自動(dòng)檢測技術(shù)7.物位

1、7. 7. 物位檢測物位檢測7.1 概述7.2 常有物位檢測儀表測量物位的兩個(gè)目的測量物位的兩個(gè)目的：一是通過測量物位來確定容器或：一是通過測量物位來確定容器或儲(chǔ)罐里的原料、半成品或成品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)中各儲(chǔ)罐里的原料、半成品或成品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)之間的物料平衡或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；二是通過物位測環(huán)節(jié)之間的物料平衡或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；二是通過物位測量可以及時(shí)了解生產(chǎn)的運(yùn)行情況，以便將物位控制在一量可以及時(shí)了解生產(chǎn)的運(yùn)行情況，以便將物位控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。個(gè)合理的范圍內(nèi)，保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。7.1.1物位的定義物位的定義物位指設(shè)備和容器中物料

2、的表面位置物位指設(shè)備和容器中物料的表面位置液位：液位：容器中液體介質(zhì)液面的高低容器中液體介質(zhì)液面的高低界面：界面：兩種液體介質(zhì)的分界面的高低兩種液體介質(zhì)的分界面的高低料位：料位：固體塊狀、顆粒、粉末狀物質(zhì)的堆積高度固體塊狀、顆粒、粉末狀物質(zhì)的堆積高度7.1概述 7.1.2常用物位檢測方法常用物位檢測方法按測量方式分按測量方式分：連續(xù)測量連續(xù)測量連續(xù)測量物位的變化；連續(xù)測量物位的變化；定點(diǎn)測量定點(diǎn)測量只檢測物位是否達(dá)到上限、下限或某個(gè)特定的位置，這只檢測物位是否達(dá)到上限、下限或某個(gè)特定的位置，這種定點(diǎn)測量用的儀表被稱為種定點(diǎn)測量用的儀表被稱為物位開關(guān)物位開關(guān)。一般用來監(jiān)視、報(bào)警、輸出。一般用來監(jiān)

3、視、報(bào)警、輸出控制信號。控制信號。按工作原理分：按工作原理分：直讀式直讀式根據(jù)流體的連通性（根據(jù)流體的連通性（側(cè)壁窗口、旁通管側(cè)壁窗口、旁通管）原理來測量液位。）原理來測量液位。 靜壓式靜壓式根據(jù)流體靜力學(xué)原理，根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某根據(jù)流體靜力學(xué)原理，根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點(diǎn)上產(chǎn)生的點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化靜（差）壓力的變化的原理測量物位。的原理測量物位。 浮力式浮力式根據(jù)阿基米德定律，根據(jù)阿基米德定律，浮子高度浮子高度隨液位高低而改變來測量液隨液位高低而改變來測量液位（位（恒浮力式恒浮力式）或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的）或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）

4、的浮力浮力變化變化來測量液位（來測量液位（變浮力式變浮力式）。）。電氣式電氣式根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化電量變化的原理來測量物位。的原理來測量物位。 機(jī)械接觸式機(jī)械接觸式通過測量探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī)械力來測量。通過測量探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī)械力來測量。 另外還有：另外還有：輻射式、輻射式、聲學(xué)式、光學(xué)式、射線式聲學(xué)式、光學(xué)式、射線式微波式、微波式、 激光式、激光式、 射流式、射流式、 光纖維式光纖維式等等。等等。7.2常有物位檢測儀表7.2.1靜壓式液位計(jì)靜壓式液位計(jì)1.測量原理測量原理根據(jù)液體的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理。根據(jù)液體的液位與液柱高度產(chǎn)

5、生的靜壓力成正比的原理。圖（圖（a）為）為敞口容器敞口容器，將壓力計(jì)與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學(xué)原理，所測壓，將壓力計(jì)與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學(xué)原理，所測壓力與液位的關(guān)系為力與液位的關(guān)系為P=P=HgHg ，H=P/H=P/gg 圖圖(b)(b)為為密閉容器密閉容器，差壓液位傳感器的高壓側(cè)與容器底部的取壓管相連，低壓側(cè)，差壓液位傳感器的高壓側(cè)與容器底部的取壓管相連，低壓側(cè)與液面上方容器的頂部相連。差壓傳感器高、低壓側(cè)所感受的壓力分別為與液面上方容器的頂部相連。差壓傳感器高、低壓側(cè)所感受的壓力分別為 P P高高= =P P氣氣+ +H Hgg ， P P低低= = P P氣，氣，壓差為壓差

6、為P=P= P P高高- - P P低低= = H Hgg ，H=P/H=P/gg 綜上所述，利用綜上所述，利用靜壓原理測液位，就是把液位測量轉(zhuǎn)化為壓力或差壓測量靜壓原理測液位，就是把液位測量轉(zhuǎn)化為壓力或差壓測量，所以，所以各種壓力或差壓式測量傳感器都可以用來測量液位。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(dāng)液但是，當(dāng)液位零面與檢測儀位零面與檢測儀表的取壓口不在表的取壓口不在同一水平高度時(shí)，同一水平高度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的靜會(huì)產(chǎn)生附加的靜壓誤差。就需要壓誤差。就需要進(jìn)行進(jìn)行零點(diǎn)遷移。零點(diǎn)遷移。差壓變送器上測得的差壓為：差壓變送器上測得的差壓為：120pppghgh 為了使液位的零點(diǎn)

7、和滿量程仍能與差壓變?yōu)榱耸挂何坏牧泓c(diǎn)和滿量程仍能與差壓變送器的輸出下限和上限相對應(yīng)，就必須克送器的輸出下限和上限相對應(yīng)，就必須克服固定差壓服固定差壓gh0的影響，采用零點(diǎn)遷移就的影響，采用零點(diǎn)遷移就可實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)。由于由于h0g作用在正壓室上，稱之為作用在正壓室上，稱之為正遷移正遷移。通過零點(diǎn)遷移，使差壓式液位計(jì)的測量范通過零點(diǎn)遷移，使差壓式液位計(jì)的測量范圍調(diào)整為圍調(diào)整為gh0（gh0+ghmax）（即液位）（即液位從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為420mA。 2.零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移通過通過差壓差壓計(jì)內(nèi)的遷移彈簧的調(diào)整計(jì)內(nèi)的遷移彈簧的調(diào)整，對感壓元件預(yù)加一個(gè)作

8、對感壓元件預(yù)加一個(gè)作用力，將用力，將儀表的零點(diǎn)輸出儀表的零點(diǎn)輸出與與液位零點(diǎn)液位零點(diǎn)對應(yīng)一致對應(yīng)一致。 差壓變送器差壓變送器（1）液位測量的）液位測量的正遷移正遷移取壓口低于容器底部取壓口低于容器底部2100ABApppphgph ghg液位、差壓信號、電流輸出信號之間的關(guān)系液位、差壓信號、電流輸出信號之間的關(guān)系液位液位h(mm)差變輸入差變輸入p(kpa)差變輸出差變輸出I0(mA)無遷移無遷移00（例：例：0mmH2O)）4Hmaxpmax(例：例：5000mmH2O)20正遷移正遷移遷遷移移前前0Hmaxg h0 0（例：（例：2000mmH2O）pmax（pmax +g h0）（例：（

9、例：（5000 +2000）mmH2O）4(例：例：10.4mA)20遷遷移移后后0Hmax(h0=200m)g h0g h0+gHmax(20007000mmH2O)420負(fù)遷移負(fù)遷移遷遷移移前前0-(1g h11g h0)04Hmaxpmax )，則則12101()pppghg hh （2）液位測量的）液位測量的負(fù)遷移負(fù)遷移介質(zhì)有可凝結(jié)蒸汽或腐蝕性時(shí)介質(zhì)有可凝結(jié)蒸汽或腐蝕性時(shí)211101AApphgpphghg對比無遷移情況，對比無遷移情況，P多了一項(xiàng)壓力多了一項(xiàng)壓力-（h1- h0）1g，它作用在負(fù)壓室上，它作用在負(fù)壓室上，稱之為稱之為負(fù)遷移負(fù)遷移量。為了遷移掉量。為了遷移掉-(h1-

10、h0)1g的影響，可以調(diào)整負(fù)遷移彈簧的的影響，可以調(diào)整負(fù)遷移彈簧的張力來進(jìn)行負(fù)遷移以抵消掉張力來進(jìn)行負(fù)遷移以抵消掉-(h1- h0)1g在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生的力。在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生的力。液位計(jì)的測量范圍調(diào)整為液位計(jì)的測量范圍調(diào)整為-(h1- h0)1ghmaxg-(h1- h0)1g （即液位（即液位從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為從零液面到上限液面），液位計(jì)輸出為420mA。 例題：如圖，例題：如圖，解：解：遷移量即測量下限遷移量即測量下限： 3322121950/,1200/,9.8/,5.0 ,1.00 3.0 ,kg mkg mgm shm hmHm液位變化范圍求差壓液位計(jì)量程、遷移量。所以，

11、差壓計(jì)的量程（大?。┧裕顗河?jì)的量程（大?。?490Pa-（-34790Pa）35280Pa。遷移量為負(fù)遷移遷移量為負(fù)遷移= -34.79kPa（結(jié)論：遷移只是改變量程范圍的上、下限，而不改變量程大小。）（結(jié)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：測量上限：3.3.安裝方式安裝方式（1）引壓管（壓力表）式通過引壓管引出正、負(fù)壓力，）引壓管（壓力表）式通過引壓管引出正、負(fù)壓力，直接測壓；直接測壓；（2）法蘭式）法蘭式應(yīng)用于具有腐蝕應(yīng)用于具有腐蝕/結(jié)晶結(jié)晶/粘度大粘度大/易凝固液體易凝固液體 避免與液體直接接觸，省去引壓導(dǎo)管避免與液體直接接觸，省去引壓導(dǎo)管 壓力表式液位

12、計(jì)壓力表式液位計(jì)圖 法蘭式差壓變送器測量液位1法蘭式測量頭；2毛細(xì)管；3變送器 單法蘭式單法蘭式 雙法蘭式雙法蘭式 為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。 用差壓計(jì)檢測液位，其取決于測壓儀表的精度，以及液體溫度對其密度的影響。7.2.2.1.7.2.2.1.浮子式液位計(jì)浮子式液位計(jì)原理（恒浮力式）原理（恒浮力式）浮子隨液面變化而產(chǎn)生位移。浮子隨液面變化而產(chǎn)生位移。1.1.鋼帶浮子式液位計(jì)鋼帶浮子式液位計(jì)是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。就地

13、顯示。浮子向下的重力浮子向下的重力 向上的浮力拉力向上的浮力拉力7.2.2浮力式液位計(jì)浮力式液位計(jì)2.2.磁浮子式液位計(jì)磁浮子式液位計(jì)測量原理測量原理以磁性浮子為測量元件，經(jīng)磁耦合裝置將容器內(nèi)液位變化傳送到現(xiàn)場指示器或遠(yuǎn)傳。 結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成在容器內(nèi)插入下端封閉的不銹鋼管，管內(nèi)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(gè)可上下滑動(dòng)的佛珠形浮子，內(nèi)中裝有環(huán)行永磁鐵氧體，環(huán)行永磁體的兩面分別設(shè)有N極和S極。當(dāng)裝有環(huán)行磁鐵的浮子隨液位上下移動(dòng)時(shí)，由于磁力線的作用，使得處于管中的舌簧管吸合導(dǎo)通，而其他的舌簧管則處于開路狀態(tài)。把不銹鋼管內(nèi)的所有電阻和舌簧管按圖（b）連接，則隨著液

14、位的升降，AC間或AB間的阻值就相繼改變。只要配上相應(yīng)的檢測電路，就可將電阻值變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)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(diǎn)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，顯示清晰直觀。 7.2.2.2.7.2.2.2.浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì)原理（變浮力式）原理（變浮力式）當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，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?；芨×σ沧兓?，通過測量浮力變化確定出液位變化量。 在達(dá)到平衡時(shí)：在達(dá)到平衡時(shí)：浮筒向下的重力彈簧彈性力浮筒向下的重力彈簧彈性力 向上的浮力向上的浮力推導(dǎo)結(jié)果：推導(dǎo)結(jié)果： H=k x結(jié)論

15、：結(jié)論：當(dāng)液位變化當(dāng)液位變化H時(shí)，使浮筒產(chǎn)生時(shí)，使浮筒產(chǎn)生位移位移x，浮筒位移浮筒位移x與液位變化與液位變化H成比例關(guān)系。成比例關(guān)系。檢測浮筒位移檢測浮筒位移x的方法有多種，如的方法有多種，如差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式、扭力管力平衡式扭力管力平衡式等。等。圖中浮筒連桿上裝一鐵心，隨浮筒上下圖中浮筒連桿上裝一鐵心，隨浮筒上下移動(dòng)，經(jīng)差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換為與位移成比移動(dòng)，經(jīng)差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換為與位移成比例的電壓輸出。例的電壓輸出。 1- 1-浮筒，浮筒，2-2-彈簧，彈簧，3-3-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器7.2.3其它物位計(jì)7.2.3.17.2.3.1電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)CCrRHCrRHrRHLC02102

16、1ln2ln2ln2利用敏感元件直接把物位變化轉(zhuǎn)換為電容量變化利用敏感元件直接把物位變化轉(zhuǎn)換為電容量變化組成組成敏感元件電容檢測電路敏感元件電容檢測電路圓筒形電容器構(gòu)成圓筒形電容器構(gòu)成兩個(gè)長度為兩個(gè)長度為L L，半徑為，半徑為R R和和r r圓筒形金屬導(dǎo)體組圓筒形金屬導(dǎo)體組 成；成；當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為的介質(zhì)的介質(zhì)時(shí)，則電容量為：時(shí)，則電容量為：R和和r當(dāng)兩圓筒電極的一部分被物料浸沒時(shí)，極板當(dāng)兩圓筒電極的一部分被物料浸沒時(shí)，極板間兩種介電常數(shù)間兩種介電常數(shù)1 1、 2 2將引起電容量的變化，將引起電容量的變化， ：rRLCln201內(nèi)電極；2外電極電容式物位計(jì)可以測

17、量液位、料位和界位電容式物位計(jì)可以測量液位、料位和界位1內(nèi)電極；2外電極；3絕緣套；4流通小孔對非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量對非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量：當(dāng)液位為零時(shí)，其電容為當(dāng)液位為零時(shí)，其電容為 。當(dāng)液位上升為當(dāng)液位上升為H H時(shí)，電容量變?yōu)闀r(shí)，電容量變?yōu)閷?dǎo)電介質(zhì)液位測量對導(dǎo)電介質(zhì)液位測量：用外包絕緣層的金屬用外包絕緣層的金屬棒做內(nèi)電極，外電極即液體介質(zhì)，液位變化棒做內(nèi)電極，外電極即液體介質(zhì)，液位變化引起極板長度的改變。引起極板長度的改變。0 0為為空氣介電常數(shù)空氣介電常數(shù)為液體為液體介電常數(shù)，電容量的變化為介電常數(shù)，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。由于固體間用電容法可以測

18、量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大，容易磨損較大，容易“滯留滯留”，可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極，可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導(dǎo)電固體料位來測量非導(dǎo)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(guān)系為電容量變化與料位升降的關(guān)系為圖 料位檢測優(yōu)點(diǎn)：電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用優(yōu)點(diǎn)：電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用方便，價(jià)格較低。方便，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：需借助較復(fù)雜的電子線路來檢測電容的變化缺點(diǎn)：需借助較復(fù)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）。（交流電橋法，充放電法，諧振電路法）。注意：介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)能引起

19、其介電系數(shù)也注意：介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)能引起其介電系數(shù)也發(fā)生變化的情況。發(fā)生變化的情況。 7.2.3.27.2.3.2超聲波物位計(jì)超聲波物位計(jì)工作原理工作原理是由換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)是由換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時(shí)間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。需時(shí)間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。如果超聲探頭到液面的距離為如果

20、超聲探頭到液面的距離為H，聲波在水中的傳播速度為，聲波在水中的傳播速度為v則：則：分類分類按傳聲介質(zhì)分氣介式、液介式、固介式按傳聲介質(zhì)分氣介式、液介式、固介式tvH21 氣介式氣介式 液介式液介式 固介式固介式 超聲波（高于超聲波（高于20kH20kHZ Z的聲波），方向性強(qiáng)，在氣、液、固體中傳播，的聲波），方向性強(qiáng)，在氣、液、固體中傳播，傳播速度與衰減不同，在穿過相界面時(shí)幾乎為全反射。傳播速度與衰減不同，在穿過相界面時(shí)幾乎為全反射。超聲波的接收和發(fā)射超聲波的接收和發(fā)射原理原理基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)；基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)；壓電晶體壓電晶體當(dāng)壓電晶體受到外力（聲波聲壓）作用時(shí)，晶體兩端將當(dāng)壓電晶體受到外力（聲波聲壓）作用時(shí)，晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生與外力同步變化的極性相反的電荷；反之，將交變電壓加在會(huì)產(chǎn)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(gè)端面的電極上，沿晶體厚度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同晶體兩個(gè)端面的電極上，沿晶體厚度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同頻率的機(jī)械振動(dòng)，向外發(fā)射聲波；頻率的機(jī)