过程检测仪表第三章-物位检测仪课件.ppt
第三章 物位检测仪表,3.1概述3.1.1物位测量的内容及意义物位：物料的位置和高度，包括液位、界位和料位。液位：气液分界面高度；界位：两种液体的分界面高度；料位：固液（气）分界面高度。物位测量目的：一是用于确定物料的体积或质量；二是调节流入与流出物料的平衡。,3.1.2物位检测方法及仪表分类1按工作原理分类（1）直读式液位仪表 连通器原理，有玻璃管式、玻璃板液位计等。（2）浮力式物位仪表 浮力原理，有恒浮力式和变浮力式两种。（3）静压式物位仪表 流体静力学原理。（4）电气式物位仪表 将物位的变化转换为电量检测。（5）反射式物位仪表 利用超声波、微波反射信号行程间接测量液位。（6）射线式物位检测 利用射线在被测介质中的吸收程度。2按传感器与被测介质是否接触分类（1）接触式物位仪表 如直读式、浮力式、静压式、电容式等。（2）非接触式物位仪表 如雷达式、超声波式、射线式等。,3.2 直读式液位计3.2.1玻璃管液位计,图3.1 玻璃管液位计 1、5-连通阀；2-标尺；2防溢钢球；3玻璃管；4密封填料；6排污阀；7-放溢钢球；8、10-连接法兰；9-压盖,原理：连通器原理。1=2，则h1=h2量程3001200mm，工作压力1.6MPa，耐温400C。,3.2.2 玻璃板液位计,图3.2 玻璃板液位计1液罐；2连通阀；3-玻璃板；4-金属压框；5-排污阀；6-连通阀,结构：由厚钢化玻璃板、金属压框和连通阀构成。玻璃板液位计的长度为5001700mm，最大耐压为5MPa，耐温400C。透光式玻璃板液位计：液体处在两块玻璃板之间。缺点是液体粘附玻璃，不宜看清真实液位。折光式玻璃板液位计：液体处在金属框与棱形玻璃板之间。原理：由于玻璃板对气、液的折光率不同，液相看起来是暗的，气相部分亮，气液界面明显。,3.2.3 双色水位计,图3.3 双色水位计结构和工作原理示意图1-上侧连通管；2-加热用蒸汽进汽管；3-水位计钢座；4-加热室；5-测量室；6-加热蒸汽出口管；7-下侧连通管；8-光源；9-毛玻璃；10-红色滤光玻璃；11-绿色滤光玻璃；12-组合透镜；13-光学玻璃板；14-垫片；15-云母片；16-保护罩；17-观察窗,结构：光源的白光经红、绿滤光玻璃后成为红、绿混合光，再经透镜分光形成红、绿两股光束以不同角度射入测量室。原理：在测量室汽相部分，蒸汽对红、绿光折射率都很小，红光直射到观察窗口，而绿光偏离窗口。所以在观察窗看到水位计中蒸汽呈红色。测量室液相部分形成一段水棱镜。水中绿光折射率比红光大，使绿光折射后正好射到观察窗口、红光折射后偏离观察窗口。因而在观察窗看到的水呈绿色。特点：显示醒目、便于观察。工作压力4-22MPa，工作温度300。,3.3 浮力式物位计3.3.1 恒浮力式液位计1浮标式液位计 结构：,原理：当浮标受力平衡时，浮标可以随液面稳定：,式中 W浮标的重力；F浮标所受的浮力；G平衡重物的重力。,液位上升时，其上浮力F增加，,新的力平衡，反之亦然。因而实现了浮标对液位的跟踪。通过同步移 动的平衡锤便可以指示出液位的高度。特点：简单直观，测量精度低。误差原因：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。,，浮标向上移动。直达到,2.浮子钢带式液位计结构特点：用恒力弹簧（盘簧）7代替平衡锤。用均匀穿孔钢带代替钢丝绳，钉轮13周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为钉轮转动，通过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。原理：液位下降时，浮子重量拉动钢带使收带轮-卷簧轮6顺时针转动，将卷绕在储簧轮8上恒力卷簧7反绕在卷簧轮上。液位升高时，钢带拉力减小，恒力卷簧7将卷簧收回到储簧轮8上，收带轮-卷簧轮逆时针转动。钢带通过齿轮传动机构，由机械计数器9指示出液位。特点：钢带拉力恒定、测量精度高（可达0.3%）、测量范围大（020m）。,图3.5 浮子钢带式液位计1-浮子；2-钢带；3-滑轮；4-导向轮；5、6-收带轮-卷簧轮（同轴）；7-恒力卷簧；8-储簧轮；9-计数器；10-指针；11-传动齿轮；12-转角传感器；13-钉轮；14-导向钢丝,3.编码钢带液位计通过在连接钢带上打孔编码，用光电变送器转换为数字编码信号输出。,图3.6 编码钢带式液位计的结构1浮子；2导向钢丝；3滑轮；4连接钢带；5码带；6重锤；7仪表箱；8变送器；9过带轮；,特点：测量精度高，绝对误差小于2mm。无复杂的齿轮传动机构，寿命长，系统运行平稳可靠。420mA标准信号输出，便于远传。采用红外光电技术及格雷码带，抗干扰能力强。,4.浮球式液位计用途：密闭容器，液体介质的温度、压力、粘度较高，而变 化范围较小的液位测量。原理：杠杆力矩平衡原理,图3.7 浮球式液位计1浮球；2连杆；3转动轴；4杠杆；5指针标尺；6-平衡锤类型：内浮球式、外浮球。,5磁翻板式液位结构：连通器、带磁铁浮子、磁翻版（每个磁翻板都有磁性，一面是红色，另一面为白色）。,图3.9 磁翻板液位计1磁翻板；2内装磁钢的浮子；3翻板支架；4连通器；5连接法兰；6连通阀；7被测容器,原理：当磁浮子随液位升降时，浮子磁场对磁翻板的吸引，迫使磁翻板转向，使磁浮子以下翻板为红色，磁浮子以上翻板为白色，显示液位。特点：结构牢固，工作可靠，显示醒目。精度低、磁翻板易腿色退磁、浮子易卡。,3.3.2变浮力式物位计 1.浮筒式物位计原理,图3.10 浮筒式物位计结构,浮筒是一不锈钢空心长圆柱体。浮筒的重量大于同体积的液体重量，使浮筒不能漂浮在液面上。原理：浮筒6悬挂在杠杆4一端，与扭力管3固连。扭力管3是一种密封式的输出轴，利用扭力管的弹性变形把浮筒上的力变成芯轴的转动。,图3.11 扭力管平衡的浮筒测量原理,1外壳；2芯轴；3扭力管；4杠杆；5支点；6-浮筒,当浮筒拉力f与扭力管扭角关系,式中 M0作用在扭力管上的扭力矩；d1、d2分别为扭力管的内、外径；C 扭力管横向弹性系数；L0扭力管的长度。,L浮筒中心到扭力管中心的距离。,为常数,当液位为零时f=W最大，扭力管扭角达到最大，约为7。当液位上升时，浮筒浮力增大，拉力f减小，减小。当液位为H时，浮筒上拉力变化,液体的密度；A浮筒的截面积；W浮筒的重量。与H=0时相比，扭力管扭角变化量,与液位H成正比关系，负号表示液位H越高，扭角越小。,2变送环节 F2390电动浮筒液位变送器。主要由振荡器、涡流差动变压器、解调器、直流放大器组成。,图3.12 转换器电路框图,原理：当芯轴带动差动变压器动臂传动时，输出线圈上的感应电压 u变化与 成正比。u变为直流电压V，送入差分放大器U放大，其输出电压经解调器将功率放大器转换为420mA电流I0输出。,3.浮筒液位变送器的校验,（1）干校法用挂法码干校浮筒液位计。该砝码所产生的重力f应等于浮筒的重力(包括挂链或挂杆的重力)W与液面在校验点时浮筒所受的浮力F之差。当测量两种介质的界面高度时,fH液面在被校点H处砝码的重力，N；D浮筒外径，m；L仪表量程，m；H液面高度，m；1重相液体的密度，kgm3；2轻相液体的密度，kgm3。,mH液面在被校点H处砝码的质量，kg；M浮筒、挂链或挂杆的质量，kg。当测液面高度时，2为气相密度。12，可简化为,（2）水校法校验时关闭浮筒室的上、下引压阀，向测量筒中灌水，用换算灌水高度进行校验。校验时所加水位高度h应满足与被校液位高度为H时浮筒对杠杆的拉力相同。校验所加水位高度h为,则所挂砝码的质量为,3.4 静压式液位计3.4.1 测量原理 原理：流体静力学原理,对敞口容器，PA为大气压,p B点的表压力；Pa当地大气压力。,3.4.2 迁移问题 安装条件限制、引压管路隔离液影响，会造成附加静 压。为消除附加静压影响，需调整差压变送器点，使之H=0时指零，仪表输出上、下限的与液位的零点、量程相对应。这种方法称为“零点迁移”。,当H=0时，P=0，差压变送器未受任何附加静压。差压变送器无需迁移。当H=0时，P0，差压变送器受附加正差压作用，需进行正迁移，迁移量：,当H=0时，P0，差压变送器受附加正差压作用，需进行正迁移，迁移量：,正、负迁移的实质是同时改变量程的上、下限，而不改变量程的大小。,(a)无迁移(b)正迁移(c)负迁移图3.15 差压式液位计的应用,3.4.3 法兰式差压变送器测量液位 如果被测介质易凝、易结晶或有腐蚀性，为避免导压管阻塞与腐蚀，可采用法兰式差压变送器。,图3.17 用法兰式差压变送器测量液位,法兰式差压变送器的敏感元件是金属膜盒，经毛细管与变送器的测量室相通。由膜盒、毛细管、测量室组成的封闭系统内充有硅油，通过硅油传递压力，省去引压导管，安装也比较方便，解决了导管的腐蚀和阻塞问题。,选择原则如下：单平法兰式：用于易凝固、强腐蚀介质的液位测量。插入式法兰：插入容器内部，适合于检测高粘度、易沉淀或结晶介质。双法兰式：被测介质腐蚀性较强、负压室又无法选用适用的隔离液时。,3.4.4 吹气法测量液位 适合于测量具有强腐蚀、高粘度或含有悬浮颗粒介质。,图3.19 吹气式液位计1过滤器；2减压阀；3节流元件；4流量计；5吹气管；6压力表或压力变送器,原理：压缩空气经过滤器1、减压阀2、节流元件（调节阀）3、转子流量计4，最后由导管的下端逸出时。忽略导管5中气体的摩阻，导压管内气体压力与导管下端出口处的液体静压力（又称液封压力）,相等。由压力计6显示的压力即可反映出液位的高度。,节流元件3作用，气源流量恒定（满足p2 0.528p1）。克服气流摩阻影响：采用间断测量法，在暂时停气时进行读数。,3.4.5 投入式液位变送器,结构：扩散硅式传感器位于导气电缆的底端，被安置到罐底，将承受的液相压力。特点：便于安装、使用方便等优点。,引压导管应按最短距离敷设，总长度不应超过50米。管线的弯曲处应该是均匀的圆角，拐弯曲率半径不小于管径的10倍。引压管路水平安装时，应该保持不小于1：10的倾斜度，并加装集气、凝液收集器和沉淀器等，并定期排出。引压导管要注意保温、防冻。对有腐蚀作用的介质，应加装充有中性隔离液的隔离罐。在测量锅炉汽包水位时，则应加装冷凝罐。全部引压管路应保持密封，而无泄漏现象。引压管路中应装有必要的切断、冲洗、排污等所需要的阀门，安装前必须将管线清理干净。,3.4.6.静压式液位计的安装,(1)引压导管的安装,H两极板的长度；两极板中间介质的介电常数；d圆筒形外电极的内径；D圆筒形内电极的外径。,图3.21 圆柱型电容器1内极板；2-被测介质；3-外极板,3.5 电容式物位计 3.5.1 测量原理 电容式物位传感器的电容量,3.5.2 电容式物位计的测量方式1测量非导电介质液位 电容传感器外电极2上有孔，使介质能流进电极之间。利用被测液体作电极间绝缘介质。H=0时,空气介电常数；,H0时,为被测液体的介电系数。电容量的增量C液位高度h成正比。,图3.22 非导电介质的液位测量,2测量导电介质的液位为防止内、外电极被导电的液体短路，内电极加一绝缘层，导电液体作为外电极。传感器电容量：,绝缘层介电常数；,在测量粘性导电介质时，介质沾染电极，产生“虚假液位”。选用和被测介质亲和力较小的套管材料。采用隔离型电极,图3.23 导电介质液位测量原理,3.测量固体颗粒料位通常采用一根金属电极棒与金属容器壁构成电容器的两电极。传感器电容量：,为固体物料的介电常数；D0为容器的内径。,图3.25 测量非导电固体颗粒料位原理,3.5.3 电容量检测二极管电桥法：Cx是被测传感器的电容，C0用以平衡初始零位。,图3.26 二极管环形电桥,方波电源负半周，Cx通过二极管D2及电流表M放电，而C0经过二极管D4放电。Cx、C0在充放电周期内与方波电源电压相同。在方波前半个周期，电流表中电流为,方波电源正半周，一路通过二极管D1对Cx充电，另一路通过电流表M及二极管D3对C0充电。,在方波后半个周期，电流表中电流方向正好相反,电流表中通过的平均电流为,当被测液位 h=0时，电容Cx=C0，I=0，即电桥平衡。当物位变化h 0时,Cx增加Cx，相应引起的电流输出为,由式可见，电流表M输出的电流正比于被测电容的变化Cx,3.5.4 电容式液位传感器的类型电容式液位计由传感器及配套的显示仪表组成。传感器类型。,图3.28 电容式液位传感器的外型,3.5.5 分段电容式液位计的特点及应用1.检测原理结构：由一个长电极和n段相互绝缘的分段电极组成。,图3.29 分段电容式液位计检测原理,原理：测量时，由微处理器控制多路切换开关，自下而上对N个小电容进行分时检测。液面上、下各段小电容CL、CG分别相同。中间只有一段是液面所在的段，其电容Cx介于CL、CG之间,只要判断出满料段数量n,即可按下式计算液位高度,对被全部浸没的小电容，如图中的C1C6,就不再关心液体的介电常数了，而是根据被全部浸没的电容极板的位置，对液位进行“粗测”（H.n）。再由被部分浸没的电容（如图中的C7）对液位进行“细测”，其测量原理和前面讲过的电容式液位计相同，此处不再赘述。通过比较判断方式检测分段电容，可以同时得到校正所必需的CL、CG、Cx信号，为在线自动校正提供了方便。,2.分段电容式液位变送器,图3.30 液位变送器框图,由单片机构成的变送器对各段电容从下至上逐段进行扫描检测，并由软件对检测结果进行分析、判断、比较，计算出液位高度，并由光电隔离D/A变换模块转换为4-20mA信号输出。可远传至二次显示仪表进行显示。,3.7 超声波式液位计 超声波：频率超过20000Hz的叫超声波,3.7.1 测量原理,原理：利用超声波的回波测距法测量空高来测量液位。,vc超声波在被测介质中的传播速度，即声速；t超声波从探头到液面的往返时间。,超声波速度Vc与介质性质、密度及温度、压力有关。介质成分及温度的不均匀变化都会使超声波速度发生变化，引起测量误差。,图3.35 超声波液位计测量原理,3.7.2 超声波的发射和接收 换能器：利用压电元件构成的。超声波发射：利用逆压电效应，在压电晶体上施加频率高于 20kHz的交流电压，压电晶体就会产生高频机械震动，实现电能与 机械能的转变，从而发出超声波。超声波接受：利用正压电效应，压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端会产生与声压同步的电荷，从而把声波转换成电信号。压电晶体探头的结构。,。,图3.36 压电晶体探头的结构1-压电晶片；2-保护膜；3-吸收块；4-盖；5-绝缘柱；6-接线座；7-导线螺杆；8-接线片；9-座；10-外壳,压电片：厚度与超声频率成反比。两面敷有银层，作为导电的极板。保护膜：避免压电片与被测介质直接接触。为了使声波穿透率最大，保 护膜的厚度取二分之一波长的整倍数。阻尼块：电振荡脉冲停止时，吸收声能量，防止惯性振动，保证脉冲宽度，提高分辨率,3.7.3 超声波液位计组成,图3.38 气介式超声波液位计原理框图 1-探头座；2-发射换能器；3-接受换能器,3.7.4 超声波液位计的特点及应用超声波液位计有以下特点：超声波液位计无可动部件，结构简单，寿命长。仪表不受被测介质粘度、介电系数、电导率、热导率等性质的影响。可测范围广，液体、粉末、固体颗粒的物位都可测量。换能器探头不接触被测介质，因此，适用于强腐蚀性、高粘度、有毒介质和低温介质的物位测量。超声波液位计的缺点是检测元件不能承受高温、高压。声速又受传输介质的温度、压力的影响，有些被测介质对声波吸收能力很强，故其应用有一定的局限性。另外电路复杂，造价较高。,3.7.5 超声波液位计的安装应注意以下问题：物位计安装应注意基本安装距离，与罐壁安装距离为罐直径的1/6较好。液位计室外安装应加装防雨、防晒装置。不要装在罐顶的中心，因罐中心液面的波动比较大，会对测量产生干扰，更不要装在加料口的上方。在超声波波束角内避免安装任何装置，如温度传感器、限位开关、加热管、挡板等，均可能产生干扰。如测量粒料或粉料，传感器应垂直于介质表面。,3.8 磁致伸缩液位计3.8.1 磁致伸缩传感器的组成 磁致伸缩管：由软磁性材料制成的薄壁毛细管，外套一不导磁的不锈钢保护管，内穿一条用于产生脉冲磁场的铜导线。下部安装信号检测线圈，保护管外置有永久磁铁的浮子。,图3.40 磁致伸缩传感器原理图,3.8.2 磁致伸缩传感器的工作原理 铜导线每隔0.1s同入一个电流脉冲，沿波导管周围产生的脉冲磁场，此浮子上磁钢的磁场相互作用，对软磁性波导管产生瞬时扭力，导致波导管产生伸缩（拉紧），波导管上张力变化以脉冲波形式，沿波导管上、下传播（约2830m/s）。,波导管上张力脉冲波向上下传播时，“携带”螺旋磁场的轴向分量沿波导管轴向移动。在检测线圈上产生感应电压脉冲，即返回脉冲。返回脉冲信号由检测电路进行处理，通过测量电流询问脉冲与返回脉冲之间的时间来精确地确浮子的位置。而沿电流方向向下传播的张力脉冲波，通过阻尼器衰减掉，以确保在波导管的末端不会产生反射，干扰正常的“返回脉冲”。3.8.3 磁致伸缩液位计传感器结构,图3.41 磁致伸缩液位传感器结构示意图1-波导管；2-外管；浮子；3-浮子磁铁；4-浮子磁场；5-波导扭曲；6-询问脉冲磁场,3.8.4 磁致伸缩液位计的特点可同时连续测量液面、界面和多点温度，能测量含泡沫、强腐蚀性和易挥发性的液体。精度高，可达0.01F.S。全量程误差不超过1mm，重复性高达0.025mm。仪表全集成化设计，简单可靠，无需维护,仪表无需重新校准即可投入使用。测量受波导管、保护管限制，最大测量可达30 m。适应性强。工作温度-40150，工作压力小于2MPa。,
