《物位测量及变送》PPT课件.ppt

第三章 物位测量及变送,概述浮力式液位计差压式液位计其它物位计小结,物位测量：,液位气体和液体间的分界面。,第一节 概 述,界位两种不同液体间的接触面；液体与固体间的 接触面。,料位气体与固体颗粒或粉末的分界面。,返回,物位测量的目的在于要正确的测知容器或设备中存储物质的容量或质量。这不仅是物料消耗或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。测量液位、界位或料位的仪表称为物位测量仪表又称物位计，进而又分：液位计、界位计和料位计。这些仪表由于其测量的对象不同，且应用的工况亦不同，因此其原理、结构和使用方法亦不相同。本章仅对常用的测量方法及典型仪表进行介绍。,第一节 概 述,物位检测仪表的分类,按测量方式：连续测量和定点测量（物位开关）按工作原理：直读式物位仪表浮力式物位仪表静压式物位仪表电气式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表雷达式物位仪表磁致伸缩物位仪表光学式物位仪表机械式物位仪表,第一节 概 述,第一节 概 述,玻璃管液位计,第一节 概 述,浮标液位计,第一节 概 述,浮筒液位计,第一节 概 述,法兰式物位计,第一节 概 述,电容式物位计,第一节 概 述,射线料位计,第一节 概 述,超声波物位计,第一节 概 述,雷达物位计,第一节 概 述,磁致伸缩物位计,第一节 概 述,光纤物位计,第一节 概 述,重锤物位计,第二节 浮力式液位计,利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液体中浮 子的浮力变化测知液位或界位。,恒浮力式,自动跟踪式、浮标式、浮球式、钢带式液位计等。,变浮力式,浮筒式液位计,浮力不变。浮子永远漂浮在液面上，位置随着液位变化。,浮力变化。浮子浸没在液体里，浮力随液位变化。,返回,确定浮标位置液位,确定浮力变化液位,测量原理：,第二节 浮力式液位计,（一）磁翻转式液位计,返回,一、恒浮力式,浮子位置随液位高低而变，检测其位移，可知液位高度。,第二节 浮力式液位计,返回,一、恒浮力式,第二节 浮力式液位计,（二）浮球式液位计,1.工作原理,2.特点,（1）量程小，受连杆长度和角度限制；,（2）精度低，最高0.5级左右；,（3）适用于温度、粘度较高，压力不 高的液位测量。,W浮球的重力；G重锤的重力；OA转轴到浮球中心垂直距离；OB转轴到重锤中心垂直距离。,内浮球液位计,H F(W-F)杠杆顺时针转动F,返回,第二节 浮力式液位计,（二）浮球式液位计,返回,第二节 浮力式液位计,（二）浮球式液位计,返回,第二节 浮力式液位计,（三）自动跟踪式液位计,返回,液位浮标所受的浮力浮标对杠杆的拉力差动变压器输出电压信号经放大器放大可逆电机转动浮标,第二节 浮力式液位计,（三）自动跟踪式液位计,返回,灵敏度与精度较高，价格高。,第二节 浮力式液位计,（四）钢带式液位计,返回,浮子经过钢带和滑轮将浮力的变化传到钉轮上，钉轮周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带的直线运动变为转动，由指针和计数器指示出液位。在钉轮轴上再安装转角传感器或变送器，就可以实现液位信号的远传。系统平衡时应满足：,当拉力T恒定，钉轮的周长、钉状齿间距及钢带的孔间距均制造得很精确时，可以得到较高的测量精度。这种传动方式，密封比较困难，不适用于有压容器，因此通常多用于常压储罐的液位测量。,第二节 浮力式液位计,（四）钢带式液位计,返回,第二节 浮力式液位计,二、变浮力式,介质浸没物体的高度或密度变化时，物体所受浮力发生变化。由浮力的变化可测知物位高度。,此原理液位计：浮筒式液位计,（一）工作原理,C 弹簧刚度；x 弹簧压缩位移；A 浮筒截面；H 浮筒浸没高度；,H浮筒上移x,返回,第二节 浮力式液位计,（二）扭力管式结构,1.测量元件,作用：H,H 浮力 Fx扭角,H=Hmax时：杠杆作用力为,H=0时：杠杆作用力为,x=,扭力管产生扭角max(约7)。,扭力管产生最小扭角为min(约2)。,A 浮筒截面积；被测液体密度。,Fx,测量部分,返回,第二节 浮力式液位计,2.转换部分,作用：将u I0,K 比例系数，K=0100%,短路环转至中舌最左端时，K=0；最右端时，K=100%。,01=K0 02=（1-K）0,Z 磁通-电压转换系数。,u与K成正比，则u与成正比。,差动变压器,返回,第二节 浮力式液位计,返回,第二节 浮力式液位计,（三）轴封膜片式结构,返回,1.位移检测放大器,作用：将衔铁微小位移 S 转换成直流电流 I0。,2电磁反馈机构,作用：I0Ff,第二节 浮力式液位计,返回,3.工作原理,力矩平衡(力平衡),改变W或矢量角可改变量程。,K变送器结构常数。,Fx,Fx=W-F,第二节 浮力式液位计,1.量程由浮筒长度决定。国产：300、500、800、1200、1600、2000mm,（四）特点,2.只能用于测量轻、净介质。,3.当被测介质密度变化时，必须进行密度修正。,4.精度0.51.0级，可测液位、界位。,返回,第三节 差压式液位计,液柱静压P=gH，与介质密度和液柱高度成正比。,其中：P差压值；H液位高度；介质密度；g重力加速度。,敞口容器：差压变送器负压室通大气或压力变送器。密闭容器：差压变送器负压室连接容器的气相部分。,一、工作原理,返回,操作条件不变时，测静压得液位。,第三节 差压式液位计,二、零点迁移,差压变送器测液位，一般情况下：,实用中，大多数情况下，存在零点迁移问题。,此为理想情况，称为无迁移。,即：H=0，P=0,1.正迁移,H=0 P=hg 0 I 4mA；,H=Hmax Pmax=Hmaxg+hg I 20mA,正迁移(图3-14),返回,第三节 差压式液位计,设:变送器量程Pmax=5000Pa hg=2000Pa,调整压差为大于零的附加静压，称正迁移。,H=0 P=2000Pa 调零点迁移使 I=4mA；H=Hmax Pmax=5000+2000=7000Pa I=20mA。,2.负迁移,负压侧与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐。,H=0 P=-hg0 I 4mA,H=Hmax Pmax=Hmaxghg I 4mA,返回,第三节 差压式液位计,设:变送器的量程Pmax=5000Pa,hg=5000Pa。H=0 P=-5000Pa，调整零点迁移使 I=4mA；H=Hmax=h Pmax=5000-5000=0 I=20mA。,调整压差为小于零的附加静压，称负迁移。,如何判断正负迁移、计算迁移量、迁移后的测量范围？,(1)分别计算正负压室两侧静压P1、P2,求P=P1-P2,(2)令被测液位H=Hmin时:即:Pmin=迁移量D，其代数和为正则正迁移；为零则无迁移；为负则负迁移。,(3)差压变送器量程:L=Hmaxg,(4)迁移后的测量范围：DL+D,返回,第三节 差压式液位计,零点迁移的目的：,零点迁移的实质：改变差压变送器零点起始值，实现输出 与液位的正常对应关系。,零点迁移仅改变了变送器测量范围上、下限，而变送器量程不变。,同理上述方法还可用于两种液体的界位测量。,即：H=Hmin,I=4mA;H=Hmax,I=20mA。,返回,用于腐蚀性或含悬浮颗粒、粘度大、易凝等介质测量。,采用法兰式差压变送器，原理及方法与差压变送器相同。,三、法兰式差压式液位计,第三节 差压式液位计,有单法兰、双法兰、插入式、平法兰等结构形式。,双法兰式差压变送器的迁移量仅与取压位置和介质密度有关，与变送器安装位置无关。,返回,法兰式差压变送器,单法兰式压力变送器,返回,法兰式差压变送器,返回,双法兰式差压变送器,第三节 差压式液位计,四、吹气法（反吹风）,反吹管线压降为P，则:P2=P+P,因反吹风气量很小，P可忽略不计，则 P2 P,为保证测量精度，必须保证反吹气量恒定，且P1 稳定，满足：,P20.528P1,反吹风系统,返回,第三节 差压式液位计,返回,特点：可将压力检测点移至顶部，其使用和维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。,四、吹气法（反吹风）,第四节 其它液位计,一、电极式液位开关,返回,电极式液位开关可进行定点液位控制，所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。,第四节 其它液位计,二、电容式物位计,1.工作原理,由电容传感器和测量电路组成。,被测物位H电容传感器电容量C测量电路C,一般R、r固定，改变、L 测量液位。,圆筒型电容器：,R 外电极内半径；r 内电极外半径；内、外电极之间的介电常数；L内、外电极覆盖长度。,返回,第四节 其它液位计,2.测量非导电介质,H=0：,H=H：,0 气相介质介电常数。,x 被测液体介电常数。,内电极光电极；外电极绝缘同轴金属圆筒。,返回,第四节 其它液位计,3.测量导电介质,设:气体介电常数为0 绝缘层介电常数为,存在问题：,a.随物位升降电极挂料导致电容值加大，产生误差大。导电液体更严重，不适用于粘滞性介质。,b.电极与电路连接电缆相当一较大电容，且随温度而变。较小、信号较弱场合，误差较大。,内电极加绝缘套管；外电极金属容器壁。,R绝缘层 外半径。,返回,4.固体料位的测量,(1)非导电固体料位 内电极不锈钢金属棒；外电极金属容器壁。,x 固体介质介电常数；R容器壁内径；,(2)导电固体料位 内电极加绝缘套管，原理同导电液位。,同理，可测导电和非导电以及两介电常数不同的非导电液体界位。,第四节 其它液位计,返回,第四节 其它液位计,射频导纳技术是一种能消除挂料影响、可靠准确、使用更广的液位测量技术。,适用于导电高粘度介质物位测量。,三、射频导纳物位计,射频导纳：用高频电源测量系统导纳。以导纳变化反映液位变化。,物料横截面积挂料层横截面积且具有导电性，则物料电阻可略。,物料作为电容一个极板，物位以下电容变化量仍可示为：,测电容,测复数阻抗,排除挂料,返回,挂料层电阻不能忽略。等效为：,由无穷多个无穷小的电容和电阻组成的传输线。,据电化学实验：导电挂料足够长，挂料和电极形成的以绝缘层为介质的电容容抗XC挂与挂料电阻R数值相等。即,测得电容为：,C真实物位的电容；C挂导电挂料所表现的电容。,由射频导纳原理，导电挂料电阻R含挂料电容，测得C挂 则 C=Cx-C挂，得 C可知H。,Cx=C+C挂,第四节 其它液位计,返回,适用于污水处理、纸浆、化学制剂、煤粉灰浆、原油等测量。,不受挂料、温度、压力、材料密度、湿度、甚至物料化学特性变化的影响。,精度：0.5级,介质温度范围：-185800 可耐压力：6.4MPa,第四节 其它液位计,返回,尤其适用于导电(电导率100s/cm)的粘稠介质。,第四节 其它液位计,1.工作原理,返回,四、超声波液位计,所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限(20kHz以上频段)的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，根据超声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。,第四节 其它液位计,1.工作原理,返回,四、超声波液位计,(1)声波阻断型。当液体或固体物料在储罐、料仓中积存高度达到预定高度位置时，超声波即被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。(2)声波反射型。它是利用超声波回波测距的原理，可以对液位进行连续测量。根据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式。,第四节 其它液位计,2.测量方法,返回,四、超声波液位计,（1）液介式测量方法 如图(a)所示，探头固定安装在液体中最低液位处，探头发出的超声脉冲在液体中由探头传至液面，反射后再从液面返回到同一探头而被接收。液位高度与从发到收所用时间之间的关系可表示为,式中 H 探头到液面的垂直距离 v 超声波在介质中的传播速度 t 超声波由发射到接收经历的时间,第四节 其它液位计,2.测量方法,返回,四、超声波液位计,（2）气介式测量方式 如图(b)所示，探头安装在最高液位之上的气体中。（3）固介式测量方式 图(c)所示是固介式测量方法，将一根传声的固体棒或管插入液体中，探头安装在传声固体的上端。,第四节 其它液位计,3.实际测量过程,返回,四、超声波液位计,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,第四节 其它液位计,返回,四、超声波液位计,第四节 其它液位计,1.工作原理,t=2h/c,雷达系统不断发射线性调频信号，可测得发射与反射信号的差频f，它正比于延迟时间t，即正比于h。,测得延迟时间t则得h。,c电磁波传播速度,300000km/s；h被测介质液面与探头间距；,返回,测量以光速c传播的超高频电磁波发射与反射间的时差t，确定天线与反射面之间的高度（空高h）。,天线以波束的形式发射最小5.8GHz的雷达信号。,五、雷达液位计,第四节 其它液位计,2.特点及适用范围,非接触测量方式，无活动部件，可靠性高，平均无故障时间达10年，几乎免维护，费用低。无污染，安装方便。,适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易爆易燃介质。尤其大型立罐和球罐等导电粘稠介质液位测量。,精度可达0.25级;工作温度：-200230；工作压力：40MPa；测量范围：040m。,气体波动变化不影响电磁波传播速度（采用导波管型）。,返回,第四节 其它液位计,放射性同位素能放射出、和射线，透射某些物质。,透射强度随通过介质厚度的增加而减弱。,I=I0 e-H,介质对射线的吸收系数；H 介质层的厚度；I 穿过介质后的射线强度。,放射源选定，被测介质不变时，I0 与均为常数。,固体对射线吸收能力最强，液体次之，气体最弱。,六、射线液位计,1.工作原理,射线可穿透几十厘米钢板。,返回,返回,第四节 其它液位计,2.特点,（1）非接触式测量。射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。特别适用于常规仪表不能解决的测量问题（高温、高压、强腐蚀、剧毒或易燃易爆等）。,（2）放射性物质，使用时必须采取严格的防范措施。,（3）非线性。,（4）放射性物质有半衰期，需定期更换放射源。,返回,第四节 其它液位计,七、磁致伸缩物位计,返回,第四节 其它液位计,七、磁致伸缩物位计,返回,磁致伸缩液位计适合于高精度要求的清洁液位的液位测量，精度达到1mm，最新产品精度已经可以达到0.1mm。磁致伸缩液位计还可应用于两种不同液体之间的界位测量量。,第四节 其它液位计,八、光纤液位探测器,返回,组成：LED光源、光电二极管和光纤工作原理：光电式液位计利用光的全反射原理实现液位测量。发光二极管作为发射光源，当液位传感器的直角三棱镜与空气接触时，由于入射角大于临射角，光在棱镜内产生全反射，大部分光被光敏二极管接收，此时液位传感器的输出便保持在高水平状态；而当液体的液位到达传感器的敏感面时，光线则发生折射，光敏二极管接收的光强明显减弱，传感器从高电平状态变为低电平，由此实现液位的检测。,第四节 其它液位计,九、重锤物位计,返回,重锤探测法原理示意图如图7-20所示。重锤连在与电机相连的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控制下动作，从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置；当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构停转反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。,重锤探测式料位计1-重锤；2-伺服电机；3-鼓轮,第四节 其它液位计,九、重锤物位计,返回,重锤式料位计可测量饲料、化学品、塑料颗粒、水泥、石块、PVC粉末、骨料、煤、石灰石、研磨塑料、砂子、粉末、谷物等。,第四节 其它液位计,十、音叉式物位开关,返回,音叉式物位开关在压电激励下产生机械式振动，一旦探头部分被被测物质覆盖，由此产生的阻尼就会立刻被电路监测到并且输出相应的开关量信号。另外，这种机械振动的特性也赋予了自清洁的功能。,第四节 其它液位计,十、音叉式物位开关,返回,音叉式物位开关具有性能稳定、安全可靠，以及适应性强（被测介质不同的电参数、密度对测量均不产生影响）等优点。能够用于固体物料如：粉煤灰、水泥、沙子，石粉、塑料颗粒、盐、糖等；及液体介质：如水、酸、碱、泥浆、纸浆、染料、油类、牛奶、酒类、饮料等液位测量,小 结,轴封膜片式结构 力(矩)平衡 H 浮力FxMi=Mf,一、浮力式液位计,二、差压式液位计,恒浮力式：浮球式、磁翻转式,变浮力式：浮筒式物位计（液位、界位）,扭力管式结构,H浮力Fx扭角,特点,静压原理：应用液柱高度产生的静压。,压力式、差压式：零点迁移的判断、计算方法。,差压式可用于液位、界位。,零点迁移仅改变了测量范围上、下限，量程大小不变。,返回,小 结,三、其它物位计,1.电容式物位计,圆筒电容器：固定R和r，改变或L。,测量非导电介质液位,测量导电介质液位,用高频无线电波测量系统导纳，将单纯测量电极电容变化变为测量复数阻抗变化，排除挂料影响。,导电挂料足够长,2.射频导纳物位计,不同介质吸收射线的能力不同。,计算超高频电磁波往返液面的时间，确定空高h。,3.雷达液位计,4.核辐射物位计,掌握各种物位计的特点及适用的介质。,返回,HC,