化工仪表基础-第四章物位检测.ppt

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1、第四章第四章 物位检测物位检测内容提要内容提要n物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型n压差式液位计压差式液位计n其他物位计其他物位计第一节第一节 物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型几个概念几个概念几个概念几个概念液位液位 料位料位液位计液位计 料位计料位计 界面计界面计测量物位的两个目的测量物位的两个目的测量物位的两个目的测量物位的两个目的按其工作原理分为按其工作原理分为按其工作原理分为按其工作原理分为直读式物位仪表直读式物位仪表 差压式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表浮力式物位仪表 电磁式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表核辐射式物位仪表 声波式物位仪表声波

2、式物位仪表光学式物位仪表光学式物位仪表第二节第二节 差压式液位计差压式液位计将差压变送器的一端接液相，另一端接气相将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此n一、工作原理一、工作原理图4-1 差压式液位计原理图第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 当用差压式液位计来测量液位时当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞若被测容器是敞口的口的,气相压力为大气压气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可则差压计的负压室通大气就可以了以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若容器是受压的容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相则需将差压计的

3、负压室与容器的气相相连接。以平衡气相压力连接。以平衡气相压力 pA的静压作用。的静压作用。结论第二节第二节 差压式液位计差压式液位计n 二、二、零点迁移问题零点迁移问题在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为则图4-2 负迁移示意图第二节第二节 差压式液位计差压式液位计迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。改变变送器的零点。迁移和调零迁移和调零迁移和调零迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零

4、点迁移量则比较大。量则比较大。迁移迁移迁移迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。范围的平移，它不改变量程的大小。第二节第二节 差压式液位计差压式液位计图4-3 正负迁移示意图图4-4 正迁移示意图举例举例举例举例 某差压变送器的测量范某差压变送器的测量范围为围为0 050005000Pa，当压差由，当压差由0 0变化到变化到50005000Pa时，变送器的时，变送器的输出将由输出将由4 4mA变化到变化到2020mA，这是无迁移的情况，如左图这是无迁移的情况，如左图中曲线中曲线a所示。负迁移如曲所示。负迁移如曲线线

5、b所示，正迁移如曲线所示，正迁移如曲线c所所示。示。一般型号后面加一般型号后面加“A”“A”的为正的为正迁移；加迁移；加“B”“B”的为负迁移。的为负迁移。第二节第二节 差压式液位计差压式液位计n 三、用法兰式差压变送器测量液位三、用法兰式差压变送器测量液位 单法兰式单法兰式 双法兰式双法兰式 法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器法兰式差压变送器按其结构形式按其结构形式按其结构形式按其结构形式 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的

6、问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。用法兰式差压变送器，如下图所示。图4-5 法兰式差压变送器测量液位示意图1法兰式测量头；2毛细管；3变送器第二节第二节 差压式液位计差压式液位计图4-6 单法兰插入式差压变送器1挡板；2喷嘴；3弹簧；4反馈波纹管；5主杠杆；6密封片；7壳体；8连杆；9插入筒；10膜盒图4-7 双法兰式差压变送器1挡板；2喷嘴；3杠杆；4反馈波纹管；5密封片；6插入式法兰；7负压室；8测量波纹管；9正压室；10硅油；11毛细管；12密封环；13膜片；14平法兰第三节第三节 其他物位计其他物位计n一、电容式物位计一、电容式物位计1.1.1.1.测量原理测量原理测量原理测量

7、原理图4-8 电容器的组成1内电极；2外电极两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量C C当当 D D 和和 d d 一定时，电容量一定时，电容量 C C 的的大小与极板的长度大小与极板的长度 L L 和介质的介和介质的介电常数电常数 的乘积成比例。的乘积成比例。通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。第三节第三节 其他物位计其他物位计2.2.2.2.液位的检测液位的检测液位的检测液位的检测4-9 非导电介质的液位测量1内电极；2外电极；3绝缘套；4流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为零点的电容为 对

8、非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为第三节第三节 其他物位计其他物位计 电容量的变化与液位高度电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被成正比。该法是利用被测介质的介电系数测介质的介电系数与空气介电系数与空气介电系数0 0不等的原理进不等的原理进行工作，（行工作，（-0 0）值越大，仪表越灵敏。电容器两）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。极间的距离越小，仪表越灵敏。结论结论结论结论第三节第三节 其他物位计其他物位计3.3.3.3.料位的检测料位的检测料位的检测

9、料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易于固体间磨损较大，容易“滞留滞留”，可用电极棒及容器壁，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。组成电容器的两极来测量非导电固体料位。左图所示为用金属电极棒插入容器来测量左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。料位的示意图。电容量变化与料位升降的关系为电容量变化与料位升降的关系为1金属电极棒；2容器壁图4-10 料位检测第三节第三节 其他物位计其他物位计优点优点优点优点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用

10、方便。缺点缺点缺点缺点 需借助较复杂的电子线路。需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。发生变化这种情况。第三节第三节 其他物位计其他物位计n二、核辐射物位计二、核辐射物位计 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（4-9）。（4-94-9）图4-10 核辐射物位计示意图1辐射源；2接受器特点特点特点特点适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人

11、体有害，使用范围受到一些限制。第三节第三节 其他物位计其他物位计n三、雷达式液位计三、雷达式液位计 雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位。它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。优点优点第三节第三节 其他物位计其他物位计图4-12 雷达式液位计示意图 雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定 由于故 雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。法两种方式。第三

12、节第三节 其他物位计其他物位计图4-13 微波脉冲法原理示意图要使用导波管？要使用导波管？第三节第三节 其他物位计其他物位计n四、称重式液罐计量仪四、称重式液罐计量仪既能将既能将液位测得很准液位测得很准液位测得很准液位测得很准，又能反映出罐中，又能反映出罐中真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量真实的质量储量。称重仪根据称重仪根据称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理天平原理天平原理设计。设计。设计。设计。由于杠杆平衡时（3-64）代入（3-64）（3-65）如果液罐是均匀截面（3-66）（3-67）第三节第三节 其他物位计其他物位计图4-14 称重式液罐计量仪1下波纹管；2上波纹管；3液相

13、引压管；4气相引压管；5砝码；6丝杠；7可逆电机；8编码盘；9发讯器式中如果液罐的横截面积A为常数，得将式（3-67）代入式（3-65），得（3-68）直读式液位计直读式液位计玻璃液位计玻璃液位计 使用最早和最简单的直使用最早和最简单的直读式液位计，分为玻璃管和读式液位计，分为玻璃管和玻璃板式两种。玻璃板式两种。玻璃液位计构造简单，玻璃液位计构造简单，安装简便。不需要外接能源，安装简便。不需要外接能源，适用于就地现场指示，应用适用于就地现场指示，应用比较广泛。比较广泛。磁翻转液位计磁翻转液位计 浮力式液位计浮力式液位计1 浮标液位计浮标液位计 工作原理是浮标在液面上并随液位变化而升高或降低，但

14、工作原理是浮标在液面上并随液位变化而升高或降低，但是浮标所受的浮力不变。是浮标所受的浮力不变。直读式浮标液位计直读式浮标液位计浮球式液位计浮球式液位计浮力式液位计浮力式液位计 2 浮筒式液位计浮筒式液位计 浮筒式液位计由四部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和浮筒式液位计由四部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和输出指示。适合对各种密封容器内的液面测量。输出指示。适合对各种密封容器内的液面测量。n常见液位计的性能特点常见液位计的性能特点（1）人工测量尺人工测量尺 它是古老而有效的储罐计量方法，可以作为现场检验它是古老而有效的储罐计量方法，可以作为现场检验其它测量仪表的参考手段。误差是人为的。其它测量仪表的参考

15、手段。误差是人为的。（2）浮子式钢带液位计浮子式钢带液位计 观测直观，价格便宜，但是传动部件较多，容易发生观测直观，价格便宜，但是传动部件较多，容易发生机械故障，维护量比较大，需要厂家现场指导安装。适用机械故障，维护量比较大，需要厂家现场指导安装。适用于中小罐。于中小罐。（3）伺服式液位计）伺服式液位计 被广泛用于储罐液位的高精度测量，它是一种多功能被广泛用于储罐液位的高精度测量，它是一种多功能的仪表，仅用一台液位计便可测出储罐内液体的液位、油的仪表，仅用一台液位计便可测出储罐内液体的液位、油水界面、单点温度、平均温度、平均密度、分段密度等综水界面、单点温度、平均温度、平均密度、分段密度等综合

16、参数，一台液位计便组成一套混合式自动计量系统合参数，一台液位计便组成一套混合式自动计量系统.例题分析例题分析举例举例举例举例1.1.某贮罐内的压力变化范围为某贮罐内的压力变化范围为1215MPa，要求远传显，要求远传显示，试选择一台示，试选择一台DDZ-型压力变送器型压力变送器(包括准确度等包括准确度等级和量程级和量程)。如果压力由。如果压力由12MPa变化到变化到15MPa，问这时，问这时压力变送器的输出变化了多少压力变送器的输出变化了多少?如果附加迁移机构如果附加迁移机构,问是问是否可以提高仪表的准确度和灵敏度否可以提高仪表的准确度和灵敏度?试举例说明之。试举例说明之。解：解：如果已知某厂

17、生产的如果已知某厂生产的 DDZ-型压力变送器的规格有：型压力变送器的规格有：0 01010，1616，2525，6060，100 100（MPa）精度等级均为级。精度等级均为级。输出信号范围为输出信号范围为0 01010mA。例题分析例题分析 由已知条件，最高压力为由已知条件，最高压力为1515MPa，若贮罐内的压力是比，若贮罐内的压力是比较平稳的，取压力变送器的测量上限为较平稳的，取压力变送器的测量上限为 若选择测量范围为若选择测量范围为0 02525MPa、准确度等级为、准确度等级为0.50.5级级,这这时允许的最大绝对误差为时允许的最大绝对误差为 由于变送器的测量范围为由于变送器的测量

18、范围为0 02525MPa，输出信号范围，输出信号范围为为0 01010mA,故压力为故压力为1212MPa时时,输出电流信号为输出电流信号为 例题分析例题分析压力为15MPa时，输出电流信号为 这就是说这就是说,当贮罐内的压力由当贮罐内的压力由1212MPa变化到变化到1515MPa时时,变送器的输出电流只变化了变送器的输出电流只变化了mA。在用差压变送器来测量液位时，由于在液位在用差压变送器来测量液位时，由于在液位H=0=0时时,差压变送器的输入差压信号差压变送器的输入差压信号p并不一定等于并不一定等于0 0，故，故要考虑零点的迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量要考虑零点的迁移。实际上迁移

19、问题不仅在液位测量中遇到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移中遇到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移机构，可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度机构，可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度 (只不过这时仪表量程也要作相应改变只不过这时仪表量程也要作相应改变)。例题分析例题分析 由本例题可知，如果确定正迁移量为由本例题可知，如果确定正迁移量为7 7MPa，则变送，则变送器的量程规格可选为器的量程规格可选为1616MPa。那么此时变送器的实际测量。那么此时变送器的实际测量范围为范围为7 72323MPa，即输入压力为，即输入压力为7 7MPa时，输出电流为时，输出电流为0 0mA；输入压

20、力为；输入压力为2323MPa时，输出电流为时，输出电流为1010mA。这时如果输入。这时如果输入压力为压力为1212MPa，则输出电流为，则输出电流为 输入压力为输入压力为1515MPa时时,输出电流为输出电流为 例题分析例题分析 由此可知，当输入压力由由此可知，当输入压力由1212MPa变化到变化到1515MPa时，输时，输出电流变化了出电流变化了mA，比不带迁移机构的变送器灵敏度提，比不带迁移机构的变送器灵敏度提高了。高了。变送器的准确度等级仍为级，此时仪表的最大允许变送器的准确度等级仍为级，此时仪表的最大允许绝对误差为绝对误差为MPa，所以，由于加了迁移机构，使仪表的，所以，由于加了迁

21、移机构，使仪表的测量误差减少了。测量误差减少了。例题分析例题分析图4-15 法兰式差压变送器测液位2.2.用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位,如图如图4-154-15所示。所示。已知被测液位的变化范围为已知被测液位的变化范围为0 03m,3m,被测介质密度被测介质密度=900kg/m=900kg/m3 3,毛细管内工作介质密度毛细管内工作介质密度0 0=950kg/m=950kg/m3 3。变送器的安装尺寸为。变送器的安装尺寸为 h h1 1=1m,h=1m,h2 2=4m=4m。求变送器的测量范围。求变送器的测量范围,并判断零点迁移方向并判断零点

22、迁移方向,计计算迁移量算迁移量,当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时,问对问对测量有何影响测量有何影响?例题分析例题分析解：解：当不考虑迁移量时当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。最大变化范围来计算。液位为3m时,其压差为 这里值得一提的是压力单位这里值得一提的是压力单位Pa用用SI基本单位时就基本单位时就相当于相当于m m-1-1kgskgs-2-2，即，即例题分析例题分析 所以液柱压力用所以液柱压力用Hg计算时计算时,只要只要H用用m,用用kg/m3，g用用m/s2为单位时为单位时,相乘结

23、果的单位就是相乘结果的单位就是Pa。上述计算结果。上述计算结果pmax为为kPa,经过圆整后经过圆整后,测量范围可选测量范围可选0 03030kPa。根据图示根据图示,当液位高度为当液位高度为H时时,差压变送器正压室所受差压变送器正压室所受的压力的压力p1为为 负压室所受的压力负压室所受的压力p2为为例题分析例题分析因此，差压变送器所受的压差为因此，差压变送器所受的压差为 由上式可知由上式可知,该差压变送器应进行负迁移该差压变送器应进行负迁移,其迁移量其迁移量为为 h20g。当差压变送器安装的高度改变时当差压变送器安装的高度改变时,只要两个取压法只要两个取压法兰间的尺寸兰间的尺寸h2不变不变,

24、其迁移量是不变的。其迁移量是不变的。例题分析例题分析3.用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流来保持罐内液位H恒为1m。如图4-16所示。已知差压变送器的输出信号为010mA,硫酸的最小和最大密度分别为min=1.32(g/cm3),max=1.82(g/cm3)图4-16 流体密度测量示意图min=1.32(g/cm3),max=1.82(g/cm3)要求:(1)计算差压变送器的测量范围；(2)如加迁移装置,请计算迁移量；(3)如不加迁移装置,可在负压侧加装水恒压器(如图中虚线所示)，以抵消正压室附加压力的影响,请计算出水恒压器所需高度h。例题分析例题分析解：解：（1）若不

25、考虑零点迁移,那么就要以max来计算差压变送器的测量范围。当=max=1.82g/cm3时,差压变送器所承受的差压为将H=1m,max=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得 如果选择差压变送器的测量范围为02104Pa,则当=max=1.82g/cm3时,对应的变送器输出为 例题分析例题分析当=min=1.32g/cm3时,其差压为 这时差压变送器的输出为 由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输出电流由mA变化到mA，仅变化了mA，灵敏度是很低的。例题分析例题分析 （2）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点迁移，提高测量的起始点。考虑到=max时，这时所对应的压差仍为1.785104Pa，所以在提高测量起始点的同时，测量上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。当=min=1.32g/cm3时,pmin=1.295104Pa。因此可以选择迁移量为1104Pa,测量范围为11042104Pa的差压变送器。这时,若=min时,变送器的输出为 例题分析例题分析当=max时,变送器的输出为 这时由min变到max时,输出电流由mA变为mA,变化了mA,大大提高了仪表的灵敏度。例题分析例题分析 （3）如果不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压器，而迁移量仍为1104Pa，根据 以水的密度=1000kg/m3代入,得