工业仪表第5章物位测量.ppt

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1、第五章第五章 物位测量物位测量5.1 概述概述物位测量的原因：物位测量的原因：生产过程中，需要了解罐、塔、库等容器的液位，液体-液体间，液体-固体之间的界面高度，以及固体物料的料位，等。几个概念：几个概念：物位物位：容器内所贮存物体的上表面位置。物体可以是流体，固体，也可以是不同物体，或者状态不同物体交接面。界面界面：指液-液、液-固等的分界面，分别称为液-液、液-固界面。物位测量就是确定液位、料位或界面的位置。物位测量的目的物位测量的目的 ：1通过测量物位，确定容器内原料、半成品，或者产品的数量；2通过测量物位，确定生产过程是否连续，便于控制和调节，满足生产要求。5.1.1 5.1.1 物位

2、测量的特点物位测量的特点(1)液体为可流动性物体，流进或流出容器时，界面会发生波动。为精确测量液位，应当采取措施，尽量保持被测液面部分的稳定。(2)大型容器内的液体各处温度、密度和粘度可能不均匀。在测量液位时，必须注意仪表的选型和对温度、密度、粘度不均匀所带来测量误差的补偿。料仓或槽斗内安息角、孔隙料仓或槽斗内安息角、孔隙(3)物料性质不同、颗粒大小不同时，休止角也不同，测量料位须知道休止角，将仪表安装在适当位置，反映料位的真实情况，并尽量避开进料口，或安装防冲击挡板，以免物料因由上而下的直接冲击而损坏仪表。(4)由于物料受含水量、粘性、颗粒形状差异，以及容器结构、进、出料口位置等因素的影响，

3、出料口附近往往会出现如图5-1所示的大孔隙(俗称“架桥”)。这种孔隙将对容器中物料实际贮量的测量产生影响。因此，在测量时必须加以消除。（5）很多对象只需测量上、下限，并不连续测量。实际上，这很难办到实际上，这很难办到(6)测量范围宽（几毫米到上百米），测量对象多，故测量仪表品种多，测量原理也较多。(7)测量条件恶劣（高温、高压、低比重介质、强腐蚀介质）5.1.2 5.1.2 物位仪表的类型物位仪表的类型(1)直读式物位仪表 原理：连通器原理 例：玻璃管液位计、玻璃板液位计(2)浮力式液位仪表 原理：浮子高度随液位变化而改变，或对浸没于液体中的浮子的浮力随液面高度变化的原理工作的。(3)差压式物

4、位仪表 原理：容器内物位改变，造成液柱产生的静压变化原理工作。1）压力式物位仪表；2）差压式物位仪表 (4)电磁式物位仪表 原理：将物位变化转换为电量变化，通过测量这些电量变化间接测量物位。例：电阻式（电极式）、电容式和电感式，还有利用压磁效应工作的物位仪表。(5)核辐射式物位仪表 原理：利用核辐射透过物料时，物质对放射性同位素放射的射线（常为g射线）的吸收作用为基础进行物位测量。(6)声波式物位计原理：利用超声波在气体、液体或固体中衰减的程度、穿透能力和辐射声阻抗等各不相同的性质进行物位测量。分类：1）声波遮断式物位计 2）声波反射式物位仪 3）声阻尼式物位仪(7)光学式物位仪表原理：利用物

5、位对光波的遮断和反射原理工作，光源可以是普通的白炽灯光或激光等。（8）机械接触式：重锤式、旋翼式、音叉式5.1.3 物位仪表使用时应考虑的因素物位仪表使用时应考虑的因素1)被测对象的状态 液体：温度、压力、比重、粘度、粘附性、气泡、悬浮物、介电常数、电导率、液位变化速度等。固体：温度、压力、比重、粘附性、含水量、粒度、物料变化速度等。2)被测物位要求连续测量，报警或控制。3)测量范围。4)测量精确度或控制精确度。5)容器情况：开口 or 密闭，大小、形状等。6)是否要求防腐蚀或防爆，及要求的防爆等级。7)工作环境：湿度、温度，烟雾、灰尘、磁场、放射性、振动等。8)安装位置：接触介质否？垂直 o

6、r 水平安装?在容器的何处？压差式物位计压差式物位计概述分类：压力式物位计和差压式物位计。特点1测量范围大；2检测部件除膜片外，无可动部件；3可以测量黏度大、容易结晶、有悬浮物或腐蚀性介质的场合；4测量结果受介质密度变化影响小。压力式液位计原理：原理：根据容器内液面高度H和液柱质量造成的静压力p成比例关系，确定液面的位置。图5-2为基本原理图。P=gH (5-1)广泛应用于开口容器和受压广泛应用于开口容器和受压容器中的物位测量。容器中的物位测量。差压式物位计差压式物位计1利用差压法测量液位原理说明：图5-3所示。p=p2-p0=p1+p0-p0=p1而 p1=gH，因此 H=p1/(g)2测量

7、锅炉水位的差压式水位计图5-4所示。组成：平衡容器、差压变换器和显示仪表。特点：可以连续显示水位，也可以发报警告和向水位调节器提供信号。1）平衡容器组成平衡平衡容器容器负压管、正压管、冷凝容器、上下连接管组成。工作原理：平衡容器就是水位传感器，在起内部造成一个恒定的水静压力，使之与被测水位形成的水静压力相比较，输出二者之差，从而测出被测液体的水位高度。负压管负压管正压管正压管冷凝容器冷凝容器主要问题：介质密度会因为温度和压力的变化而变化，从而造成误差。解决办法：采取补偿、校验措施。2）定量说明p+=p+L1gp-=p+(L-H0-H)g+(H0+H)gp=p+-p-=L(1-)g-H0(-)g

8、-H(-)gg 重力加速度；1 平衡容器中水的平均密度；、压力p时的饱和水与饱和蒸汽密度。5.3 电接点液位计电接点液位计 说明：说明：属连通器式液位计，用于低粘度液体的液位测量。组成：组成：玻璃管和标尺。电接点水位计的电接点水位计的变形结构有变形结构有：玻璃板式玻璃板式：用于中低压锅炉汽包水位测量 云母片式云母片式：用于高压锅炉汽包水位测量 双色式双色式：汽水分界面二侧为红绿两色，是结合玻璃板式和双色式水位计结构特点，并辅助于光学系统而设计的。电接点式电接点式：由水位传感器和电气显示仪表组成 5.3.1 5.3.1 电接点水位计的水位传感器原理电接点水位计的水位传感器原理 原理：原理：带若干

9、电接点的连通容器，因汽、水导电性能差带若干电接点的连通容器，因汽、水导电性能差别，被水淹没的电接点所在电路处于低电阻别，被水淹没的电接点所在电路处于低电阻(相当于开相当于开关闭合关闭合)，因此被水接通的电接点位置可表示水位。，因此被水接通的电接点位置可表示水位。电接点导通的显示方法：电接点导通的显示方法：灯泡闪亮，带放大器的发光二灯泡闪亮，带放大器的发光二极管等。极管等。测量筒和汽包相连，据连通器力平衡原理从汽包内测量筒和汽包相连，据连通器力平衡原理从汽包内取出测量水柱。取出测量水柱。传感器传感器是水柱中组成测量标尺的是水柱中组成测量标尺的系列电系列电极极，将水柱分成若干区间。电极在水中对应点

10、呈绿色，将水柱分成若干区间。电极在水中对应点呈绿色，在汽中对应点呈红色，红绿灯光柱界面显示水位。在汽中对应点呈红色，红绿灯光柱界面显示水位。5.3.2 电接点式水位传感器的结构电接点式水位传感器的结构电接点水位计电接点水位计1汽包汽包 2测量筒测量筒 3下接管下接管 4电接点电接点组成：组成：测量筒壳测量筒壳(连通容器连通容器)、电接点座和电接点等。、电接点座和电接点等。测量筒长度视水位测量范围而定，直径确定考虑接测量筒长度视水位测量范围而定，直径确定考虑接点数目点数目(保证开孔后有足够的强度保证开孔后有足够的强度)。电接点数目电接点数目：多为：多为1515、l7l7和和1919。为保证强度和

11、便于。为保证强度和便于安装，在测量筒外壳上按安装，在测量筒外壳上按120120分布。接点间距不均分布。接点间距不均匀，匀，正常水位附近接点密度较大正常水位附近接点密度较大。电电接接点点应应能能在在高高温温高高压压下下正正常常工工作作，温温度度剧剧变变时时不不泄泄漏漏，耐耐腐腐蚀蚀，与与筒筒壳壳绝绝缘缘好好。常常用用超超纯纯氧氧化化铝铝(高高压炉压炉)和聚四氟乙烯和聚四氟乙烯(中压炉中压炉)作绝缘材料。作绝缘材料。测测点点最最小小间间隔隔为为15mm15mm，即即测测量量标标尺尺最最小小刻刻度度和和阶阶跃跃最小幅度为最小幅度为15mm15mm。5.3.3 5.3.3 电接点水位传感器的误差电接点

12、水位传感器的误差 散热引起的误差散热引起的误差所有连通器式水位计共存。所有连通器式水位计共存。措措施施：适适当当加加粗粗汽汽侧侧和和水水侧侧的的连连通通导导管管，筒筒壳壳顶顶部部不不保保温温，增增加加凝凝结结水水量量，筒筒壳壳其其余余部部分分保保温温以以减少散热。减少散热。不不连连续续指指示示引引起起的的误误差差。接接点点之之间间的的水水位位变变化化不不能能反反映映，即即形形成成“盲盲区区”，合合理理布布置置接接点点可可以以改改善此盲区，但总是不宜作调节信号用。善此盲区，但总是不宜作调节信号用。定义：定义：测量料位的计量器称为料位计。测量料位的计量器称为料位计。常用的料位计有：常用的料位计有：

13、重锤式料位计、电容重锤式料位计、电容脉冲式料位计、阻移式料位计、阻旋式脉冲式料位计、阻移式料位计、阻旋式料位计、料位计、射线料位计、超声波料位计射线料位计、超声波料位计等。等。5.4 料位计料位计重锤式料位计示意图重锤式料位计示意图组成：组成：与钢丝绳连接的重锤；与钢丝绳连接的重锤；执行机构；执行机构；启动器；启动器；信号转换部分；信号转换部分；数据采集与显示部分；数据采集与显示部分；控制逻辑部分控制逻辑部分5.4.1 重锤式料位计重锤式料位计(1)重锤式料位计工作原理重锤式料位计工作原理探头接触物料前后的钢丝绳受力变化探头接触物料前后的钢丝绳受力变化电动执行器转化成电动执行器转化成荷重、失重

14、信号荷重、失重信号传送给仪表逻辑控制系统传送给仪表逻辑控制系统对执行器发出指令，完成探测对执行器发出指令，完成探测说明：说明：仪表同时通过传感元件将负荷情况随时传送给仪表同时通过传感元件将负荷情况随时传送给计数电路，供仪表显示、报警用计数电路，供仪表显示、报警用工作过程的三个阶段：工作过程的三个阶段：静止阶段：静止阶段：当处于当处于“手动手动”状态时，钢丝绳承受探头重锤重量，执行器转轴受一力状态时，钢丝绳承受探头重锤重量，执行器转轴受一力矩，发出矩，发出“荷重荷重”信号。手动按钮接通后，逻辑控制器受到触发，仪表进入信号。手动按钮接通后，逻辑控制器受到触发，仪表进入探测阶段。探测阶段。当处于当处

15、于“自动自动”状态时，通过仪表内状态时，通过仪表内“延时延时”环节发出信号触发逻辑控制环节发出信号触发逻辑控制系统，仪表进入自动测量状态。系统，仪表进入自动测量状态。测量阶段：测量阶段：逻辑控制系统使计数逻辑控制系统使计数译码电路复位，清除上次测量值，磁力起动器启译码电路复位，清除上次测量值，磁力起动器启动电动机正向运转，使重锤下降。执行器发出正比于探头行程的光电脉冲信动电动机正向运转，使重锤下降。执行器发出正比于探头行程的光电脉冲信号，经计数电路和译码器自动将探头行程转换成直流电流信号号，经计数电路和译码器自动将探头行程转换成直流电流信号(0(010mA)10mA)供显供显示及报警。示及报警

16、。探头接触物料后，钢丝绳受力迅速减小，执行器发出探头接触物料后，钢丝绳受力迅速减小，执行器发出“失重失重”信号，传信号，传至逻辑控制系统，整机脱离测量。至逻辑控制系统，整机脱离测量。返回阶段：返回阶段：逻辑控制系统收到逻辑控制系统收到“失重失重”信号后，信号后，磁力起动器磁力起动器使电动机反转，探头上使电动机反转，探头上升，并将探头行程转换成直流电流值以显示容器内的料位。同时升，并将探头行程转换成直流电流值以显示容器内的料位。同时“保留记忆保留记忆”信号，直至下一过程开始。探头上升到静止原位时，发出信号，电动机停信号，直至下一过程开始。探头上升到静止原位时，发出信号，电动机停止运转，进入静止阶

17、段。止运转，进入静止阶段。(2)主要技术指标主要技术指标测量范围测量范围：023M；操作方式操作方式：包括手动操作，定时操作。定时为：包括手动操作，定时操作。定时为110min，分十档任选；，分十档任选；被测介质温度被测介质温度：常温；：常温；环境温度环境温度：-20+55；基本误差基本误差：10mm；重锤质量重锤质量：。：。（1 1）测量原理）测量原理组成：组成：传感器和二次仪表组成。传感器和二次仪表组成。同轴圆柱形电容器的电容量：同轴圆柱形电容器的电容量：5.2 电容脉冲式物位计电容脉冲式物位计极板长度极板长度介质的相对介介质的相对介电常数电常数真空的介电常真空的介电常数数同轴圆柱形极板电

18、容器同轴圆柱形极板电容器d通过电容传感器把物位转换成电容量的变化，然后再用测量电容量的方法确定物位数值。传感器把料位的变化转变成与之对应的电容量的变化，由测量电路转变为与之对应的电脉冲信号，远传给二次仪表处理 电电容容传传感器插入被感器插入被测测容器内，被容器内，被测测介介质为质为液体，介液体，介电电常数常数为为2，其覆盖气体的介，其覆盖气体的介电电常数常数为为1。液位高度液位高度为为零零时时，两极，两极间间充充满满气体，气体，电电容量容量为为C。液体升高液体升高H时时，两极之，两极之间间有有H高度被液体浸入，由于高度被液体浸入，由于1与与2不同，必不同，必产产生生电电容量的容量的变变化化 C

19、 C由由内内电电极极1 1和和与与它它相相绝绝缘缘的的同同轴轴金金属属圆圆筒筒制制成成的的外外电电极极2 2组组成成，内内外外电电极极之之间间采采用用绝绝缘缘套套管管3 3进进行行绝绝缘固定。缘固定。（）测量非导电介质液位电容传感器（）测量非导电介质液位电容传感器（）测量导电介质液位的（）测量导电介质液位的电容传感器电容传感器被被测测介介质质为为导导电电液液体体，内内电电极极要要用用绝绝缘缘物物覆覆盖盖作作为为中中间间介介质，导电液体与金属容器壁一起作为外电极。质，导电液体与金属容器壁一起作为外电极。当被测液位为零时，电容器中间所充介质是介电常数为当被测液位为零时，电容器中间所充介质是介电常数

20、为e e0 0的气体，电容器的电容为：的气体，电容器的电容为：C C0 0=2 pe=2 pe0 0L/ln(R/r)L/ln(R/r)当液位为某一高度当液位为某一高度H H时，电容器可视为两部分电容的并时，电容器可视为两部分电容的并联组合，即联组合，即C C1 1=2pe=2pe1 1H/ln(R/r)+2peH/ln(R/r)+2pe0 0(L-H)/ln(R/r)(L-H)/ln(R/r)液位变化引起的电容增量为：液位变化引起的电容增量为：C=CC=C1 1-C-C0 0则：则：C=2p(e C=2p(e1 1-e-e0 0)H/ln(R/r)H/ln(R/r)可见，电容的增量与被测液位

21、成正比，因此测出电可见，电容的增量与被测液位成正比，因此测出电容增量的变化便可知道液位的高容增量的变化便可知道液位的高液体的介电常数液体的介电常数电极被液体浸没的高度电极被液体浸没的高度（）固体料位的测量（）固体料位的测量用用一一根根电电极极棒棒与与金金属属容容器器壁壁构构成成电电容容器器的的两两电电极极，将将金金属属电电极极棒棒插插入入容容器器内内的的被被测测物物料料中中，以以金金属属棒棒作作内内电电极极，金金属属容容器器壁壁为为外外电电极极，与与非非导导电电物物料料的的料料位位测测量量相相同同，测测量量电电容容量的变化，即可测得料位。量的变化，即可测得料位。阻旋式料位计阻旋式料位计阻旋式料

22、位计示意图阻旋式料位计示意图1-同步电机；同步电机；2-微动开关；微动开关；3-传传动齿轮；动齿轮；4-斜板；斜板；5-主轴；主轴；6-旋翼旋翼构造及工作原理：构造及工作原理：同步电机通过传同步电机通过传动齿轮动齿轮Z1Z1、Z2Z2、Z3Z3、Z4Z4减速后，带减速后，带动主轴转动，主轴上的旋翼以动主轴转动，主轴上的旋翼以3r/min3r/min的速度转动。的速度转动。料位上升料位上升接触到旋翼时，旋翼旋转接触到旋翼时，旋翼旋转受阻，齿轮受阻，齿轮Z3Z3在同步电机驱动下，在同步电机驱动下，克服返回弹簧的阻力，沿齿轮克服返回弹簧的阻力，沿齿轮Z4Z4作作圆周运动，同时带动斜板转动，斜圆周运动

23、，同时带动斜板转动，斜板的微小板的微小位移推动两微动开关的触位移推动两微动开关的触点，一只微动开关切断同步电机电点，一只微动开关切断同步电机电源，电机停止转动，另源，电机停止转动，另微动开关微动开关对外发出触点信号。对外发出触点信号。料位下降料位下降到低于旋翼的位置时，作用于旋翼上的阻力消除，斜板到低于旋翼的位置时，作用于旋翼上的阻力消除，斜板依靠返回弹簧的作用复原，微动开关复原，同步电机电源接通，依靠返回弹簧的作用复原，微动开关复原，同步电机电源接通，旋翼恢复转动，从而实现高料位报警。旋翼恢复转动，从而实现高料位报警。改变微动开关触点信号的连接线，可进行低料位报警。改变微动开关触点信号的连接

24、线，可进行低料位报警。（1）测量原理）测量原理射线透射强度随介质层厚度的增加而减弱，入射强度（放射线透射强度随介质层厚度的增加而减弱，入射强度（放射源）为射源）为I0，随介质厚度的增加其强度按指数规律衰减：，随介质厚度的增加其强度按指数规律衰减：（2）测量物位的方法）测量物位的方法 1）定点测量的方法；）定点测量的方法；2）自动跟踪的测量方法；）自动跟踪的测量方法；3）在容器外安装放射源和接收器的测量方法。）在容器外安装放射源和接收器的测量方法。介质对射线介质对射线的吸收系数的吸收系数介质层的厚度介质层的厚度5.4.4 射线料位计射线料位计（3）注意事项）注意事项 1）接收器在）接收器在50以

25、上以上难以正常工作，难以正常工作，应用于高温场合，必须冷却；应用于高温场合，必须冷却；2）放射源在半衰期后，必须更换，否）放射源在半衰期后，必须更换，否则影响测量精度；则影响测量精度；3）必须采取严格的防护措施，确保人）必须采取严格的防护措施，确保人身和生产的安全。身和生产的安全。超声波在介质超声波在介质中的传播速度中的传播速度组成：超声波物位变送器由传感器和信号分析、处理与控制单元两部分构成。.5超声波物位计超声波物位计（一（一）基本原理）基本原理回声测距原理回声测距原理当超声波探头向液面发射短促的超声当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间波脉冲时，经过时间t t后，探头接到从后

26、，探头接到从液面反射回来的回声脉冲。因此，探液面反射回来的回声脉冲。因此，探头到液面的距离头到液面的距离（二）（二）分类分类:依据使用特点依据使用特点可分为可分为:定定点式物位信号器和连续指示式超声物点式物位信号器和连续指示式超声物位计两大类。位计两大类。定点式定点式物位信号器用于测量被测物位物位信号器用于测量被测物位是否到达预定高度是否到达预定高度(通常是安装测量探通常是安装测量探头的位置头的位置)，并发出相应的开关信号。，并发出相应的开关信号。连续指示式连续指示式超声物位计大都采用回波超声物位计大都采用回波测距法测距法(即声纳法即声纳法)连续测量液位、固连续测量液位、固体料位或液体料位或液液分界面位置。液分界面位置。