自動檢測技術7.物位

7.物位檢測7.1概述7.2常有物位檢測儀表測量物位的兩個目的：一是通過測量物位來確定容器或儲罐里的原料、半成品或成品的數量，以保證生產中各環節之間的物料平衡或進行經濟核算；二是通過物位測量可以及時了解生產的運行情況，以便將物位控制在一個合理的范圍內，保證安全生產以及產品的數量和質量。

7.1.1物位的定義物位－指設備和容器中物料的表面位置液位：容器中液體介質液面的高低界面：兩種液體介質的分界面的高低料位：固體塊狀、顆粒、粉末狀物質的堆積高度7.1概述

7.1.2常用物位檢測方法

按測量方式分：

連續測量－連續測量物位的變化；

定點測量－只檢測物位是否達到上限、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀表被稱為物位開關。一般用來監視、報警、輸出控制信號。

按工作原理分：

直讀式－根據流體的連通性（側壁窗口、旁通管）原理來測量液位。

靜壓式－根據流體靜力學原理，根據液柱或物料堆積高度變化對某點上產生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。

浮力式－根據阿基米德定律，浮子高度隨液位高低而改變來測量液位（恒浮力式）或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力變化來測量液位（變浮力式）。

電氣式－根據把物位變化轉換成各種電量變化的原理來測量物位。

機械接觸式－通過測量探頭與物料面接觸時的機械力來測量。

另外還有：輻射式、聲學式、光學式、射線式微波式、激光式、射流式、光纖維式等等。

7.2常有物位檢測儀表

7.2.1靜壓式液位計

1.測量原理－根據液體的液位與液柱高度產生的靜壓力成正比的原理。

圖（a）為敞口容器，將壓力計與容器底部相連，根據流體靜力學原理，所測壓力與液位的關系為P=Hρg，H=P/ρg

圖(b)為密閉容器，差壓液位傳感器的高壓側與容器底部的取壓管相連，低壓側與液面上方容器的頂部相連。差壓傳感器高、低壓側所感受的壓力分別為

P高=P氣+Hρg

，P低=P氣，壓差為ΔP=P高-P低=Hρg，H=ΔP/ρg

綜上所述，利用靜壓原理測液位，就是把液位測量轉化為壓力或差壓測量，所以各種壓力或差壓式測量傳感器都可以用來測量液位。

但是，當液位零面與檢測儀表的取壓口不在同一水平高度時，會產生附加的靜壓誤差。就需要進行零點遷移。差壓變送器上測得的差壓為：為了使液位的零點和滿量程仍能與差壓變送器的輸出下限和上限相對應，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，采用零點遷移就可實現。由于h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移。通過零點遷移，使差壓式液位計的測量范圍調整為ρgh0～（ρgh0+ρghmax）（即液位從零液面到上限液面），液位計輸出為4~20mA。

2.零點遷移－通過差壓計內的遷移彈簧的調整，對感壓元件預加一個作用力，將儀表的零點輸出與液位零點對應一致。差壓變送器（1）液位測量的正遷移－取壓口低于容器底部液位、差壓信號、電流輸出信號之間的關系液位h(mm)差變輸入△p(kpa)差變輸出I0(mA)無遷移00（例：0mmH2O)）4Hmax△pmax(例：5000mmH2O)20正遷移遷移前0Hmaxρgh0>0（例：2000mmH2O）>△pmax（△pmax+ρgh0）（例：（5000+2000）mmH2O）>4(例：10.4mA)>20遷移后0~Hmax(h0=200m)ρgh0～ρgh0+ρgHmax(2000~7000mmH2O)4~20負遷移遷移前0--(ρ1gh1—ρ1gh0)<0<4Hmax<△pmax<20遷移后0~Hmax--ρ1g(h1--h0)～ρgHmax--ρ1g(h1--h0)4~20差壓變送器的正、負壓室之間就需要裝隔離罐（冷凝罐），如果隔離液的密度為ρ1(ρ1

>ρ)，則（2）液位測量的負遷移－介質有可凝結蒸汽或腐蝕性時對比無遷移情況，ΔP多了一項壓力-（h1-h0）ρ1g，它作用在負壓室上，稱之為負遷移量。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調整負遷移彈簧的張力來進行負遷移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在負壓室內產生的力。液位計的測量范圍調整為-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]（即液位從零液面到上限液面），液位計輸出為4~20mA。

例題：如圖，解：遷移量即測量下限：所以，差壓計的量程（大小）=490Pa-（-34790Pa）＝35280Pa。遷移量為負遷移=-34.79kPa（結論：遷移只是改變量程范圍的上、下限，而不改變量程大小。）測量上限：3.安裝方式（1）引壓管（壓力表）式－通過引壓管引出正、負壓力，直接測壓；（2）法蘭式－應用于具有腐蝕/結晶/粘度大/易凝固液體 避免與液體直接接觸，省去引壓導管壓力表式液位計圖法蘭式差壓變送器測量液位1—法蘭式測量頭；2—毛細管；3—變送器

單法蘭式

雙法蘭式

為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及黏度大、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，如下圖所示。按其結構形式有：用法蘭式差壓變送器測量液位

用差壓計檢測液位，其測量精度取決于測壓儀表的精度，以及液體溫度對其密度的影響。7.2.2.1.浮子式液位計原理（恒浮力式）－浮子隨液面變化而產生位移。1.鋼帶浮子式液位計－是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。浮子向下的重力＝向上的浮力＋拉力7.2.2浮力式液位計2.磁浮子式液位計測量原理－以磁性浮子為測量元件，經磁耦合裝置將容器內液位變化傳送到現場指示器或遠傳。

結構組成－在容器內插入下端封閉的不銹鋼管，管內固定一長條形絕緣板，板上緊密排列著舌簧管和電阻。在不銹鋼管外套有一個可上下滑動的佛珠形浮子，內中裝有環行永磁鐵氧體，環行永磁體的兩面分別設有N極和S極。當裝有環行磁鐵的浮子隨液位上下移動時，由于磁力線的作用，使得處于管中的舌簧管吸合導通，而其他的舌簧管則處于開路狀態。把不銹鋼管內的所有電阻和舌簧管按圖（b）連接，則隨著液位的升降，AC間或AB間的阻值就相繼改變。只要配上相應的檢測電路，就可將電阻值變為標準的電流信號（在CB間接入恒定的電壓，A端可得到與液位高度成比例的電壓信號。）特點－結構簡單，顯示清晰直觀。7.2.2.2.浮筒式液位計原理（變浮力式）－當被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位變化量。 在達到平衡時：浮筒向下的重力＋彈簧彈性力＝向上的浮力推導結果：ΔH=kΔx結論：當液位變化ΔH時，使浮筒產生位移Δx，浮筒位移Δx與液位變化ΔH成比例關系。檢測浮筒位移Δx的方法有多種，如差動變壓器式、扭力管力平衡式等。圖中浮筒連桿上裝一鐵心，隨浮筒上下移動，經差動變壓器轉換為與位移成比例的電壓輸出。1-浮筒，2-彈簧，3-差動變壓器7.2.3其它物位計

7.2.3.1電容式物位計1.測量原理－利用敏感元件直接把物位變化轉換為電容量變化組成－敏感元件＋電容檢測電路圓筒形電容器構成－兩個長度為L，半徑為R和r圓筒形金屬導體組 成；當兩圓筒間充以介電常數為ε的介質時，則電容量為：當R和r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。當兩圓筒電極的一部分被物料浸沒時，極板間兩種介電常數ε1、ε2將引起電容量的變化，兩圓筒間的電容量C

：1—內電極；2—外電極電容式物位計可以測量液位、料位和界位1—內電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔對非導電介質的液位測量：當液位為零時，其電容為

。當液位上升為H時，電容量變為對導電介質液位測量：用外包絕緣層的金屬棒做內電極，外電極即液體介質，液位變化引起極板長度的改變。2.液位的檢測ε0為空氣介電常數ε為液體介電常數，電容量的變化為

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”，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。1—金屬電極棒；2—容器壁電容量變化與料位升降的關系為圖料位檢測3.料位的檢測優點：電容物位計的傳感部分結構簡單、安裝使用方便，價格較低。

缺點：需借助較復雜的電子線路來檢測電容的變化（交流電橋法，充放電法，諧振電路法）。注意：介質濃度、溫度變化時能引起其介電系數也發生變化的情況。

4.電容式物位計特點7.2.3.2超聲波物位計工作原理－是由換能器（探頭）發出高頻超聲波脈沖遇到被測介質表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質表面的距離成正比。如果超聲探頭到液面的距離為H，聲波在水中的傳播速度為v則：分類－按傳聲介質分氣介式、液介式、固介式

氣介式液介式固介式

超聲波（高于20kHZ的聲波），方向性強，在氣、液、固體中傳播，傳播速度與衰減不同，在穿過相界面時幾乎為全反射。超聲波的接收和發射原理－基于壓電效應和逆壓電效應；壓電晶體－當壓電晶體受到外力（聲波聲壓）作用時，晶體兩端將會產生與外力同步變化的極性相反的電荷；反之，將交變電壓加在晶體兩個端面的電極上，沿晶體厚度方向將產生與所加交變電壓同頻率的機械振動，向外發射聲波；溫度補償－聲波傳播速度易隨介質的溫度變化的影響，需要進行溫度補償。構成型式－一體化超聲波液位計、分體式超聲波液位計、分體式超聲波料位計等。

特點－非接觸式，無機械可動部分，壽命長，安裝維修方便，適合于有毒、高粘度、腐蝕性強的各種液體、粉末、塊狀介質；電路復雜，造價高。7.2.3.3物位開關物位開關：在物位檢測中，有時不需要對物位進行連續測量，只需要測量物位是否達到上限、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀表被稱為物位開關。一般用來監視、報警、輸出控制信號。5.3.6水位計原理及配線圖1．原理框圖利用一般水（非純凈水）具有一定電阻的特性，構成橋式電阻輸入電路，使用比較電路來判斷水位是否到達設定電極，從而低成本準確地測出同一池中4點的水位狀態，并通過繼電器開關點位輸出到PLC中。圖5-8給出電極式水位計的原理框圖，由橋式輸入、比較器、功率放大、繼電器、開關輸出、直流穩壓電源、輸出顯示幾部分組成。

圖5-6變頻器接線圖

2．電路原理圖現以4點水位計為例進行介紹，如圖5-9所示。檢測電極與公共電極之間的電阻值或者無窮大或者是10～20k的電阻值（與水的渾濁程度有關），它取決于水位是否到達某個電極，而這個電阻又是比較器前橋路的一個橋臂電阻。因此，當水位到達某個電極時，就會觸發比較器翻轉輸出一個高電平，從而導通三極管使繼電器得電，輸出一個水位到限的接點信號到PLC中，同時點亮發光二極管。相應的輸出接點為2、4、6、8，C為公共端。圖5-9水位計電路原理圖3．水位計配線圖電極式水位計包括探頭與儀表盒兩部分。儀表盒固定在墻體上，盒下部有3個穿線孔，自左向右分別穿過探頭導線、電源與信號電纜，全部用PVC套管保護。探頭采用白鋼棍，一端接引入導線，另一端直接入水，電源與信號電纜來自于控制柜。水位計配線圖如圖5