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物位检测仪表陈禄彬 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 物位检测仪表物位检测仪表LC人工控制系统人工控制系统自动控制系统自动控制系统 物位是指储存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体或相互不相容的两种液体间由于密度不相等而形成的界面位置。液体介质液面的高低称为液位；液体-液体（两种密度不相等，且互不相溶的液体）或液体-固体间的分界面称为界面；固体颗粒或粉料的堆积高度称为料位。一般将液位、料位、界面统称为物位。液位、料位、界面的测量系统称为物位测量。一、物位的定义二、物位测量的目的二、物位测量的目的物位测量的主要目的有以下几种：1、正确测得容器中储藏物的体积或重量，即物位测量的目的是用于计量与经济核算。2、监视容器内物位，对物位允许的上、下限发出报警，即不用连续检测和输出物位的具体数值，只输出物位变化的开关信号。3、连续监测生产和进行调节，使物位保持在所要求的高度，即要求物位检测仪表连续输出物位的瞬时信号值开口容器或密封容器中两相介质的分界面的高开口容器或密封容器中两相介质的分界面的高低。低。液位液位 料位料位 界位界位n n三、物位测量仪表的分类：n n 物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位和界面来分可分物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位和界面来分可分为：为：n n测量液位的仪表：玻璃管（板）、称重、浮力、静压、电容、测量液位的仪表：玻璃管（板）、称重、浮力、静压、电容、电感、电阻、超声波、放射性、激光式及微波式等。电感、电阻、超声波、放射性、激光式及微波式等。n n测量界面的仪表：浮力、差压、电极式及超声波式等。测量界面的仪表：浮力、差压、电极式及超声波式等。n n测量料位的仪表：重锤探测式、雷达式、音叉式、超声波式、测量料位的仪表：重锤探测式、雷达式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等。激光式、放射性式等。n n四、液位检测：四、液位检测：n n1 1、直读式：利用仪表与被测容器的气相、液相的直接连接来直、直读式：利用仪表与被测容器的气相、液相的直接连接来直接读取容器中的液位高低。原理如图：接读取容器中的液位高低。原理如图：H1H2气相切断阀液相切断阀玻璃管液位计利用液相压力平衡原理：当时H1=H22、静压式液位计、静压式液位计差压式液位计差压式液位计静压式液位计静压式液位计压力式液位计压力式液位计(1)、压力式液位计、压力式液位计投入式液位计投入式液位计 气相不易冷凝的情况下的差压液位测量原理图HP气用差压变送器测量液位的原理如图：差压变送器与液体导压管水平安装，液体导压管到液面距离为H、液体密度为 、气相压力为P气 正压室压力 P1P气H g 负压室压力 P1P气故正、负压室的差压为 PP1P2H g由此可见，由于密度一定，差压与液位高度一一对应关系。知道了差压值就知道液位的高度。这样就把测量液位的问题归结为测量差压的问题。用差压变送器就很方便地把差压测得，并转换成统一标准信号，这就是差压测量液位的原理。在这里还存在一个问题，用差压变送器或法兰测液位时，因变送器安装位置低于零液位时，于是便有液位进入变送器正压或负压室中，因此在液面处于零液位时，虽然被测液位发生的差压为零，但变送器膜盒感受的差压并不为零，而有一个附加差压存在。所以要进行零点迁移，由于测量的具体情况不同，有正迁移和负迁移。(2)(2)、差压式液位计：、差压式液位计：无迁移正迁移负迁移3 3、浮力式浮力式浮力式液位计浮力式液位计恒浮力式恒浮力式变浮力式变浮力式浮球式液位计浮球式液位计浮筒式液位计浮筒式液位计浮标式液位计浮标式液位计 利用漂浮于液面上的浮子利用漂浮于液面上的浮子(浮标浮标)将跟随液位的变将跟随液位的变化而产生位移或未完全浸沉于液体中的浮筒化而产生位移或未完全浸沉于液体中的浮筒(沉筒沉筒)所受的浮力将随液位的变化来进行液位测量。所受的浮力将随液位的变化来进行液位测量。沉沉筒筒液位计的量程取决液位计的量程取决于浮筒的长度。于浮筒的长度。、浮筒式液位计、浮筒式液位计n n随着液位的上升，浮筒浸没入液体的体积增大，浮筒所受的浮力随着液位的上升，浮筒浸没入液体的体积增大，浮筒所受的浮力增大，浮筒作用于杠杆的作用力随之减小，扭力管所受到的扭力增大，浮筒作用于杠杆的作用力随之减小，扭力管所受到的扭力矩也逐渐减小，芯轴所产生的角位移也相应减小，指针向液位高矩也逐渐减小，芯轴所产生的角位移也相应减小，指针向液位高度相应的刻度指示。扭力管和芯轴角位移通过电动附加装置转换度相应的刻度指示。扭力管和芯轴角位移通过电动附加装置转换为电信号，用于远传。为电信号，用于远传。内浮筒外浮筒式中式中 浮力浮力 浮标所受重力浮标所受重力 平衡重物的重力平衡重物的重力、浮标式液位计浮标式液位计 利用浮标所受重力和浮力之差与平衡重物的重利用浮标所受重力和浮力之差与平衡重物的重力相平衡，使浮标漂浮于液面上。则平衡关系的力相平衡，使浮标漂浮于液面上。则平衡关系的表达式克表示为：表达式克表示为：多用于敞口容多用于敞口容器的液位测量器的液位测量 内浮式内浮式 外浮式外浮式1-浮球；浮球；2-连杆；连杆；3-转轴；转轴；4-平衡锤；平衡锤；5-杠杆杠杆、浮球式液位计浮球式液位计 适用于温度较高，而压力不太高的密闭容器适用于温度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体检测。内的液体检测。不适用于粘稠或易结晶，不适用于粘稠或易结晶，易凝固的液体的检测易凝固的液体的检测(4).钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图7-4为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。(5).磁翻板液位计磁翻板液位计（1）.电阻式液位计电阻式液位计图图4-1 基于液位变化引起电极间电阻变化，由电基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。阻变化反映液位情况。4、电学式、电学式（2）.电感式液位计电感式液位计 基于电磁感应原理，即液位变化引起线圈电感变基于电磁感应原理，即液位变化引起线圈电感变化，感应电化，感应电 流也发生变化。流也发生变化。（3）.电容式液位计电容式液位计 利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。理进行测量。5、超声波液位计、超声波液位计超声波液位计利用波在介质中的传播特超声波液位计利用波在介质中的传播特性。性。超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式气介式、液介式液介式和固介式固介式三种。n超声波液位测量超声波液位测量有许多优点：n与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；n超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；n不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；n能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。n超声波液位测量超声波液位测量也有缺点：n超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；n当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；n有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。n n6、放射性物位计（射线）、放射性物位计（射线）n n在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子线，即射线（如、在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子线，即射线（如、同位素钴同位素钴6060、铀、铀 铯铯137137等）。当这些射线穿过一定厚度的物体时，等）。当这些射线穿过一定厚度的物体时，因粒子的碰撞和克服阻力而消耗了粒子的动能，以至最后动能耗因粒子的碰撞和克服阻力而消耗了粒子的动能，以至最后动能耗尽，粒子便留在物体中，被吸收了。不同的物体对射线的穿透与尽，粒子便留在物体中，被吸收了。不同的物体对射线的穿透与吸收能力是不同的，一般来说固体大于液体。液体大于气体。故吸收能力是不同的，一般来说固体大于液体。液体大于气体。故测得因被吸收而衰减的射线强度，就测得了相应的液位。测得因被吸收而衰减的射线强度，就测得了相应的液位。n n 放射性物位计由；放射源、一次仪表（监测器、计数管）、二放射性物位计由；放射源、一次仪表（监测器、计数管）、二次仪表组成。次仪表组成。物料铅罐射源探测器容器射线物位计示意图当料位低于射源的位置时，射线粒子大部分通过气体介质到达探测器；若料位上升到超过射源的高度时，因固体吸收能力强，大部分射线粒子被容器中的物料所吸收，而探测器测得的粒子数很少。所以，从探测器测得的粒子数的多少，便知道容器中的料位有多高。指示仪表把测到的粒子数进行转换、功率放大成标准的电信号，远传进行指示。n n放射性物位计的特点：放射性物位计的特点：n n、可以实现完全不接触式的测量。、可以实现完全不接触式的测量。n n、容器上不用开孔，因而可以用在高、容器上不用开孔，因而可以用在高/低温、高压、高粘度、低温、高压、高粘度、强腐蚀、易燃、易爆等的工况。强腐蚀、易燃、易爆等的工况。n n、可以测量液位、粉状、块状介质的物料。、可以测量液位、粉状、块状介质的物料。n n放射性防护的基本概念：n n放射源通常有钴放射源通常有钴6060（穿透力强）、铯（穿透力强）、铯137137（穿透力较小）。（穿透力较小）。n n半衰减层的概念；是将辐射强度减到一半所需的物质厚度。半衰减层的概念；是将辐射强度减到一半所需的物质厚度。n n钴钴60 60 对铅的半衰减层厚度为对铅的半衰减层厚度为1313厘米、钢的半衰减层厚度为厘米、钢的半衰减层厚度为1515厘米、铸铁的半衰减层厚度为厘米、铸铁的半衰减层厚度为1717厘米厘米.n n铯铯137 137 对铅的半衰减层厚度为对铅的半衰减层厚度为9 9厘米、钢的半衰减层厚度为厘米、钢的半衰减层厚度为1212厘米、铸铁的半衰减层厚度为厘米、铸铁的半衰减层厚度为1313厘米厘米.n n防护三要素：为屏蔽厚度、时间和距离。原则上就是，屏蔽越厚防护三要素：为屏蔽厚度、时间和距离。原则上就是，屏蔽越厚越好、时间尽可能地短、人与源距离要远越好、时间尽可能地短、人与源距离要远n n越厚越好 越短越好 越远越好。n n用好这种仪表的关键是要完全搞清其操作工况、介质、设备材质、用好这种仪表的关键是要完全搞清其操作工况、介质、设备材质、壁厚及其射线穿过的部件。并对使用和维护人员进行专门培训。壁厚及其射线穿过的部件。并对使用和维护人员进行专门培训。仪表由专人负责，保证操作和使用的安全性。仪表由专人负责，保证操作和使用的安全性。7、其他液位计、其他液位计(1)、反射式雷达液位计、反射式雷达液位计 利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液位定点控制。图7-15反射式微波液位计原理图 微波功率的测量通检测元件，再配合相应的测量电路，最后经数据采集和信号处理根据接收到的微波信号功率，显示和输出液位测量结果。在测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收，因此可能会对测量结果产生较大的影响，对此应该引起足够重视。（2）.雷达物位计雷达物位计 下图是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。（3）、）、磁致伸缩液位计利用磁电磁电转换原理转换原理进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出的新产品，右图为磁致伸缩液位计原理图。（4）、）、伺服液位计五五.料位检测料位检测 由于固体物料的状态特性与液体有些差别，因此料位检测既有其特有的方料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法法，也有与液位检测类似的方法，但这些方法在具体实现时又略有差别、本节将介绍一些典型的和常用的料位检测方法。1.重锤探测法重锤探测法 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。图 7-20 重锤探测式料位计1-重锤；2-伺服电机；3-鼓轮 2.称重法称重法 一定容积的容器内，物料重量与料位高度一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的应当是成比例的，因此可用称重传感器或测 力传感器测算出料位高低。图7-21为称重式料位计的原理图 图 7-21 称重式料位计 图7-22 电极接触式料位计1-支承；2-称重传感器 1-绝缘套；2、3、4=电极 5-信号器；6-金属容器壁 3.电磁法电磁法 n电阻式和电容式物位计同样适用于料位检测，但传感器安装方法与液位测量有些差别。n（1）.电阻式物位计电阻式物位计n电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制，因此也称作电极接触式物位计电极接触式物位计。n 其测量原理示意图如图7-22所示。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。n n2.电容式料位计电容式料位计n电容式料位计测量原理示意图如图7-23所示。n其应用非常广泛，不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质的物料，如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性等物料。但是由于固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。图7-23 电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套3.射频导纳物位计射频导纳物位计 4.声学法声学法n上一节介绍过利用超声波在两种密度相利用超声波在两种密度相差较大的介质间传播时发生全反射的特差较大的介质间传播时发生全反射的特性进行液位测量性进行液位测量，这种方法也可用于料位测量。n n除此以外，还可用声振动法进行料位定点控制。图7-24为音叉式料位信号器原理图，它是由音叉、压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发出信号。图7-24 音叉式料位控制器 4.旋阻式料位开关旋阻式料位开关高低报警示意图高低报警示意图5.光学法光学法 n光学法是一种比较古老的料位控制方法。一般只用来进行定点控制，工作方式采用一般只用来进行定点控制，工作方式采用遮断式遮断式。在储料容器一侧安装激光发射器，另一侧安装接收器，当料位未达到控制位置时接收器能够正常接收到光信号，而当料位上升至控制位置时，光路被遮断，接收器接收的信号迅速减小，电子线路检测到信号变化后转化成报警信号或控制信号。n六六.相界面的检测相界面的检测n相界面的检测包括液液-液相界面液相界面、液液-固相界面固相界面的检测的检测。n液液-液相界面检测液相界面检测与液位检测相似，因此各种液位检测方法及仪表(如压力式液位计、浮力式液位计、反射式激光液位计等等)都可用来进行液-液相界面的检测。n液液-固相界面检测固相界面检测与料位检测相似，因此重锤探测式、吊锥式、称重式、遮断式激光料位计或料位信号器也同样可用于液-固相界面的检测控制。n此外，电阻式物位计、电容式物位计、超声波物位计、核幅射式物位计等均可用来检测液液-液相界面液相界面和液液-固相界面固相界面。n进行相界面的检测必须了解被测介质的物理性质的差别，才能正确选择合适的测量方法。n例如，若选用电阻式(或称电极式)物位计检测时，应当明确对被测介质的要求，即位于容器下部密度较大的一相导电而浮于上面密度较小的一相不导电，如此等等。n此外，电阻式物位计、电容式物位计、超声波物位计、核幅射式物位计等均可用来检测液液-液相界面液相界面和液液-固相界面固相界面。n进行相界面的检测必须了解被测介质的物理性质的差别，才能正确选择合适的测量方法。n例如，若选用电阻式(或称电极式)物位计检测时，应当明确对被测介质的要求，即位于容器下部密度较大的一相导电而浮于上面密度较小的一相不导电，如此等等。思考：现代自动控制技术都是电子技术思考：现代自动控制技术都是电子技术为基础的，电子技术出现以前的自动控为基础的，电子技术出现以前的自动控制会是怎样的呢？制会是怎样的呢？谢谢！