第三章-物位測量第一頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表65一、概論幾個概念液位料位液位計界位計測量物位的目的按其工作原理分為直讀式物位儀表差壓式物位儀表浮力式物位儀表電磁式物位儀表核輻射式物位儀表聲波式物位儀表光學式物位儀表2第二頁，共61頁。一、定義及檢測方法分類物位的定義：“物位”一詞統(tǒng)指設備和容器中液體或固體物料的表面位置。對應不同性質(zhì)的物料又有以下的定義。1、液位指設備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。2、料位指設備和容器中所儲存的塊狀、顆粒或粉末狀固體物料的堆積高度。3、界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液-液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置簡稱界位。3第三頁，共61頁。一、定義及檢測方法分類物位的定義：物位是液位、料位、界位的總稱。對物位進行測量、指示和控制的儀表，稱物位檢測儀表。4第四頁，共61頁。物位測量的意義及目的正確測得容器中儲藏物質(zhì)的容量或重量；監(jiān)視或控制容器內(nèi)的介質(zhì)物位，使它保持在一定的工藝要求的高度，或?qū)λ纳稀⑾孪尬恢眠M行報警，以及根據(jù)物位來連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器中流入與流出物料的平衡。所以，一般測量物位有兩種目的：(1)一種是對物位測量的絕對值要求非常準確，借以確定容器或儲存庫中的原料、輔料、半成品或成品的數(shù)量；(2)另一種是對物位測量的相對值要求非常準確，要能迅速正確反映某一特定水準面上的物料相對變化，用以連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程，即利用物位儀表進行監(jiān)視和控制。5第五頁，共61頁。一、定義及檢測方法分類物位檢測儀表的分類：由于被測對象種類繁多，檢測的條件和環(huán)境也有很大差別，所以物位檢測的方法有多種多樣，以滿足不同生產(chǎn)過程的測量要求。物位檢測儀表按測量方式可分為連續(xù)測量和定點測量兩大類。連續(xù)測量方式能持續(xù)測量物位的變化。定點測量方式則只檢測物位是否達到上限、下限或某個特定位置，定點測量儀表一般稱為物位開關(guān)。按工作原理分類，物位檢測儀表有直讀式、靜壓式、浮力式、機械式、電氣式等。6第六頁，共61頁。一、定義及檢測方法分類（1）直讀式物位儀表采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。方法可靠、準確，但是只能就地指示。主要用于液位檢測和壓力較低的場合。（2）差壓式物位儀表基于流體靜力學原理，適用于液位檢測。容器內(nèi)的液面高度與液柱重量所形成的靜壓力成比例關(guān)系，當被測介質(zhì)密度不變時，通過測量參考點的壓力可測知液位。這類儀表有壓力式和差壓式等型式。7第七頁，共61頁。4.1常用物位檢測儀表利用靜壓原理測量液位：1、工作原理靜壓式液位計是根據(jù)液體在容器內(nèi)的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理進行工作的。將壓力計與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學原理，所測壓力與液位的關(guān)系為：

舉例說明8第八頁，共61頁。3.1常用物位檢測儀表舉例說明9第九頁，共61頁。（3）浮力式物位儀表其工作原理基于阿基米德定律，適用于液位檢測。漂浮于液面上的浮子或浸沒在液體中的浮筒，在液面變動時其浮力會產(chǎn)生相應的變化，從而可以檢測液位。這類儀表有各種浮力式液位計、浮筒式液位計等。浮力式液位計：

浮力式液位計有兩類：

恒浮力式：在測量過程中浮力維持不變的，如浮標、浮球等液位計.

變浮力式：根據(jù)浮筒在液體內(nèi)浸沒的程度不同、所受的浮力不同來測定液位的高低.10第十頁，共61頁。（4）電磁式物位儀表將電氣式物位敏感元件置于被測介質(zhì)中，當物位變化時其電氣參數(shù)如電阻、電容等也將改變，通過檢測這些電量的變化可知物位。 （5）輻射式物位儀表輻射式物位儀表是根據(jù)被測物質(zhì)對放射線的吸收、散射等特性而設計制造的。（6）聲波式物位儀表（7）光學式物位儀表11第十一頁，共61頁。12第十二頁，共61頁。3.1常用物位檢測儀表恒浮力法測量液位的原理：3、浮力式物位儀表13第十三頁，共61頁。3.1常用物位檢測儀表平衡時：浮標的重量-浮力=平衡物的重量。即:W-F=G當液位上升時：浮標浸沒部分增加，浮力增大，W-F<G,浮標上升，浮力下降，使W-F=G浮標的位置就反映了物位的高度。3、浮力式物位儀表14第十四頁，共61頁。3.2常用物位檢測儀表變浮力法測量物位的原理：設浮筒重為W，浮筒在某一位置時彈簧的伸長量為X,彈簧系數(shù)為C，A為浮筒的截面積，則：彈簧的伸長量通過變壓器的鐵心被轉(zhuǎn)化為電壓的變化量，采用差動連接可提高靈敏度。3、浮力式物位儀表15第十五頁，共61頁。3.1常用物位檢測儀表3、浮力式物位儀表16第十六頁，共61頁。17第十七頁，共61頁。（6）聲波式物位儀表利用聲波在空氣中傳播速度不變的原理，通過檢測聲波發(fā)射和反射全過程的時間間隔可以計算出物料界面到探頭的距離，從而得到物位的高低。注意事項：確保反射波能回到探頭；防止物料對聲波的吸收（如表面泡沫漂浮）。18第十八頁，共61頁。：無可動部件，換能器的振幅小，壽命長，可實現(xiàn)非接觸式測量；不受介質(zhì)粘度的影響，并與介質(zhì)的介電常數(shù)、電導率、熱導率等無關(guān)；適合強腐蝕、高壓、有毒、高粘度液體的測量；不適宜被測液體中有氣泡和懸浮物，而且液面不能有很大的波動；測量精度受聲速的影響（聲速受溫度影響）。（6）聲波物位儀表的特點19第十九頁，共61頁。表3-5物位儀表的分類和主要特征20第二十頁，共61頁。表3-5物位儀表的分類和主要特征續(xù)21第二十一頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表二、差壓式液位變送器1.工作原理圖3-37差壓液位變送器原理圖圖3-38壓力表式液位計利用容器內(nèi)的液位改變時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應變化的原理而工作的。22第二十二頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此

當被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時，只需將差壓變送器的負壓室通大氣即可。若不需要遠傳信號，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖3-38所示。（3-44）（3-45）23第二十三頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表2.零點遷移問題圖3-39負遷移示意圖在使用差壓變送器測量液位時，一般來說實際應用中，這時正、負室壓力p1、p2分別為則無遷移加裝隔離罐24第二十四頁，共61頁。我們采用的方法一般是在儀表上加一遷移裝置，用變送器內(nèi)部反饋調(diào)整方式抵消掉固定差壓的作用，我們稱這種方法為“零點遷移”。調(diào)節(jié)儀表上的遷移彈簧來達到此目的。25第二十五頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表遷移彈簧的作用

改變變送器的零點。遷移和調(diào)零

都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點相對應，只不過零點調(diào)整量通常較小，而零點遷移量則比較大。

遷移

同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。這里零點遷移的作用，其實質(zhì)就是改變差壓變送器測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。26第二十六頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表．零點遷移問題由差壓式液位計的測量原理可知，液柱的靜壓差△P與液位高度H滿足上式的條件是：(1)差壓變送器的高壓室取壓口正好與起始液面（H=0）在同一水平面上；(2)差壓變送器低壓室的導壓管中沒有任何氣體的冷凝液存在；(3)被測介質(zhì)的密度保持不變。在這種情況下，差壓變送器處于理想條件下的無遷移工作狀態(tài)。27第二十七頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表正遷移假定我們采用的是輸出為4mA~20mA的差壓變送器，則當液位H=0時，變送器輸入信號△p=0，其輸出電流為4mA，當液位達到測量上限時，變送器的輸入信號△p=Hmaxpg，其輸出電流為20mA。在實際應用中，如果差壓變送器的安裝位置不能與最低液位處于同一水平面上時，需要將零點進行正遷移。28第二十八頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表正遷移實例：29第二十九頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表與無遷移情況的相比，差壓中多出一項即在高壓室增加了一個恒定的靜壓。由于它的存在，使得當H=0時，△p=此時的變送器輸出必然大于4mA。30第三十頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表為了使變送器輸出與被測液位之間仍然保持無遷移情況的對應關(guān)系，就必須應用差壓變送器的零點遷移功能來抵消這一靜壓的影響。當H=0，△p=時，變送器輸出為4mA。由于在這種工作狀態(tài)下，變送器的起始輸入點由零點變?yōu)橐粋€正值，因而是正遷移。31第三十一頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表負遷移在工程應用中還經(jīng)常遇到負遷移的情況。如圖(b)所示。若被測液體的密度為P1

，隔離液的密度為P2

，且P1>P2

，則變送器高低壓室的壓力分別為：32第三十二頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表高低壓室所感受的壓差為與無遷移情況的相比較，總的差壓減少了，33第三十三頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表即相當于在低壓室增加了一個恒定的靜壓由于它的存在，使得當H=0時，△p=-（h2-h1）pg此時變送器的輸出必然小于4mA，當H=Hmax

時，變送器的輸出也達不到20mA。為了使變送器輸出與被測液位之間仍然保持無遷移情況的對應關(guān)系。就必須借助差壓變送器的零點遷移功能來抵消這靜壓力的影響。使得當△p=-（h2-h1）pg時，變送器的輸出為4mA。這種情況就是負遷移。34第三十四頁，共61頁。4.2常用物位檢測儀表針對上述三種情況，如果選用的差壓變送器測量范圍為0~5kPa，且零點通過遷移功能抵消的固定靜壓分別為+2kPa和-2kPa，則這臺差壓變送器零點遷移特性曲線如圖所示。35第三十五頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表圖3-40正負遷移示意圖圖3-41正遷移示意圖舉例

某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa，當壓差由0變化到5000Pa時，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如左圖中曲線a所示。負遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。

36第三十六頁，共61頁。特別注意由上述分析可見，無論是正遷移還是負遷移，均是改變了測量的起始位置(零點)，即改變差壓計測量范圍的上、下限，但它的量程不變。在差壓變送器的規(guī)格中，一般需注有是否帶正、負遷移裝置。型號后面加“A”的為正遷移．加“B”的為負遷移，無“A”或“B”的為無遷移。必須根據(jù)現(xiàn)場要求正確選用。37第三十七頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表3.用法蘭式差壓變送器測量液位圖3-42法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1—法蘭式測量頭；2—毛細管；3—變送器

單法蘭式

雙法蘭式

法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式

為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應使用在導壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。38第三十八頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表三、電容式物位傳感器1.測量原理圖3-43電容器的組成1—內(nèi)電極；2—外電極兩圓筒間的電容量C當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。

通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。

39第三十九頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表2.液位的檢測3-44非導電介質(zhì)的液位測量1—內(nèi)電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔當液位為零時，儀表調(diào)整零點，其零點的電容為

對非導電介質(zhì)液位測量的電容式液位傳感器原理如下圖所示。當液位上升為H時，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁?0第四十頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表

電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質(zhì)的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε0不等的原理進行工作，（ε-ε0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。結(jié)論41第四十一頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表3.料位的檢測

用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大，容易“滯留”，可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。1—金屬電極棒；2—容器壁左圖所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。

電容量變化與料位升降的關(guān)系為圖3-45料位檢測42第四十二頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表優(yōu)點

電容物位計的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。缺點

需借助較復雜的電子線路。

應注意介質(zhì)濃度、溫度變化時，其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這種情況。43第四十三頁，共61頁。分為3種工作方式Summary44第四十四頁，共61頁。(a)適用于立式圓筒形導電容器，非導電液體或固體粉末的物位測量。在這種應用中，器壁為電容的外電極，沿軸線插入金屬棒，作為內(nèi)電極。(c)適用于立式圓筒形導電容器，且物料為導電性液體的液位測量。Summary45第四十五頁，共61頁。(b)適用于非金屬容器，或雖為金屬容器，但非立式圓筒形，物料為非導電性液體的液位的測量。在這種應用中，中心棒狀電極的外面套有一個同軸金屬筒，并通過絕緣支架互相固定，金屬筒的上下開口，或整體上均勻分布多個小孔，使筒內(nèi)外的液位相同。中央圓棒與金屬套筒構(gòu)成兩個電極，電容的中間介質(zhì)為氣體和液體物料。這樣組成的電容Cx與容器的形狀無關(guān)，只取決于液位的高低。由于固體粉粒容易滯留在極間，所以此種電極不適于固體物位的測量。Summary46第四十六頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表四、核輻射物位計射線的透射強度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱，具體關(guān)系見式（3-63）。（3-63）圖3-46核輻射物位計示意圖1—輻射源；2—接受器特點

適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)的物位測量，還可以測量高溫融熔金屬的液位。可在高溫、煙霧等環(huán)境下工作。但由于放射線對人體有害，使用范圍受到一些限制。47第四十七頁，共61頁。

四、核輻射物位計核輻射式物位儀表是根據(jù)被測物質(zhì)對放射線的吸收、散射等特性而設計制造的。不同的物質(zhì)對射線的吸收能力也不同，當放射線穿過一定的被測介質(zhì)時，由于介質(zhì)的吸收作用，會使射線的輻射強度隨著被測介質(zhì)的厚度而按指數(shù)衰減。所以只要測出通過介質(zhì)射線強度就可獲得物位高度。式中I為穿過厚度為X的物質(zhì)后的輻射強度；I0為射入物質(zhì)前的輻射強度；μ為物質(zhì)的吸收系數(shù)；H為介質(zhì)層厚度。48第四十八頁，共61頁。屬于非接觸測量，放射性安全防護措施需按有關(guān)規(guī)范操作。特別注意49第四十九頁，共61頁。六、光纖式液位計50第五十頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表七、稱重式液罐計量儀該計量儀既能將液位測得很準，又能反映出罐中真實的質(zhì)量儲量。稱重儀根據(jù)天平原理設計。杠桿平衡時由于（3-57）代入（3-57）（3-58）如果液罐是均勻截面（3-59）（3-60）51第五十一頁，共61頁。第四節(jié)物位檢測及儀表圖3-51稱重式液罐計量儀1—下波紋管；2—上波紋管；3—液相引壓管；4—氣相引壓管；5—砝碼；6—絲杠；7—可逆電機；8—編碼盤；9—發(fā)訊器式中如果液罐的橫截面積A為常數(shù)，得將式（3-60）代入式（3-58），得（3-61）52第五十二頁，共61頁。八、物位測量儀表的選型選用液位和界位測量儀表時，一般需考慮下列幾種因素。（1）液面范圍和精度要求，儀表的顯示方式及其控制功能。（2）流體特性。如溫度、壓力、密度、流體是否污濁、是否含固體、是否氣化、是否有腐蝕性、結(jié)晶及粘附等。（3）在測量范圍內(nèi)，流體是否受擾動。（4）儀表安裝場所。如儀表的安裝高度、防爆要求等。對于大多數(shù)工藝對象的液面、界面測量，選用差壓式儀表、浮力式儀表即可滿足要求。當不滿足時，則可選用電容式、核輻射式、稱重式液罐、超聲波式等液位儀表。在選用料位測量儀表時，則需考慮物料的粒度、安息角及其導電性能、料倉的結(jié)構(gòu)形式及測量要求等。測量料位的儀表通常有電容式、核輻射式、阻旋式、重錘式等幾種。53第五十三頁，共61頁。1、試述物位測量的意義及目的。2、怎樣選用物位測量儀表？通常需考慮哪些因素？3、在進行液位測量時，法蘭式差壓變送器和普通差壓變送器相比，有什么優(yōu)缺點？4、為什么要用法蘭式差壓變送器？它有哪幾種結(jié)構(gòu)型式？5、“正遷移”和“負遷移”有什么不同？如何判斷？6.試述物位計的分類及其工作原理。課堂提問？54第五十四頁，共61頁。課堂提問答案1、試述物位測量的意義及目的。答：通過物位的測量，可以正確獲知容器設備中所儲物料的體積或重量；監(jiān)視或控制容器內(nèi)的介質(zhì)物位，使它保持在一定的工藝要求的高度，或?qū)λ纳稀⑾孪尬恢眠M行報警，以及根據(jù)物位來連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器中流入與流出物料的平衡。所以，一般測量物位有兩種目的：一種是對物位測量的絕對值要求非常準確，借以確定容器或儲存庫中的原料、輔料、半成品或成品的數(shù)量；另一種是對物位測量的相對值要求非常準確，要能迅速正確反映某一特定水準面上的物料相對變化，用以連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程，即利用物位儀表進行監(jiān)視和控制。55第五十五頁，共61頁。2、怎樣選用物位測量儀表？通常需考慮哪些因素？答：物位包括液位、界位和料位。在選用液位和界位測量儀表時，一般需考慮下列幾種因素。（1）液面范圍和精度要求，儀表的顯示方式及其控制功能。（2）流體特性。如溫度、壓力、密度、流體是否污濁、是否含固體、是否氣化、是否有腐蝕性、結(jié)晶及粘附等。（3）在測量范圍內(nèi)，流體是否受擾動。（4）儀表安裝場所。如儀表的安裝高度、防爆要求等。對于大多數(shù)工藝對象的液面、界面測量，選用差壓式儀表、浮力式儀表即可滿足要求。當不滿足時，則可選用電容式、核輻射式、稱重式液罐、超聲波式等液位儀表。在選用料位測量儀表時，則需考慮物料的粒度、安息角及其導電性能、料倉的結(jié)構(gòu)形式及測量要求等。測量料位的儀表通常有電容式、核輻射式、阻旋式、重錘式等幾種。56第五十六頁，共61頁。3、在進行液位測量時，法蘭式差壓變送器和普通差壓變送器相比，有什么優(yōu)缺點？法蘭式差壓變送器適用于測量腐蝕性、結(jié)晶性、粘稠性和含懸浮物的液體的液面和界面。但是這種儀表比普通的差壓變送器價格貴。另外，有些法蘭式液面計毛細管內(nèi)的充灌液很容易滲漏掉，而一旦滲漏，用戶很難修復。此外，法蘭式液面計的反應相對普