式變浮力液位傳感器FG2G12134ABC 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量v 5.4 電容式物位傳感器及變送器電容式物位傳感器及變送器 利用物料介電常數恒定時極間電容正比于物位的原理，可構成電容式利用物料介電常數恒定時極間電容正比于物位的原理，可構成電容式物位傳感器。特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常物位傳感器。特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，且需用高頻電路。數與空氣介電常數差別大，且需用高頻電路。5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 結構：結構：電極的結構見下頁圖所示。圖（電極的結構見下頁圖所示。圖（a

33、）適用于導電容器中的絕）適用于導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，其間構成的電容極，其間構成的電容CX與物位成比例。也可懸掛帶重錘的軟導線作為電與物位成比例。也可懸掛帶重錘的軟導線作為電極。極。 圖（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）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。料為絕緣性的。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量CXH0HL（a）CX（b）CX（c）圖圖 電容物位傳感器的電極電容物位傳感器的電極5.4.1 電極結構及工

34、作原理電極結構及工作原理 上頁圖（上頁圖（c）用于導電性物料，其形狀和位置和圖（）用于導電性物料，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。一樣，但中央圓棒電極上保有絕緣材料。 工作原理：以圖（工作原理：以圖（a）為例，設導電容器直徑為）為例，設導電容器直徑為D，中央，中央電極直徑為電極直徑為d，上部空氣的介電常數為，上部空氣的介電常數為1，下部液體的介電，下部液體的介電常數為常數為2，電極總長為，電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為，浸沒在液體中的長度為HL，則根，則根據同心圓筒狀電容的公式可寫出氣體部分的電容為：據同心圓筒狀電容的公式可寫出氣體部分的電容為：dDHHCLln

35、)(2011 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理液位部分的電容為：液位部分的電容為：dDHCLln222 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量忽略雜散電容及端部邊界效應后，兩電極間總電容為：忽略雜散電容及端部邊界效應后，兩電極間總電容為：5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理LLXHdDCHHdDCCC)(ln2)(ln2120120121 式中式中C0為初始電容，可在空倉時測出。有物料時電容為初始電容，可在空倉時測出。有物料時電容C與與物位物位HL成線形關系。成線形關系。 為了提高敏度，希望為了提高敏度，希望HL前的系數

36、盡量大，除取決于被測介前的系數盡量大，除取決于被測介質外，在電極結構上應力圖使用大直徑的中央電極，質外，在電極結構上應力圖使用大直徑的中央電極，d接近于接近于D則系數的分母小，靈敏度高。但實際上采用圖（則系數的分母小，靈敏度高。但實際上采用圖（a）結構不可）結構不可能使能使d大到接近于大到接近于D的程度，可以把電極裝在另一個直徑小的豎的程度，可以把電極裝在另一個直徑小的豎管里，再用圖（管里，再用圖（b）的形式與被測容器連通。或者采用圖（）的形式與被測容器連通。或者采用圖（c）的結構。的結構。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 當然，這兩

37、種辦法都只適合于流動性好的液體，對于粉粒當然，這兩種辦法都只適合于流動性好的液體，對于粉粒或稍有粘性的液體，如果提高靈敏度，可將中央電極稍偏向一或稍有粘性的液體，如果提高靈敏度，可將中央電極稍偏向一側器壁，但切勿過分靠近，因為太靠近壁面時稍有彎曲或移動側器壁，但切勿過分靠近，因為太靠近壁面時稍有彎曲或移動會引起靈敏度劇烈變動。若電極偏離容器軸線后的靈敏度用會引起靈敏度劇烈變動。若電極偏離容器軸線后的靈敏度用 K 表示，它與偏移量表示，它與偏移量 b有下列關系：有下列關系： 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量RrbRkK22ln5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 將上式關系

38、用曲線表示，則如教材中圖將上式關系用曲線表示，則如教材中圖 所示。電極接近容所示。電極接近容器壁，靈敏度很高，但曲線斜率大，讀數不易穩定。器壁，靈敏度很高，但曲線斜率大，讀數不易穩定。bD/2K圖圖 電極偏心特性曲線電極偏心特性曲線 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝，則可用教材中電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝，則可用教材中圖圖表示。圖（表示。圖（a）為結構示意，圖（）為結構示意，圖（b）為等效電路。等效電路）為等效電路。等效電路中的中的C1代表與物位無關的雜散電容；代表與物位無關的雜散電容；C2代

39、表液面以上以絕緣代表液面以上以絕緣層為電介質的電容，其值為層為電介質的電容，其值為：dDHHCL1012ln2 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 圖中圖中C3代表液面以上介質（測界位時是輕液）為電介質的代表液面以上介質（測界位時是輕液）為電介質的電容，其值為電容，其值為:1033ln2DDHHCL 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理CX(a)dD1DHLH0132CXC1C2C3C4C5(b)圖圖 有絕緣層電極及其等效電路有絕緣層電極及其等效電路 第第 5 5 章章 物物 位位 測

40、測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理圖中圖中C4為液面以下以絕緣層為電介質的電容，其值為為液面以下以絕緣層為電介質的電容，其值為dDHCL114ln2圖中圖中C5為液面以下以被測液體為電介質的電容，其值為為液面以下以被測液體為電介質的電容，其值為125ln2DDHCL 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 以上各式中的符號含義可參看圖（以上各式中的符號含義可參看圖（a）。根據圖中關系不難）。根據圖中關系不難看出，看出，C2與與C3是串聯關系，是串聯關系，C4與與C5也是串聯關系，以上兩串聯也是串聯關系，以上兩串聯電路又與

41、電路又與C1三者并聯，故得三者并聯，故得 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理LXHdDDDdDDDDDdDDDHCCCCCCCCCCC121113111322113110311545432321lnlnlnlnln)(2lnln2（5.22） 對于確定的介質而言，上式中等號右邊第一和第二項皆對于確定的介質而言，上式中等號右邊第一和第二項皆為常數，可看作不變的初始電容。第三項可認為是靈敏度為常數，可看作不變的初始電容。第三項可認為是靈敏度K與與HL之乘積。若容器下部為導電液體，之乘積。若容器下部為導電液體，C5=0，上式變為，上式變為 第第

42、 5 5 章章 物物 位位 測測 量量LXHdDdDDDDDdDDDHCC131112113110311lnlnlnln2lnln2（5.23） 將式（將式（5.22）與式（）與式（5.23）比較，等號右的前兩項完全一）比較，等號右的前兩項完全一樣，但第三項樣，但第三項HL的系數不同。測導電介質時，靈敏度高。的系數不同。測導電介質時，靈敏度高。5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 測兩種液體間的界位時，如均為不導電液體，可用裸露測兩種液體間的界位時，如均為不導電液體，可用裸露電極。如其中一種（只限一種）為導電液體，就必須用包絕電極。如其中一種（只限一種）為導電液體，就必須用包絕緣層

43、的電極。但無論用式（緣層的電極。但無論用式（5.20）或式（）或式（5.22）都可看出，不）都可看出，不導電介質的界位測量靈敏度與兩種液體的介電常數之差成正導電介質的界位測量靈敏度與兩種液體的介電常數之差成正比，這和浮力法要求的密度差大相對應。如果兩種液體密度比，這和浮力法要求的密度差大相對應。如果兩種液體密度相近而介電常數差別大，電容法便可大顯身手。上節提到重相近而介電常數差別大，電容法便可大顯身手。上節提到重油與水密度相差無幾，但水有導電性，可利用有絕緣層的電油與水密度相差無幾，但水有導電性，可利用有絕緣層的電極，有式（極，有式（5.23）計算。）計算。 第第 5 5 章章 物物 位位 測

44、測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 電容法也用于粉粒體料位測量，但應注意物料中含水分時電容法也用于粉粒體料位測量，但應注意物料中含水分時將對測量結果影響很大。例如干燥的土壤介電常數約為將對測量結果影響很大。例如干燥的土壤介電常數約為1.9，含水含水19時達到時達到8，何況水分還會造成漏電。即使采用絕緣層，何況水分還會造成漏電。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。含量恒定不變的粉粒體。 稍有粘著性的不導電液體仍可用裸露電極，若粘性液體有稍有粘著性的不導電液體仍可用裸露

45、電極，若粘性液體有導電性，即使采用絕緣電極也不能工作，因為黏附在電極上的導電性，即使采用絕緣電極也不能工作，因為黏附在電極上的導電液不脫落會造成虛假液位。這種情況下只能借助隔離膜將導電液不脫落會造成虛假液位。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。壓力傳到非粘性液體上，再用電容法測量。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4.1 電極結構及工作原理電極結構及工作原理 5.4.2 位式作用傳感器電路位式作用傳感器電路 用電容法構成物位開關，可用于液位或料位報警或位式用電容法構成物位開關，可用于液位或料位報警或位式調節系統，這種應用方式下，不要求電容與物位成正比，

46、只希調節系統，這種應用方式下，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。平板形電極。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4 電容式物位傳感器及變送器電容式物位傳感器及變送器 5.4.2 位式作用傳感器電路位式作用傳感器電路 所用電路有起振停振型及連續振蕩型兩類。前者靠物位所所用電路有起振停振型及連續振蕩型兩類。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動繼電

47、器或電橋的輸出信號判斷物位。兩者都通過功率放大驅動繼電器或無觸點開關器件的狀態得到通斷信號。無觸點開關器件的狀態得到通斷信號。 在教材圖中，用縱坐標表示引起輸出開關狀態在教材圖中，用縱坐標表示引起輸出開關狀態變化所需電容的改變量變化所需電容的改變量CX，橫坐標表示物料中水分導致漏，橫坐標表示物料中水分導致漏電阻引起開關狀態改變所需的電阻引起開關狀態改變所需的RX。兩個因素都對輸出狀態。兩個因素都對輸出狀態有影響，共同構成圖中曲線。有影響，共同構成圖中曲線。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量103 104 105 106 107Rx（）10 0Cx（pF）1122圖圖 測電阻對切換的影

48、響測電阻對切換的影響 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.4.2 位式作用傳感器電路位式作用傳感器電路 兩種曲線的對應電路如兩種曲線的對應電路如 圖。圖（圖。圖（a）為交流電橋式電路，）為交流電橋式電路，相當于曲線相當于曲線2的特性。圖（的特性。圖（b）為起振停振型電路。是曲線）為起振停振型電路。是曲線1的的特性。特性。C0R0CXRXU0圖圖 兩種位式傳感器電路（兩種位式傳感器電路（a） 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.4.2 位式作用傳感器電路位式作用傳感器電路L1C1CxRxC3L2C2圖圖 兩種位式傳感器（兩種位式傳感器（b） 第第 5 5 章章 物物 位位

49、 測測 量量 5.4.2 位式作用傳感器電路位式作用傳感器電路 料位變送器的電容傳感器電路，多為環形二極管電橋式，其工作原理如 圖圖（a）所示。實用電路是圖（b）所示的改進型。5.4.3 連續作用傳感器電路連續作用傳感器電路 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.4 電容式物位傳感器及變送器電容式物位傳感器及變送器ABCDD1D2D3D4CmC0mAt1t2U2U1圖圖 環行二極管電橋環行二極管電橋(a) 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.4.3 連續作用傳感器電路連續作用傳感器電路圖圖 環行二極管電橋環行二極管電橋(b)ABCDD1D2D3D4CmC0mACSCXL1C

50、d 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.4.3 連續作用傳感器電路連續作用傳感器電路v 5.5 電導式及電感式物位傳感器電導式及電感式物位傳感器 對于導電性液體用電導式液位傳感器更為簡單易行，尤其是輸出開關信號的位式傳感器，精確度和可靠性都比較高。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量（a）ABC（b）AB圖圖 電導式液位傳感器電導式液位傳感器5.5.1 電接點液位傳感器電接點液位傳感器 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量AB(C)圖圖 電導式液位傳感器電導式液位傳感器 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.5.1 電接點液位傳感器電接點液位傳感器5.5.2

51、簡易連續指示液位計簡易連續指示液位計 若液體導電性強，可采用教材中圖（若液體導電性強，可采用教材中圖（c） 方式。圖中左側方式。圖中左側為分段電阻法，使為分段電阻法，使AB間的阻值近似反比于液位。右側為氖燈間的阻值近似反比于液位。右側為氖燈顯示法，液位越高發光的氖燈越多。顯示法，液位越高發光的氖燈越多。 要注意的是，液體的電阻應遠小于器壁漏電阻。要注意的是，液體的電阻應遠小于器壁漏電阻。5.5.3 跟蹤式液位變送器跟蹤式液位變送器5.5.4 超導液位變送器超導液位變送器5.5.5 電感式液位傳感器電感式液位傳感器 （留給同學們自己自學。）（留給同學們自己自學。） 第第 5 5 章章 物物 位位

52、 測測 量量 5.5 電導式及電感式物位傳感器電導式及電感式物位傳感器v 5.6 阻力式料位傳感器及變送器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械運動所呈現的阻擋力。粉此處所稱的阻力是指物料對機械運動所呈現的阻擋力。粉末顆粒狀物料比液態物質流動性差，對運動物體有明顯的阻力，末顆粒狀物料比液態物質流動性差，對運動物體有明顯的阻力，利用這一特點可構成各種料位傳感器或變送器。利用這一特點可構成各種料位傳感器或變送器。5.6.1 重錘探索法重錘探索法5.6.2 旋槳或推板法旋槳或推板法 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量5.6 阻力式料位傳感器及變送器阻力式料位傳感器及變送器5.

53、6.3 音叉法音叉法 根據物料對振動中的音叉有無阻力探知料位是否達到或超根據物料對振動中的音叉有無阻力探知料位是否達到或超過某高度，并發出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運過某高度，并發出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，機械結構簡單，靈敏而可靠。動，驅動功率小，機械結構簡單，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，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。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。由于周圍空氣對振動的阻尼微弱，金屬內部的能量損耗又很少，由于周圍空氣對振

54、動的阻尼微弱，金屬內部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅動功率就能維持較強的振動。所以只需微小的驅動功率就能維持較強的振動。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 當粉粒體物料觸及叉體之后，能量消耗在物料顆粒間的摩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。擦上，迫使振幅急劇衰減而停振。 為了給音叉提供交變的驅動力，利用放大電路對壓電元件為了給音叉提供交變的驅動力，利用放大電路對壓電元件施加交變電場，靠逆壓電效應產生機械力作用在叉體上。用另施加交變電場，靠逆壓電效應產生機械力作用在叉體上。用另外一組壓電元件的正壓電效應檢測振動，它把振動力轉變為微外一組

55、壓電元件的正壓電效應檢測振動，它把振動力轉變為微弱的交變電信號。再由電子放大器和移相電路，把檢測元件的弱的交變電信號。再由電子放大器和移相電路，把檢測元件的信號放大，經過移相，施加到驅動元件上去，構成閉環振蕩器。信號放大，經過移相，施加到驅動元件上去，構成閉環振蕩器。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法在這個閉環中，既有機械能也有電能，叉體是其中的一個環節，在這個閉環中，既有機械能也有電能，叉體是其中的一個環節，倘若受到物料阻尼難以振動，正反饋的幅值和相位都將明顯地倘若受到物料阻尼難以振動，正反饋的幅值和相位都將明顯地改變，破壞了振蕩條件，就會停振。只要在放大

56、電路的輸出端改變，破壞了振蕩條件，就會停振。只要在放大電路的輸出端接以適當的器件，不難得到開關信號。接以適當的器件，不難得到開關信號。 音叉料位開關的方框圖如教材圖中音叉料位開關的方框圖如教材圖中 。為了保護壓電元件。為了保護壓電元件免受物料損傷和粉塵污染，將驅動和檢振元件裝載叉體內部，免受物料損傷和粉塵污染，將驅動和檢振元件裝載叉體內部，經過金屬膜片傳遞振動經過金屬膜片傳遞振動 。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法料位料位圖圖 音叉料位開關原理框圖音叉料位開關原理框圖 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法檢振元件檢振元件前置

57、放大前置放大濾波濾波移相移相電壓放大電壓放大檢波檢波功率放大功率放大晶體管晶體管音叉音叉驅動元件驅動元件檢振元件驅動元件引線壓板膜片叉股圖圖 壓電音叉的叉體壓電音叉的叉體 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法 放大電路可由集成電路放大電路可由集成電路LM324構成，見教材圖示構成，見教材圖示 。圖。圖中中A1擔任前置放大，擔任前置放大，A2為低通濾波，為低通濾波，A3為移相電路，為移相電路，A4為電為電壓放大，圖中壓放大，圖中PZT2為驅動元件，為驅動元件，PZT1為檢振元件。各電路元為檢振元件。各電路元件的參數一般按照固有頻率為件的參數一般按照固有頻率為300

58、Hz的叉體設計。的叉體設計。 如果僅僅需要就地燈光顯示，用作上限報警，圖中的如果僅僅需要就地燈光顯示，用作上限報警，圖中的 D4可用紅色發光管，可用紅色發光管， D3則用綠色發光管，料位過高而停振時，則用綠色發光管，料位過高而停振時， D4亮而亮而D3滅，料位正常叉體振蕩時滅，料位正常叉體振蕩時D3亮，亮， D4滅。用作下限報滅。用作下限報警時，可將警時，可將D3， D4接法互換。這種情況下，圖中的接法互換。這種情況下，圖中的SSR及及RL不裝，只裝發光管不裝，只裝發光管D4 。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法 如需控制閘門或如需控制閘門或 出料機械設備在

59、料位過高時自動排放，出料機械設備在料位過高時自動排放，可在可在 圖中用固態繼電器圖中用固態繼電器SSR代替代替D4 。SSR是有光電隔離的雙是有光電隔離的雙向晶閘管，它可以使交流電路通斷，由于是無觸點的，比繼向晶閘管，它可以使交流電路通斷，由于是無觸點的，比繼電器或接觸器可靠。電器或接觸器可靠。 如需控制進料設備在料位過低時自動灌入，可將如需控制進料設備在料位過低時自動灌入，可將SSR代代替替D3接在晶體管接在晶體管T的發射極電路里。的發射極電路里。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法 與與SSR相連的相連的RL代表被控制的交流設備，也就是代表被控制的交流設備

60、，也就是SSR的負的負載。載。 音叉料位開關的叉體不一定裝載容器壁上，也可以從頂音叉料位開關的叉體不一定裝載容器壁上，也可以從頂部伸入，根據所需控制的料位決定伸入長度。部伸入，根據所需控制的料位決定伸入長度。 叉體的制造和裝配良好時，音叉也可用于液位測量或控叉體的制造和裝配良好時，音叉也可用于液位測量或控制，但不適合過分粘稠的將料。制，但不適合過分粘稠的將料。 與音叉原理相近的有振動棒及振動片式料位開關，也有與音叉原理相近的有振動棒及振動片式料位開關，也有三股差式料位開關。三股差式料位開關。 第第 5 5 章章 物物 位位 測測 量量 5.6.3 音叉法音叉法v 5.7 超聲式物位傳感器超聲式