化工儀表及自動(dòng)化第4章課件

1、化工儀表及自動(dòng)化第四章 物位檢測(cè)內(nèi)容提要物位檢測(cè)的意義及主要類型壓差式液位計(jì)工作原理零點(diǎn)遷移問(wèn)題用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位其他物位計(jì)電容式物位計(jì)核輻射物位計(jì)雷達(dá)式液位計(jì)稱重式液罐計(jì)量?jī)x1物位：液位：容器中液體表面的高低；料位：容器中固體的堆積高度；界面：兩種互不相溶的液體介質(zhì)的分界面。測(cè)量液位的儀表叫液位計(jì) (輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)-變送器) 測(cè)量料位的儀表叫料位計(jì) 測(cè)量分界面的儀表叫界面計(jì)物位開(kāi)關(guān)：在物位檢測(cè)中，有時(shí)不需要對(duì)物位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，只需要測(cè)量物位是否達(dá)到上線、下限或某個(gè)特定的位置，這種定點(diǎn)測(cè)量用的儀表被稱為物位開(kāi)關(guān)。一般用來(lái)監(jiān)視、報(bào)警、輸出控制信號(hào)第一節(jié) 物位檢測(cè)的意義及主要類型物位測(cè)量有兩

2、個(gè)目的: 一是通過(guò)物位測(cè)量來(lái)確定容器中的原料，產(chǎn)品或半成品的數(shù)量； 另一個(gè)是通過(guò)物位測(cè)量，了解物位是否在規(guī)定的范圍內(nèi), 對(duì)物料進(jìn)行監(jiān)控, 保證安全生產(chǎn), 保證產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量。鍋爐汽包水位控制例: 汽包液位過(guò)高會(huì)造成蒸汽帶水影響過(guò)熱器運(yùn)行,影響汽水分離效果;水位過(guò)低會(huì)造成鍋爐水循環(huán)的破壞,影響省煤器運(yùn)行,容易使水全部汽化燒壞鍋爐甚至爆炸。物位儀表的分類直讀式物位儀表浮力式物位儀表差壓式物位儀表電磁式物位儀表核輻射式物位儀表雷達(dá)式液位計(jì)聲波式物位儀表光學(xué)式物位儀表1、直讀式物位儀表用帶有刻度的透明物質(zhì)（如玻璃、有機(jī)玻璃）作為容器壁的一部分或連通管，可以直接顯示容器內(nèi)液位的高低。2、浮力式物位儀表

3、利用浮子高度隨液面或液體界面變化而變化的原理工作。當(dāng)被測(cè)液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒(méi)體積變化，所受浮力也變化，通過(guò)測(cè)量浮力變化確定出液位的變化量。浮筒式液位計(jì)3、差壓式物位儀表利用物料對(duì)某定點(diǎn)的靜壓力與物料深度或堆積高度成正比的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。液體密閉容器液體敞開(kāi)容器固體稱重倉(cāng)4、電磁式物位儀表將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化 分電阻式、電感式和電容式電容式液位計(jì)電容式料位計(jì)主要用于測(cè)量不導(dǎo)電流體電容式物位儀表、電極式物位儀表利用物料的導(dǎo)電性能測(cè)量液位。電感式液位控制器 傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測(cè)容器相連通?？蓪?shí)現(xiàn)上、下液位的報(bào)警與控制。 1、3-上下限線圈； 2-浮子5、核輻

4、射式物位儀表放射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度衰減與物質(zhì)的吸收系數(shù)和介質(zhì)層厚度有關(guān)：目前，工業(yè)上使用的放射線物位計(jì)有連續(xù)式和定點(diǎn)式兩種。-介質(zhì)對(duì)放射線的吸收系數(shù)H -介質(zhì)層的厚度I -穿過(guò)介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I0-射線入射強(qiáng)度適用于高溫、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(cè)量，還可以測(cè)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。 雷達(dá)式液位計(jì)是一種采用微波技術(shù)的液位檢測(cè)儀表。 可以用來(lái)連續(xù)測(cè)量腐蝕性液體、高黏度液體和有毒液體的液位。 它沒(méi)有可動(dòng)部件、不接觸介質(zhì)、沒(méi)有測(cè)量盲區(qū),而且測(cè)量精度幾乎不受被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、相對(duì)

5、介電常數(shù)的影響,在易燃易爆等惡劣工況下仍能應(yīng)用。 優(yōu)點(diǎn)6、雷達(dá)式液位計(jì)6、雷達(dá)式液位計(jì)雷達(dá)波由天線發(fā)射LH0H天線C-電磁波傳播速度，300000km/s7、超聲波物位儀表利用超聲波，遇到相界面時(shí)，發(fā)生部分反射，部分折射入相鄰介質(zhì)的原理，通過(guò)檢測(cè)超聲波從發(fā)射到反射的全過(guò)程的時(shí)間間隔可以計(jì)算出物料界面到探頭的距離，從而得到物位的高低。注意事項(xiàng)：確保反射波能回到探頭；防止物料對(duì)聲波的吸收（如表面泡沫漂?。?超聲波傳播距離為L(zhǎng)，波的傳播速度為C，傳播時(shí)間為 ，則： L是與液位有關(guān)的量7、超聲波物位儀表 激光式液位檢測(cè)儀由激光發(fā)射器、接收器及測(cè)量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在液位測(cè)量中兩

6、種方式都可使用，但一般只用作定點(diǎn)檢測(cè)控制，不易進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。反射式激光液位檢測(cè)原理圖 1-激光發(fā)射器； 2-上液位接收器； 3-下液位接收器 8.光學(xué)式物位儀表第二節(jié) 差壓式液位計(jì)將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此一、工作原理圖4-1 差壓式液位計(jì)原理圖第二節(jié) 差壓式液位計(jì) 當(dāng)用差壓式液位計(jì)來(lái)測(cè)量液位時(shí),若被測(cè)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(lái)直接測(cè)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。第二節(jié) 差壓式液位計(jì) 二、零點(diǎn)遷移問(wèn)題在使用差壓變送器測(cè)量液位時(shí)，一般來(lái)說(shuō)實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)

7、有腐蝕性時(shí),如圖，正、負(fù)室壓力p1、p2分別為則圖4-2 負(fù)遷移示意圖差壓式液位計(jì)測(cè)量原理。 它作用在負(fù)壓室上，稱之為負(fù)遷移量。二、零點(diǎn)遷移問(wèn)題當(dāng)H=0時(shí)p=第二節(jié) 差壓式液位計(jì)遷移彈簧的作用 改變變送器的零點(diǎn)。遷移和調(diào)零 都是使變送器輸出的起始值與被測(cè)量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過(guò)零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。 遷移 同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上、下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，它不改變量程的大小。第二節(jié) 差壓式液位計(jì)圖4-3 正負(fù)遷移示意圖圖4-4 正遷移示意圖舉例 某差壓變送器的測(cè)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(wú)遷移的情況，如

8、左圖中曲線a所示。負(fù)遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。 一般型號(hào)后面加“A”的為正遷移；加“B”的為負(fù)遷移。第二節(jié) 差壓式液位計(jì) 三、用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位 單法蘭式 雙法蘭式 法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式 為了解決測(cè)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(wèn)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(cè)量液位示意圖1法蘭式測(cè)量頭；2毛細(xì)管；3變送器第二節(jié) 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；8連桿；9插入筒；10膜盒圖4-7 雙法蘭式差壓變送器1擋

9、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(cè)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 三、用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位第三節(jié) 其他物位計(jì)一、電容式物位計(jì)1.測(cè)量原理圖4-8 電容器的組成1內(nèi)電極；2外電極兩圓筒間的電容量C當(dāng) D 和 d 一定時(shí)，電容量 C 的大小與極板的長(zhǎng)度 L 和介質(zhì)的介電常數(shù)的乘積成比例。 通過(guò)測(cè)量電容量的變化可以用來(lái)檢測(cè)液位、料位和兩種不同液體的分界面。 第三節(jié) 其他物位計(jì)2.液位的檢測(cè)4-9 非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量1內(nèi)電極；2外電極；3絕緣套；4流通小孔當(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)

10、液位測(cè)量的電容式液位傳感器原理如下圖所示。當(dāng)液位上升為H時(shí)，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁榈谌?jié) 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(cè)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。 結(jié)論第三節(jié) 其他物位計(jì)3.料位的檢測(cè) 用電容法可以測(cè)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)量料位的示意圖。 電容量變化與料位升降的關(guān)系為1金屬電極棒；2容器壁圖4-10 料位檢測(cè)第三節(jié) 其他物位計(jì)優(yōu)點(diǎn) 電容物位計(jì)的傳感

11、部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。 缺點(diǎn) 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)也要發(fā)生變化這種情況。第三節(jié) 其他物位計(jì)二、稱重式液罐計(jì)量?jī)x能反映出罐中真實(shí)的質(zhì)量?jī)?chǔ)量。稱重儀根據(jù)天平原理設(shè)計(jì)。由于杠桿平衡時(shí)（3-64）代入（3-64）（3-65）如果液罐是均勻截面（3-66）（3-67）圖4-14 稱重式液罐計(jì)量?jī)x1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)訊器第三節(jié) 其他物位計(jì)圖4-14 稱重式液罐計(jì)量?jī)x1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)訊器式中如果液罐的橫截面積A為

12、常數(shù)，得將式（3-67）代入式（3-65），得（3-68）例題分析舉例1.某貯罐內(nèi)的壓力變化范圍為1215MPa，要求遠(yuǎn)傳顯示，試選擇一臺(tái)DDZ-型壓力變送器 (包括準(zhǔn)確度等級(jí)和量程)。如果壓力由12MPa變化到15MPa，問(wèn)這時(shí)壓力變送器的輸出變化了多少?如果附加遷移機(jī)構(gòu),問(wèn)是否可以提高儀表的準(zhǔn)確度和靈敏度?試舉例說(shuō)明之。 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。 例題分析 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(cè)量上限為 若選擇測(cè)量范圍為02

13、5MPa、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 由于變送器的測(cè)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 例題分析壓力為15MPa時(shí)，輸出電流信號(hào)為 這就是說(shuō),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(lái)測(cè)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(wèn)題不僅在液位測(cè)量中遇到，在其他參數(shù)的測(cè)量中也可能遇到。加上遷移機(jī)構(gòu)，可以改變測(cè)量的起始點(diǎn)，提高儀表的靈敏度 (只不過(guò)這時(shí)儀表量程也要作相應(yīng)改變)。 例題分析 由本例題可知，如果確定正

14、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(cè)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 輸入壓力為15MPa時(shí),輸出電流為 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(cè)量誤差減少了。 例題分析圖4-15 法蘭式差壓變送器測(cè)液位2.用一臺(tái)雙

15、法蘭式差壓變送器測(cè)量某容器的液位,如圖4-15所示。已知被測(cè)液位的變化范圍為03m,被測(cè)介質(zhì)密度=900kg/m3 ,毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度0=950kg/m3。變送器的安裝尺寸為 h1=1m, h2=4m。求變送器的測(cè)量范圍,并判斷零點(diǎn)遷移方向,計(jì)算遷移量,當(dāng)法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時(shí),問(wèn)對(duì)測(cè)量有何影響? 例題分析解：當(dāng)不考慮遷移量時(shí),變送器的測(cè)量范圍應(yīng)根據(jù)液位的最大變化范圍來(lái)計(jì)算。 液位為3m時(shí),其壓差為 注： 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 負(fù)壓室所受的壓力p2為例題分析因此，差壓變送器所受的壓差為 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

16、 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。例題分析3.用單法蘭電動(dòng)差壓變送器來(lái)測(cè)量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流來(lái)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 = 1.82(g/cm3) 圖4-16 流體密度測(cè)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(cè)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

17、的影響,請(qǐng)計(jì)算出水恒壓器所需高度h。例題分析解：（1）若不考慮零點(diǎn)遷移,那么就要以max來(lái)計(jì)算差壓變送器的測(cè)量范圍。當(dāng)=max = 1.82g/cm3時(shí),差壓變送器所承受的差壓為將H=1m,max=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得 如果選擇差壓變送器的測(cè)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 例題分析當(dāng)=min=1.32g/cm3時(shí),其差壓為 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。 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(cè)量的起始點(diǎn)?？紤]到=max時(shí)，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓差仍為1.785104Pa，所以