常见的物位检测方法及物位计

物位检测
第一节 物位检测的意义及主要类型
物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如 蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅 炉的安全，造成严重事故。 一、物位的基本概念 液位：容器中液体介质的高低 料位：容器中固体物质的堆积高度
界面：两种密度不同液体介质的分界面的高度
测量液位的仪表叫液位计，测量料位
零点迁移的方法是，另加＋ ( h2- h1)2g 信号，抵
消－( h2- h1)2g的影响。使：H =0 时， Δp =0
迁移前 ∆p 迁移后 ∆p
0 20 I/mA
H 0 20 H
I/mA
4
∆p
4
∆p
这种迁移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。
这种迁移是向负方向迁移了一个固定压差值， 故称之为负迁移。
插入式法兰
平法兰
ρ
汽
ρ
ρ
液
冷
差压式物位检测例题






4、如图所示，通过双室平衡容器来测量锅炉汽包水位。已知P1＝ 3.82 MPa ,ρ汽＝19.7 kg/m3,ρ液＝800.4 kg/m3，ρ冷＝915.8 kg/m3， h1＝0.6 m ，h2=1.5 m，求差压变送器的量程及迁移量。 解：差压液位计的量程ΔP ΔP＝ h1（ρ液－ρ汽）g ＝0.6（800.4-19.7）×9.807 ＝4593.8 Pa 当液位最低时，差压液位计的正、负压室的受力为 P+＝P1+ h1ρ汽g+ h2ρ水g ＝3.82×106+0.6×19.6×9.807+ h2ρ水g＝3820115.3+ h2ρ水g P-＝P1+ h1ρ冷g+ h2ρ水g ＝3.82×106+0.6×915.8×9.807+ h2ρ水g ＝3825388.8+ h2ρ水g 于是迁移量P＝P+－P-＝-5273.5 Pa 因P+＜P-，故为负迁移。 仪表的测量范围为-5273.5～-679.7 Pa（-5273.5+4593.8）

七、超声波物位计
• 利用声波在空气中传播速度 不变的原理，通过检测声波 发射和反射全过程的时间间 隔可以计算出物料界面到探 头的距离，从而得到物位的 高低。 • 注意事项：
– 确保反射波能回到探头； – 防止物料对声波的吸收（如表 面泡沫漂浮）。
2.4.1.4
温度的测量
• 温度是化工过程中最普遍而重要的操作 参数。
2.4.3.2
电动执行机构——概念
2.4.3.3
气动执行机构——概念
2.4.3.4
调节机构——概念
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
2.4.4
2.4.1.3
物位的测量
• 物位：
– 液位：容器中液体表面的高低； – 料位：容器中固体的堆积高度； – 界面：两相物质的交界面。
物位计的分类
• • • • • • • 直读式物位计 浮力式物位计 压差式物位计 电磁式物位计 核辐射式物位计 超声波物位计 光电式物位计
一、直读式物位计
• 用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻 璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以 直接显示容器内液位的高低。
• 2.气压传动的缺点 气压传动的缺点
• 1)由于空气具有可压缩性,因此工作速度稳定性稍差.但采 用气液联动装置会得到较 满意的效果. • 2)因工作压力低(一般为 0.310MPa),又因结构尺寸不宜过 大,总输出力不宜大于 1 0～40kN. • 3)噪声较大,在高速排气时要加消声器. • 4)气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速 慢,因此,气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路.

4、电磁式物位仪表：使物位的变化转换为 一些电量的变化，如电容式、电极式。
5、核辐射物位仪表：利用射线透过物料时 其强度随物质层的厚度而变化的原理。
6、声波式物位仪表：由于物位的变化引起 声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离 的不同，测出这些变化就可测知物位。根据 工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式 。
C 2 (2 1)H KH
ln(D d )
1
2
L H
当电容器的几何尺寸和介电
物位检测
第一节 物位检测的意义及主要类型
物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如 蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅 炉的安全，造成严重事故。
一、物位的基本概念 液位：容器中液体介质的高低 料位：容器中固体物质的堆积高度 界面：两种密度不同液体介质的分界面的高度
测量液位的仪表叫液位计，测量料位 的仪表叫料位计，测量两种密度不同液体 介质的分界面的仪表叫界面计。
全、正常进行。
三、检测方法分类 物位传感器种类较多, 按其工作原理可分为下列
几种类型:
1、直读式物位仪表：根据流体的连通性原 理测量液位。如玻璃管液位计、玻璃板液位 计等。
2、差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积 对某定点产生压力的原理而工作。
3、浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力 随液位高度而变化的原理工作。
二、零点迁移问题 差压变送器安装位置条件不同存在着仪表零点迁
移问题。 1．无迁移 理想测量条件下，液位H=0时，变送器的输入压
差信号∆P=0，差压变送器的输出为零点信号4mA。 零点是对齐的：
H＝0时
p = Hg =0
I0=4mA 这种情况称为无迁移。
实际应用时，由于差压变送器安装位置的限制， 测量零点很难对齐，需要对变送器的零点进行迁移。

2 1 L 2 ( 2 1 ) H C C 0 R R ln ln r r
r
r
当圆筒形电容器几何尺寸一定，电容器电容 增量与液位高度H成正比。同时，两种介质的 介电常数的差值越大，△C越大，灵敏度高。
• 测量非导电液体的电容液位传感器如图所示。它是由 金属棒做成的内电极和由外壁带孔的金属圆筒做成的 外电极两部分构成的圆筒形电容器。测量时，将其竖 直放在被测液体中，若设空气的介电常数为 1 ，当液 位为零时，该圆筒形电容器的电容量为
4、吹气式液位计 当测量具有腐蚀性、高黏度或 含有悬浮颗粒的敞口容器液位， 且准确度要求不很高时，常选用 吹气式液位计。 吹气式液位计的原理如图， 在敞口容器中插入一根导管，压 缩空气作为气源首先经过滤器过 滤，再通过减压阀使压力降至某 一恒定值，并由气源压力计指示， 该恒定压力的大小按被测液位高 度而定。具有恒定压力的洁净压 缩空气再流经起限流、恒流作用 的节流阀，其流量大小由浮子流 量计指示。最后恒流气体从导管 下端敞口处逸出，鼓泡并通过液 体进入大气。
物位检测的主要方法
• • • • •
静压式物位检测 浮力式液位检测 电气式物位检测 声学式物位检测 射线式物位检测
第一节 静压式物位检测
静压法测量原理 若液位的高度位h， 则液体底部的压力为：
P B gh
p P B gh p h 所以测得表压力p即可求得 g 液位高度h。
正压室： P P 1 gH 2 gh1 1 负压室： P P 2 gh2 1 差压：
P 1 gH 2 g (h2 h1 )
第二节 浮力式液位检测
上限水银 开关
磁钢 下限 水银 开关 非导 磁管
一．恒浮力式液位检测： 基本原理：浮于液面上的浮子随 着液位上升或下降，根据浮子的 调整箱组件 位置实现液位的检测。 既可测量液位，也可测密度不等 的两种液体的界面，但密度差应 足够大。浮子式和浮球式是典型 的恒浮力式液位计 有：浮子重锤液位计、浮子钢带 液位计、浮顶罐、浮球式。

物位检测仪表
内容
概述 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电容式物位仪表 辐射式物位仪表 超声波物位计
1 概述
几个概念
在容器中液体介质的高低叫液位， 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位 测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计 测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计 在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要 测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表 称为物位开关
理 声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波
反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原 理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。 光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作 ……
2 差压式液位计 基本工作原理 Δ P=ρ gH
零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin（如4mA）
Δ P=ρ 1gH Δ P=ρ 1gH -ρ 2g（h2-h1）Δ P=ρ 1gH +ρ 1gh1
无迁移
负迁移
正迁移
迁移量：-ρ 2g（h2-h1） 迁移量：ρ 1gh1
3 浮筒式液位计
输出指示器
弹簧 磁钢
室
浮 筒
F浮 F弹
浮 筒
G
内置式 静井
外置式
基本工作原理 主要由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和输出指示器
6 超声波物位计
利用声波在介质中传播速度 不变的原理，通过检测声波 发射和反射全过程的时间间 隔可以计算出物料界面到探 头的距离，从而得到物位的 高低。
注意事项：
确保反射波能回到探头；
防止物料对声波的吸收（如表 面泡沫漂浮）。
当电容器的几何尺寸和介电常数保持不变时，电容变化量就与物位高度H成正比。

四．量程迁移：
为了使变送器的 输出不受固定压 差的影响，采用 零点迁移法，进 行负迁移，迁移 量为Pg。
• 例如：已知 h1 1.0m ，
3 1 1200 kg / m3 ， 2 950kg / m，
h2 5.0m ， Lm 0 3.0m，
四．量程迁移：
液位高度变化形成的 差压值为：
一．恒浮力式液位检测： 基本原理：浮于液面上的浮 子随着液位上升或下降， 根据浮子的位置实现液位 的检测。 例如：浮球式水位控制器：
上限 水银 开关 调整箱 组件
磁钢
下限 水银 开关 非导 磁管
连杆
浮球 浮筒
二．变浮力式液位检测（浮筒式液位计）
将一质量为 m的浮筒悬挂在弹簧 上，弹簧的下端被固定，当测量 桶内无水时，浮筒的重力与弹簧 力达到平衡时，有：
2、超声波的应用 超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz之间，对钢等金属材料 的检验，常用的频率为1-5MHz。 (1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波， 在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具 有良好的方向性，可以定向发射。 (2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强) 与频率平方成正比。
主要分类
静压式物位检测
浮力式液位检测
电气式物位检测
声学式物位检理
若液位的高度位h，则液 体底部的压力为：
P B gh
p P B gh p h g
h
所以测得表压力p即可求得液位高度h。
二．压力式液位计 （开口容器的液位测量） 1．用压力表测量液位：
(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。
(4)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大， 穿透能力强。

雷达头发射微波探测信号，当遇到被测物 料时，在物料表面产生反射，反射的微波 被雷达头接收，并将其传输给电子线路， 微处理器对此信号进行处理，识别出微波 在物料表面所产生的回波，正确的回波信 号识别由智能软件完成。 微波物位计按使用微波的波形分类，可分 为调频连续波（FMCW）、脉冲波 （PULSE）两类。
可见，被测介质物位与电容量的变化 呈正比，只须通过测量电路对电容的 检测与转换将其变为标准的电流信号 输出，即可求出被测介质物位H。
用于测量导电性物 位电容式液位计， 它是一根金属棒插 入盛液容器内，金 属棒作为电容的一 个极（包有绝缘材 料），导电液体和 容器壁构成电容器 的外电极。
3.6.5 静压式物位检测
W A ( H x ) g k ( x0 x )
H (1 k A g ) x
(二)浮子液位计
由非磁性的直管、浮子， 以及直管外的指示器三者 组成。 当液位升降时，管中磁性 浮子也随之升降，浮子内 的永久磁钢通过磁耦合传 递到磁翻柱指示器，驱动 翻柱翻转，当液位升时翻 柱由白色转变为红色，当 液位降时 翻柱由红色转变 为白色，红白交界处为容 器内部液位的实 际高度。
超声波探头安装于容器底部，所测液 位高度H为
H 1 2 c.t
(三)液—液超声波相界面传感器原理
超声波探头安装于容器底部，A、B两种 液体相界面在H处. 超声波在A、B两种液体的传播速度为v1、 v2，设超声波在液体A中传播并被相界面 反射回来的往返时间为t1、超声波在液体 A,B中传播并被液面反射回来的往返时间 为t2，
f f 2 f1 4F f 0 C L
f1 f2
f0
——回波频率； f 0 ——固态源初始频率；

2.1.1.差压液位计应用实例 2.1.1.差压液位计应用实例1 差压液位计应用实例1
基本关系： dP=Hpg+hpg ; 1)当液位低于Hmin时，H=0 1)当液位低于Hmin时，H=0 ， dP=hpg 零点迁移值 2)液位测量正常工作于： 2)液位测量正常工作于： Hmin < H < Hmax 3)当液位等于Hmax时：H=Hmax 3)当液位等于Hmax时：H=Hmax dP=Hmaxpg+hpg=dPmax 出现最大值dPmax 出现最大值dPmax 问题：实际生产过程可能出现超 过上限液位，即H>Hmax, 过上限液位，即H>Hmax, 这时dP=? 这时dP=? 超液位后又回到正常状态， 这时dP=? 这时dP=? 结论：右图设计方案在实用中存 在无法复原的问题，不适合实际 应用。
6、雷达式液位计
雷达波由天线发射
天线
2H 0 t= c
H = L − H0 c = L− t 2
C---电磁波传播速度，300000km/s H0
L
H
7、超声波物位仪表
利用超声波，遇到相界面时， 利用超声波，遇到相界面时， 发生部分反射，部分折射入 相邻介质的原理，通过检测 相邻介质的原理，通过检测 超声波从发射到反射的全过 声波从发射到 程的时间间隔可以计算出物 程的时间间隔可以计算出物 料界面到探头的距离，从而 得到物位的高低。 注意事项：
零点迁移：差压计的调整零点位置机构对感压元 件预加一个作用力将仪表的零点迁移到与液位零 点相重合的地方。 为使仪表零点指示液位的零点需要调整的迁移量 为正值的话那么这种迁移成为正迁移，反之，迁 移量为负值的话就叫负迁移。 对于有可凝结蒸汽或采用隔离介质的液位测量 系统，差压计的负压侧通 常有一个固定的压力偏置 量如图所示，这时加在两 侧的压力为：

ρ1=ρ2，则h1=h2
二、浮力式物位仪表
分：恒浮力（浮子）和变浮力（沉筒）
1 恒浮力式液位计：
原理：当浮标受力平衡时，浮标可以随液 面稳定： W F G
式中 W——浮标的重力； F——浮标所受的浮力； G——平衡重物的重力。
液位上升时，其上浮力F增加，W F G ，浮标向上移动。直达到 新的力平衡，反之亦然。因而实现了浮标对液位的跟踪。通过同步移 动 的平衡锤便可以指示出液位的高度。 特点：简单直观，测量精度低。 误差原因：滑轮摩擦，钢丝绳热胀冷缩。
5.测量固体颗粒料位
通常采用一根金属电极棒与金属容器壁构成电容器的两电
极。传感器电容量：
2 ( 0 ) CX h ln D0 / d
ε 为固体物料的介电常数；D0为容器的内径。
测量非导电固体颗 粒料位原理
电容式物位计的特点
无可动部件，与物料密度无关 需要考虑温度对介电常数的变化的影响 物料（特别是粉料）由于含水量的不同、以及物料的混 合比例、密度、导电性等都极大地影响它的介电常数， 导致物位计不能正常工作。并且如果在物位计的绝缘子 上滞留粉料会导致物位计失灵，因此不适合测量粉料。 物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是几微法至 几百微法，易受干扰影响，电容测量比较困难
1
这说明，如果不对该液位计进行调整，它能检测的界面范围仅为 0～128.6mm，变送器输出与界面之间的关系如曲线2所示
浮筒式液位计
为使该液面计能在界面0～300mm范 围内进行检测，应对它进行重新标定。 300 设界面为0时，由于液体1对浮筒产生 H 的浮力相当于水的液位为 H 0 时的浮 力，则 300 820Ag 1000H0 Ag
2．按传感器与被测介质是否接触分类