化工儀表自動化-第3章-4

化工儀表自動化四川理工學院電信系自動化教研室第三章檢測儀表與傳感器3.1概述3.2壓力檢測及儀表3.3流量檢測及儀表3.4物位檢測及儀表3.5溫度檢測及儀表3.6現代檢測技術與傳感器的發展23.4物位檢測及儀表2差壓式液位變送器33概述31電容式物位傳感器4核輻射物位計35稱重式液罐計量儀3概述“物位”一詞統指設備和容器中液體或固體物料的表面位置。對應不同性質的物料又有以下的定義。液位指設備和容器中液體介質表面的高低。料位指設備和容器中所儲存的塊狀、顆粒或粉末狀固體物料的堆積高度。界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液-液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置簡稱界位。4概述物位是液位、料位、界位的總稱。測量液位的儀表叫液位計；測量料位的儀表叫料位計；測量兩種密度不同液體介質的分界面的儀表叫界面計。上述三種儀表統稱為物位儀表。5概述測量物位的目的：一種是對物位測量的絕對值要求非常準確、借以確定容器或儲存庫中的原料、輔料、半成品或成品的數量，以保證連續生產的需要或進行經濟核算；另一種是對物位測量的相對值要求非常準確，要能迅速正確反映某一特定水準面上的物料相對變化，用以連續控制生產工藝過程，即利用物位儀表進行監視和控制，使它保持在規定的范圍內，對它的上下極限位置進行報警，以保證生產安全、正常進行。6概述工業生產中對物位儀表的要求：主要的有精度、量程、經濟和安全可靠等方面，其中首要的是安全可靠。物位檢測儀表按測量方式可分為連續測量和定點測量兩大類。連續測量方式能持續測量物位的變化。定點測量方式則只檢測物位是否達到上限、下限或某個特定位置，定點測量儀表一般稱為物位開關。7概述由于被測對象種類繁多，檢測的條件和環境也有很大差別，所以物位檢測的方法有多種多樣，以滿足不同生產過程的測量要求。測量物位儀表按其工作原理主要有下列幾種類型：(1)直讀式物位儀表采用側壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。方法可靠、準確，但是只能就地指示。主要用于液位檢測和壓力較低的場合。這類儀表中主要有玻璃管液位計、玻璃板液位計等。8概述(2)靜壓式物位儀表

利用液柱或物料堆積對某定點產生壓力的原理而工作。適用于液位檢測。容器內的液面高度與液柱重量所形成的靜壓力成比例關系，當被測介質密度不變時，通過測量參考點的壓力可測知液位。這類儀表有壓力式、吹氣式和差壓式等型式。9概述(3)浮力式物位儀表利用浮子高度隨液位變化而改變或液體對浸沉于液體中的浮子(或稱沉筒)的浮力隨液位高度而變化的原理工作。它又可分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式的幾種。(4)電氣式物位儀表使物位的變化轉換為一些電量的變化，通過測出這些電量的變化來測知物位。它可以分為電阻式(即電極式)、電容式和電感式物位儀表等。還有利用壓磁效應工作的物位儀表。10概述(5)核輻射式物位儀表利用核輻射透過物料時，其強度隨物質層的厚度而變化的原理而工作的。目前應用較多的是γ射線。(6)聲波式物性儀表由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測出這些變化就可測知物位。所以聲波式物位儀表可以根據它的工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。(7)光學式物仿儀表利用物位對光波的遮斷和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白熾燈光或激光等。11概述其他型式的物位儀表：機械接觸式物位檢測儀表通過測量物位探頭與物料面接觸時的機械力實現物位的測量。這類儀表有重錘式、旋翼式和音叉式等。重點介紹差壓式液位計。12物位檢測儀表的分類和主要特征13物位檢測儀表的分類和主要特征續14浮力式液位計浮力式液位計有兩類：恒浮力式：在測量過程中浮力維持不變的，如浮標、浮球等液位計。變浮力式：根據浮筒在液體內浸沒的程度不同、所受的浮力不同來測定液位的高低。15浮力式液位計恒浮力法測量液位原理：平衡時：浮標的重量-浮力=平衡物的重量。即：W-F=G當液位上升時：浮標浸沒部分增加，浮力增大，W-F<G,浮標上升，浮力下降，使

W-F=G浮標的位置就反映了物位的高度。16浮力式液位計變浮力法測量物位的原理：設浮筒重為W，浮筒在某一位置時彈簧的伸長量為X,彈簧系數為C，A為浮筒的截面積，則：彈簧的伸長量通過差動變壓器的鐵心被轉化為電壓的變化量，采用差動連接可提高靈敏度。浮筒17浮力式液位計液位高度上升△h’時，浮筒是否上升△h’呢？18差壓式液位變送器1．工作原理敞口容器：多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的高度。P—測壓儀表指示值H—液位的高度ρ—液體的密度g—重力加速度19差壓式液位變送器密閉容器：測量容器底部壓力，除與液面高度有關外，還與液面上部介質壓力有關，其關系為根據壓力P與液位H成正比的關系，可直接在壓力表上按液位進行刻度。PA、PB——分別是液面上部介質壓力和液面以下H深度的液體壓力。20差壓式液位變送器2.零點遷移問題1）無遷移差壓變送器的高壓室取壓口正好與起始液面（H=0）在同一水平面上；差壓變送器低壓室的導壓管中沒有任何氣體的冷凝液存在；被測介質的密度保持不變。21差壓式液位變送器作用于變送器正、負壓室的差壓ΔP與液位高度H的關系為：ΔP=Hρg，當H=0時，正負壓室的差壓ΔP=0，變送器輸出信號為4mA；當H=Hmax時，差壓ΔPmax=ρgHmax，變送器的輸出信號為20mA。22差壓式液位變送器2）負遷移

變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。差壓變送器的正、負壓室的壓力分別為23差壓式液位變送器正、負壓室的壓差為當被測液位H=0時，ΔP=－（h2-h1）ρ2g<0，使變送器在H=0時輸出電流小于4mA；H=Hmax時，輸出電流小于20mA24差壓式液位變送器3）正遷移變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。正、負壓室的壓力分別為25差壓式液位變送器正、負壓室的壓差為當被測液位H=0時，ΔP=h1ρg>0，從而使變送器在H=0時輸出電流大于4mA；H=Hmax時，輸出電流大于20mA。

26差壓式液位變送器零點遷移問題（a）無遷移

（b）負遷移

（c）正遷移0500042020007000ΔP(Pa)-20003000I0(mA)某壓力變送器的測量范圍：0~5000Pa，固定差壓27差壓式液位變送器3．用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應使用在導壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。28差壓式液位變送器作為敏感元件的測量頭1(金屬膜盒)，經毛細管2與變送器3的測量室相通。在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統內充有硅油，作為傳壓介質，并使被測介質不進入毛細管與變送器，以免堵塞。采用硅油傳遞的好處是它的體積膨脹系數小，凝固點低，適用于寒冷天氣和戶外安裝條件；常溫下流動性好，無腐蝕性，性能穩定。29差壓式液位變送器法蘭式差壓變送器按其結構形式又分為單法蘭式及雙法蘭式兩種。容器與變送器間只需一個法蘭將管路接通的稱為單法蘭差壓變送器，而對于上端和大氣隔絕的閉口容器，因上部空間與大氣壓力多半不等，必須采用兩個法蘭分別將液相和氣相壓力導至差壓變送器，如圖3—46所示，這就是雙法蘭差壓變送器。這種使用方式需要進行零點遷移。30差壓式液位變送器靜壓法測量的特點：利用靜壓法測量液位，采用的壓力變送器或差壓變送器具有通用性，因為結構簡單，安裝方便，所以使用相當普遍。注意：由于浮力法和靜壓法中都涉及到液體的密度，所以儀表的讀數受液體密度變化的影響，當液體的密度發生變化時，要對標尺進行修正。31投入式液位計電容差壓變送器用于測量液體的液位32電容式物位傳感器1．測量原理在電容器的極板之間，充以不同介質時，電容量的大小也有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。通過對電容的檢測與轉換將其變為標準的電流信號輸出。33電容式物位傳感器在兩圓筒間充以介電系數為ε的介質時，圓柱形電容器的電容量的表達式為：當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質的介電常數ε的乘積成比例。這樣，將電容傳感器(探頭)插入被測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起其電容量的變化，從而可檢測出物位。RL34電容式物位傳感器電極間充入高度為H的介質前后電容量的變化值為：由此可見，電容量的變化量與充料高度成正比。測量電容量變化即可知料位的變化。HL35電容式物位傳感器2．液位的檢測對非導電介質液位測量的電容式液位傳感器原理如圖3—48所示。電容式液位傳感器由內電極1和一個與它相絕緣的同軸金屬套筒做的外電極2所組成，外電極2上開很多小孔4，使介質能流進電極之間，內外電極用絕緣套3絕緣。上述電容式液為位計在結構上稍加改變以后，也可以用來測量導電介質的液位。36電容式物位傳感器電容式傳感器的檢測大致可分成三種工作方式。37電容式物位傳感器(a)適用于立式圓筒形導電容器，非導電液體或固體粉末的物位測量。在這種應用中，器壁為電容的外電極，沿軸線插入金屬棒，作為內電極。(c)適用于立式圓筒形導電容器，且物料為導電性液體的液位測量。38電容式物位傳感器(b)適用于非金屬容器，或雖為金屬容器，但非立式圓筒形，物料為非導電性液體的液位的測量。在這種應用中，中心棒狀電極的外面套有一個同軸金屬筒，并通過絕緣支架互相固定，金屬筒的上下開口，或整體上均勻分布多個小孔，使筒內外的液位相同。中央圓棒與金屬套筒構成兩個電極，電容的中間介質為氣體和液體物料。這樣組成的電容Cx與容器的形狀無關，只取決于液位的高低。由于固體粉粒容易滯留在極間，所以此種電極不適于固體物位的測量。39電容式物位傳感器3．料位的檢測用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大，容易“滯留”，所以一般不用雙電極式電極。可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。40電容式物位傳感器充放電法測電容：矩形波周期T遠大于充放電回路的時間常數，每個周期都有電荷Q=CxΔE對Cx充放電，可得到平均電流：41電容式物位傳感器電容式物位計的特點：可測量液位、粉狀料位、也可測界位，具有結構簡單，安裝要求低等特點但當被測介質粘度較大時，液位下降后，電極表面仍會粘附一層被測介質，從而造成虛假液位示值，嚴重影響測量精度。被測介質的溫度、濕度等變化都能影響測量精度，當精度要求較高時，應采用修正措施。42電容式物位傳感器聚四氟乙烯外套43電容式物位傳感器當油箱中注滿油時，指針停留在轉角為m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的位置（x處）。

該油量表屬于開環系統還是閉環系統？電容式油量表44電容式物位傳感器電容式接近開關在液位測量控制中的使用45電容式物位傳感器電容式接近開關在液位物位測量控制中的使用46電容式物位傳感器電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示47核輻射物位計核輻射式物位儀表是根據被測物質對放射線的吸收、散射等特性而設計制造的。不同的物質對射線的吸收能力也不同，當放射線穿過一定的被測介質時，由于介質的吸收作用，會使射線的輻射強度隨著被測介質的厚度而按指數衰減。所以只要測出通過介質射線強度就可獲得物位高度。48核輻射物位計放射線同位素的輻射線射入一定厚度的介質時部分粒子因克服阻力與碰撞動能消耗被吸收只一部分粒子則透過介質。射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱。入射強度為I0，的放射源，隨介質厚度增加其強度呈指數規律衰減，其關系為：I為穿過厚度為H的物質后的輻射強度；I0為射入物質前的輻射強度；μ為物質的吸收系數；H為介質層厚度。49核輻射物位計屬于非接觸測量，可用于高溫高壓、真空密封等各種容器中液體或固體物料的物位測量。可以適應腐蝕、有毒、高粘度、爆炸性等各種困難介質和高溫、高濕、多粉塵、強干擾等惡劣的工作條件。其放射性安全防護措施需按有關規范操作。50核輻射物位計核輻射物位計的原理示意圖51稱重式液罐計量儀結構圖：52稱重式液罐計量儀用于大型儲罐液體重量的精確測量。基于天平平衡原理，具有很高的測量精度和靈敏度。測量精度不受罐內液體組分、溫度分布的影響。儀表可直接數字顯示，編碼信號便于與計算機聯用，進行數據處理或進行控制53超聲波液位計一般把頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波。聲頻越高，則發射的聲束越尖銳，方向性越強，但在介質中衰減也越大。超聲波物位儀表是基于回聲測距原理設計的，利用超聲波發射探頭發出超聲脈沖，發射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探頭將信號接收下來，測出超聲脈沖從發射到接受所需時間，根據已知介質中的波速就能計算出探頭到物位或液位表面的距離，從而確定物位的高度。54超聲波液位計根據超聲波從發射到接收反射回波的時間間隔大小與被測介質高度成比例關系的原理，實現液位測量的。根據傳聲介質的不同可以分為：液介式、氣介式、固介式三種。V—超聲波在液體中的傳播速度H—從探頭至界面的距離（被測介質物位高度）t—超聲波從探頭發射至液面反射回來的時間55超聲波液位計超聲波物位計的特點：無可動部件，換能器的振幅小，壽命長，可實現非接觸式測量；不受介質粘度的影響，并與介質的介電常數、電導率、熱導率等無關；適合強腐蝕、高壓、有毒、高粘度液體的測量；不適宜被測液體中有氣泡和懸浮物，而且液面不能有很大的波動；測量精度受聲速的影響（聲速受溫度影響）。56超聲波液位計空氣超聲探頭57超聲波液位計在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發射器和接收器，根據超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。

超聲波測量液位和物位原理58超聲波物位計

喇叭形超聲發生器59超聲波液位計

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關超聲波液位