化工儀表及自動(dòng)化

1、化工儀表及自動(dòng)化化工儀表及自動(dòng)化第四章第四章 物位檢測物位檢測內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 物位檢測的意義及主要類型物位檢測的意義及主要類型n 壓差式液位計(jì)壓差式液位計(jì)n工作原理工作原理n零點(diǎn)遷移問題零點(diǎn)遷移問題n用法蘭式差壓變送器測量液位用法蘭式差壓變送器測量液位n 其他物位計(jì)其他物位計(jì)n電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)n核輻射物位計(jì)核輻射物位計(jì)n雷達(dá)式液位計(jì)雷達(dá)式液位計(jì)n稱重式液罐計(jì)量儀稱重式液罐計(jì)量儀1第一節(jié)第一節(jié) 物位檢測的意義及主要類型物位檢測的意義及主要類型2液位 料位液位計(jì) 料位計(jì) 界面計(jì)直讀式物位儀表 差壓式物位儀表浮力式物位儀表 電磁式物位儀表核輻射式物位儀表 聲波式物位儀表光學(xué)式物位儀表第二

2、節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì)gHppAB將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相gHpppAB因此3n 一、工作原理一、工作原理圖4-1 差壓式液位計(jì)原理圖第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì) 當(dāng)用差壓式液位計(jì)來測量液位時(shí),若被測容器是敞口的,氣相壓力為大氣壓,則差壓計(jì)的負(fù)壓室通大氣就可以了,這時(shí)也可以用壓力計(jì)來直接測量液位的高低。若容器是受壓的,則需將差壓計(jì)的負(fù)壓室與容器的氣相相連接。以平衡氣相壓力 pA的靜壓作用。 結(jié)論4第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì)5n 二、二、零點(diǎn)遷移問題零點(diǎn)遷移問題gHp在使用差壓變送器測量液位時(shí)，一般來說01211pgHghp0222pghp實(shí)際應(yīng)用

3、中，正、負(fù)室壓力p1、p2分別為ghghgHpp2221121ghhgHp2121則圖4-2 負(fù)遷移示意圖第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì) 改變變送器的零點(diǎn)。 都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。 同時(shí)改變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。6第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì)圖4-3 正負(fù)遷移示意圖圖4-4 正遷移示意圖 某差壓變送器的測量范圍為05000Pa，當(dāng)壓差由0變化到5000Pa時(shí)，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如左圖中曲線a所示。負(fù)遷移如曲線b所示，正遷移如曲

4、線c所示。 7一般型號(hào)后面加一般型號(hào)后面加“A”A”的為正的為正遷移；加遷移；加“B”B”的為負(fù)遷移。的為負(fù)遷移。第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì)n 三、用法蘭式差壓變送器測量液位三、用法蘭式差壓變送器測量液位 單法蘭式單法蘭式 雙法蘭式雙法蘭式 8 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)使用法蘭式差壓變送器，如下圖所示。 圖4-5 法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1法蘭式測量頭；2毛細(xì)管；3變送器第二節(jié)第二節(jié) 差壓式液位計(jì)差壓式液位計(jì)圖4-6 單法蘭插入式差壓變送器1擋板；2噴嘴；3彈簧；4反饋波紋管；5主杠桿；6密封片；7殼體

5、；8連桿；9插入筒；10膜盒圖4-7 雙法蘭式差壓變送器1擋板；2噴嘴； 3杠桿；4反饋波紋管；5密封片；6插入式法蘭；7負(fù)壓室；8測量波紋管；9正壓室；10硅油；11毛細(xì)管；12密封環(huán)；13膜片；14平法蘭9第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)n 一、電容式物位計(jì)一、電容式物位計(jì)圖4-8 電容器的組成1內(nèi)電極；2外電極dDLCln210 通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。 第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)4-9 非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量1內(nèi)電極；2外電極；3絕緣套；4流通小孔dDLCln200當(dāng)液位為零時(shí)，儀表調(diào)整零點(diǎn)，其零點(diǎn)的電容為 對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位測量的電容式

6、液位傳感器原理如下圖所示。dDHLdDHCln2ln20當(dāng)液位上升為H時(shí)，電容量變?yōu)镠KdDHCCCiXln200電容量的變化為11第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì) 電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質(zhì)的介電系數(shù)與空氣介電系數(shù)0不等的原理進(jìn)行工作，（-0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。 12第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì) 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(dǎo)電固體料位。左圖所示為用金屬電極棒插入容器來測左圖所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。量料位的示意

7、圖。 dDHCXln20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131金屬電極棒；2容器壁圖4-10 料位檢測第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì) 電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。電容物位計(jì)的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。 需借助較復(fù)雜的電子線路。需借助較復(fù)雜的電子線路。 應(yīng)注意介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)，其介電系數(shù)也要應(yīng)注意介質(zhì)濃度、溫度變化時(shí)，其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這種情況。發(fā)生變化這種情況。14第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)n 二、核輻射物位計(jì)二、核輻射物位計(jì)HeII0 射線的透射強(qiáng)度隨著，具體關(guān)系見式（4-9）。（4-94-9）圖4-10 核輻射物位計(jì)示意圖1輻射源；

8、2接受器適用于高溫、高壓容器、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)的物位測量，還可以測量高溫融熔金屬的液位。可在高溫、煙霧等環(huán)境下工作。但由于放射線對(duì)人體有害，使用范圍受到一些限制。15第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)n 三、雷達(dá)式液位計(jì)三、雷達(dá)式液位計(jì) 雷達(dá)式液位計(jì)是一種采用微波技術(shù)的液位檢測儀表。 可以用來連續(xù)測量腐蝕性液體、高黏度液體和有毒液體的液位。 它沒有可動(dòng)部件、不接觸介質(zhì)、沒有測量盲區(qū),而且測量精度幾乎不受被測介質(zhì)的溫度、壓力、相對(duì)介電常數(shù)的影響,在易燃易爆等惡劣工況下仍能應(yīng)用。 16第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)圖4-12 雷達(dá)式液位計(jì)示意圖cHt02

9、雷達(dá)波由天線發(fā)出到接收到由液面來的反射波的時(shí)間t由下式確定 0HLH由于tcLH2故 雷達(dá)探測器對(duì)時(shí)間的測量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)探測器對(duì)時(shí)間的測量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻法兩種方式。法兩種方式。17第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)圖4-13 微波脈沖法原理示意圖要使用導(dǎo)波管？要使用導(dǎo)波管？18第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)n 四、稱重式液罐計(jì)量儀四、稱重式液罐計(jì)量儀既能將既能將，又能反映出罐中，又能反映出罐中。gHpp12由于21121MgLLApp杠桿平衡時(shí)（3-64）HKHMLAL112代入（3-64）（3-65）HAM0AMH0如果液罐是均勻截面（3-66）（3-67）19

10、第三節(jié)第三節(jié) 其他物位計(jì)其他物位計(jì)圖4-14 稱重式液罐計(jì)量儀1下波紋管；2上波紋管；3液相引壓管；4氣相引壓管；5砝碼；6絲杠；7可逆電機(jī)；8編碼盤；9發(fā)訊器02MKLiAMLAAKKi11式中如果液罐的橫截面積A為常數(shù)，得將式（3-67）代入式（3-65），得02MAKL （3-68）20例題分析例題分析1.1.某貯罐內(nèi)的壓力變化范圍為某貯罐內(nèi)的壓力變化范圍為1215MPa，要求遠(yuǎn)傳顯，要求遠(yuǎn)傳顯示，試選擇一臺(tái)示，試選擇一臺(tái)DDZ-型壓力變送器型壓力變送器 ( (包括準(zhǔn)確度等包括準(zhǔn)確度等級(jí)和量程級(jí)和量程) )。如果壓力由。如果壓力由12MPa變化到變化到15MPa，問這時(shí)，問這時(shí)壓力變送器

11、的輸出變化了多少壓力變送器的輸出變化了多少? ?如果附加遷移機(jī)構(gòu)如果附加遷移機(jī)構(gòu), ,問是問是否可以提高儀表的準(zhǔn)確度和靈敏度否可以提高儀表的準(zhǔn)確度和靈敏度? ?試舉例說明之。試舉例說明之。解：解：如果已知某廠生產(chǎn)的 DDZ-型壓力變送器的規(guī)格有： 010，16，25，60，100 （MPa） 精度等級(jí)均為0.5級(jí)。 輸出信號(hào)范圍為010mA。 21例題分析例題分析MPa5 .222315 由已知條件，最高壓力為15MPa，若貯罐內(nèi)的壓力是比較平穩(wěn)的，取壓力變送器的測量上限為 MPa125. 0%5 . 020 若選擇測量范圍為025MPa、準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí),這時(shí)允許的最大絕對(duì)誤差為mA8

12、. 4102512 由于變送器的測量范圍為025MPa，輸出信號(hào)范圍為010mA,故壓力為12MPa時(shí),輸出電流信號(hào)為22例題分析例題分析mA6102515壓力為15MPa時(shí)，輸出電流信號(hào)為 這就是說,當(dāng)貯罐內(nèi)的壓力由12MPa變化到15MPa時(shí),變送器的輸出電流只變化了1.2mA。 在用差壓變送器來測量液位時(shí)，由于在液位H=0時(shí),差壓變送器的輸入差壓信號(hào)p并不一定等于0，故要考慮零點(diǎn)的遷移。實(shí)際上遷移問題不僅在液位測量中遇到，在其他參數(shù)的測量中也可能遇到。加上遷移機(jī)構(gòu)，可以改變測量的起始點(diǎn)，提高儀表的靈敏度 (只不過這時(shí)儀表量程也要作相應(yīng)改變)。 23例題分析例題分析mA125. 31072

13、3712 由本例題可知，如果確定正遷移量為7MPa，則變送器的量程規(guī)格可選為16MPa。那么此時(shí)變送器的實(shí)際測量范圍為723MPa，即輸入壓力為7MPa時(shí)，輸出電流為0mA；輸入壓力為23MPa時(shí)，輸出電流為10mA。這時(shí)如果輸入壓力為12MPa，則輸出電流為 mA510723715輸入壓力為15MPa時(shí),輸出電流為24例題分析例題分析 由此可知，當(dāng)輸入壓力由12MPa變化到15MPa時(shí)，輸出電流變化了1.875mA，比不帶遷移機(jī)構(gòu)的變送器靈敏度提高了。 變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)仍為0.5級(jí)，此時(shí)儀表的最大允許絕對(duì)誤差為(23-7)0.5% = 0.08MPa，所以，由于加了遷移機(jī)構(gòu)，使儀表的測量誤

14、差減少了。 25例題分析例題分析圖4-15 法蘭式差壓變送器測液位262.2.用一臺(tái)雙法蘭式差壓變送器測量某容器的液位用一臺(tái)雙法蘭式差壓變送器測量某容器的液位, ,如圖如圖4-154-15所所示。已知被測液位的變化范圍為示。已知被測液位的變化范圍為0 03m,3m,被測介質(zhì)密度被測介質(zhì)密度=900kg/m=900kg/m3 3 , ,毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度0 0=950kg/m=950kg/m3 3。變送器的。變送器的安裝尺寸為安裝尺寸為 h h1 1=1m, h=1m, h2 2=4m=4m。求變送器的測量范圍。求變送器的測量范圍, ,并判斷零點(diǎn)并判斷零點(diǎn)遷移方向遷移方向,

15、 ,計(jì)算遷移量計(jì)算遷移量, ,當(dāng)法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或當(dāng)法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時(shí)降低時(shí), ,問對(duì)測量有何影響問對(duì)測量有何影響? ? 例題分析例題分析PagHp2648781. 99003max解：解：當(dāng)不考慮遷移量時(shí),變送器的測量范圍應(yīng)根據(jù)液位的最大變化范圍來計(jì)算。 液位為3m時(shí),其壓差為 2121/11skgmmNPa 這里值得一提的是壓力單位Pa用SI基本單位時(shí)就相當(dāng)于m-1kgs-2，即27例題分析例題分析 所以液柱壓力用Hg計(jì)算時(shí),只要H用m,用kg/m3，g用m/s2為單位時(shí),相乘結(jié)果的單位就是Pa。上述計(jì)算結(jié)果pmax為26.487kPa,經(jīng)過圓整后,測量范

16、圍可選030kPa。 ghgHpp0101 根據(jù)圖示,當(dāng)液位高度為H時(shí),差壓變送器正壓室所受的壓力p1為 ghhpp01202負(fù)壓室所受的壓力p2為28例題分析例題分析因此，差壓變送器所受的壓差為ghgHppp0221 由上式可知,該差壓變送器應(yīng)進(jìn)行負(fù)遷移,其遷移量為 h20g。 當(dāng)差壓變送器安裝的高度改變時(shí),只要兩個(gè)取壓法蘭間的尺寸h2不變,其遷移量是不變的。29例題分析例題分析3.用單法蘭電動(dòng)差壓變送器來測量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流來保持罐內(nèi)液位H恒為1m。如圖4-16所示。已知差壓變送器的輸出信號(hào)為010mA,硫酸的最小和最大密度分別為min = 1.32(g/cm3),max =

17、1.82(g/cm3) 圖4-16 流體密度測量示意圖min=1.32(g/cm3),max= 1.82(g/cm3) 要求:(1)計(jì)算差壓變送器的測量范圍；(2)如加遷移裝置,請(qǐng)計(jì)算遷移量；(3)如不加遷移裝置,可在負(fù)壓側(cè)加裝水恒壓器 (如圖中虛線所示) ，以抵消正壓室附加壓力的影響,請(qǐng)計(jì)算出水恒壓器所需高度h。30例題分析例題分析gHpmax解：解：（1）若不考慮零點(diǎn)遷移,那么就要以max來計(jì)算差壓變送器的測量范圍。當(dāng)=max = 1.82g/cm3時(shí),差壓變送器所承受的差壓為Pap410785. 181. 918201將H=1m,max=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,

18、得 mAI925. 81010210785. 144max 如果選擇差壓變送器的測量范圍為02104Pa,則當(dāng)=max= 1.82g/cm3時(shí),對(duì)應(yīng)的變送器輸出為 31例題分析例題分析Pap410295. 181. 913201當(dāng)=min=1.32g/cm3時(shí),其差壓為mAI475. 61010210295. 144min這時(shí)差壓變送器的輸出為 由上可知，當(dāng)硫酸密度由最小值變化到最大值時(shí)，輸出電流由6.475mA變化到8.925mA，僅變化了2.45mA，靈敏度是很低的。 32例題分析例題分析 （2）為了提高靈敏度，可以考慮進(jìn)行零點(diǎn)遷移，提高測量的起始點(diǎn)。考慮到=max時(shí)，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓差仍為1.785104Pa，所以在提高測量起始點(diǎn)的同時(shí)，測量上限卻可以不改變，這樣一來，實(shí)際量程壓縮了。 當(dāng)=min=1.32g/cm3時(shí),pmin=1.295104Pa。因此可以選擇遷