物位測量及儀表

物位測量及儀表物位測量：液位—氣體和液體間的分界面。界位—兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的接觸面。料位—氣體與固體顆?；蚍勰┑姆纸缑妗７祷?、液位檢測方法

液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法。直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。間接測量，是將液位信號轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號進行測量，如壓力法、浮力法、電學(xué)法等。1.1直接測量法

直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。玻璃管液位計電接點水位計的水位傳感器原理原理：帶若干電接點的連通容器，因汽、水導(dǎo)電性能差別，被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻(相當(dāng)于開關(guān)閉合)，因此被水接通的電接點位置可表示水位。電接點導(dǎo)通的顯示方法：燈泡閃亮，帶放大器的發(fā)光二極管等。測量筒和汽包相連，據(jù)連通器力平衡原理從汽包內(nèi)取出測量水柱。傳感器是水柱中組成測量標尺的系列電極，將水柱分成若干區(qū)間。電極在水中對應(yīng)點呈綠色，在汽中對應(yīng)點呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。電接點式水位傳感器的結(jié)構(gòu)電接點水位計1－汽包2－測量筒3－下接管4－電接點電接點15,17,19個，正常水位附近要安裝密一些。共有3豎行夾角120°顯示電路顯示儀表：氖氣顯示儀表并聯(lián)分流電阻限流電阻特點：但指示不連續(xù)，兩電極間的距離就是儀表的不靈敏區(qū)。接點之間在高度上的間距不是均勻的，在正常水位附近要密一些。1.2壓力法液位

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。

對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系：

下圖為用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。(a)壓力表式液位計(b)法蘭式液位變送器(c)吹氣式液位計 對于密閉容器中的液位測量，可用差壓法進行測量，它可在測量過程中消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響，下圖示出差壓式液位計測量原理。

引壓導(dǎo)管易被腐蝕或堵塞，影響測量精度，應(yīng)用法蘭式壓力（差壓）變送器。敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測介質(zhì)接觸，省去引壓導(dǎo)管，從而克服導(dǎo)管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經(jīng)毛細管與變送器的測量室相通，它們所組成的密閉系統(tǒng)內(nèi)充以硅油，作為傳壓介質(zhì)。為了毛細管經(jīng)久耐用，其外部均套有金屬蛇皮保護管。對于具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固的介質(zhì)法蘭式壓力（差壓）變送器量程遷移無論是壓力檢測法還是差壓法，均要求零液位與檢測儀表在同一水平高度，否則會產(chǎn)生附加靜壓誤差。處理方法對壓力變送器進行零點調(diào)整，使在只受附加靜壓力時輸出為“零”。量程遷移量程遷移無遷移負遷移正遷移Hh無遷移保證正壓室與零液位等高當(dāng)H為零時，差壓輸出為零。差壓變送器的作用是將輸入的差壓信號轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標準信號輸出。負遷移形成原因：加隔離罐或采用法蘭式測壓差。正壓室：負壓室：差壓：當(dāng)H=0時，差壓的輸出并不為零，而是-B。為使H=0時，差變的輸出為4mA，就要消除-B的影響。稱之為量程遷移。由于要遷移的時為負值，所以稱為負遷移。量程遷移實例例如：已知液位高度變化形成的差壓值為：所以可選擇差壓變送器量程為40kPa所以負遷移量為37.240kPa，即將差壓變送器的零點調(diào)為-37.240kPa。遷移后差變的測量范圍為-37.24~2.76kPa。正遷移正壓室：負壓室：壓差：當(dāng)H=0時，差壓輸出并不為零，其值為其遷移量為正值，所以稱為正遷移。綜上所述：正負遷移的實質(zhì)是改變變送器的零點，同時改變量程的上下限，而量程范圍不變。1.3浮力法

恒浮力式檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液面上的浮子（也稱浮標）隨液面變化而產(chǎn)生的位移。

變浮力式檢測是利用沉浸在被測液體中的浮筒（也稱沉筒）所受的浮力與液面位置的關(guān)系檢測液位。浮力式液位檢測分為恒浮力式檢測與變浮力式檢測。1.3.1鋼帶浮子式液位計 右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。1.3.2浮球液位計電動浮球液位變送器的測量部分由浮球與平衡桿和平衡錘組成力矩平衡機構(gòu)，因此浮球可以自由地隨液位的變化而升降。當(dāng)液位改變時，浮球的位置發(fā)生相應(yīng)的變化，通過球桿帶動主軸轉(zhuǎn)動，表頭內(nèi)角位移傳感器與主軸通過齒輪嚙合，將液位的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號浮球液位計浮球式液位計

1.工作原理2.特點（1）量程小，受連桿長度和角度限制；（2）精度低，最高0.5級左右；（3）適用于溫度、粘度較高，壓力不高的液位測量。W—浮球的重力；G—重錘的重力；OA—轉(zhuǎn)軸到浮球中心垂直距離；OB—轉(zhuǎn)軸到重錘中心垂直距離。內(nèi)浮球液位計H↑→

F↑→

(W-F)↓→

杠桿順時針轉(zhuǎn)動→F

↓返回1.3.3磁浮子液位計磁性浮子、浮球式液位計主要由本體部分、就地指示器、遠傳變送器以及上、下限液位報警器等幾部分組成。磁性浮子式液位計通過與工藝容器相連的筒體內(nèi)浮子隨液面（或界面）的上下移動，由浮子內(nèi)的磁鋼利用磁耦合原理驅(qū)動磁性翻板指示器，用紅藍兩色（液紅氣藍）明顯直觀地指示出工藝容器內(nèi)的液位或界位。磁浮子式液位計——磁翻板NS小磁針罐外紅色白色10ｍｍ水平軸輕、薄NNNNS徑向充磁翻板式液位計工作原理動畫演示返本節(jié)目錄返本章目錄1.3.4浮筒式液位計

浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當(dāng)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的變化量。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變送器。浮筒式液位計：是一種變浮力式液位計?；驹恚涸O(shè)浮筒質(zhì)量為m

，截面積為A，彈簧的剛度為c，壓縮位移為x0，被測液體密度為，浮筒沒入液體高度為H起始位置彈性力與重力、浮力相平衡，有：彈性力重力浮力浮筒式液位計：是一種變浮力式液位計?；驹恚?/p>

當(dāng)液位變化時，浮筒所受浮力改變，彈簧的變形亦有變化。

達到新的力平衡時則有以下關(guān)系：

浮筒式液位計：是一種變浮力式液位計?；驹恚?/p>

結(jié)論：只要檢測彈簧的變形△x（即浮筒的位移量），即可確定液位的變化△H,進而確定液體的液位高度。浮筒式液位計：是一種變浮力式液位計。位移檢測方法：

彈簧變形量的檢測可通過差動變壓器實現(xiàn)。如圖，在浮筒頂部的連桿上裝一鐵心，鐵心隨浮筒而上下移動，其位移經(jīng)差動變壓器轉(zhuǎn)換為與位移成比例的電壓輸出，從而給出相應(yīng)的液位指示。采用彈簧結(jié)構(gòu)的好處：液位高度的變化范圍可能很寬，但浮筒只有很小的位移，對應(yīng)差動式變壓器鐵芯位移很小，實現(xiàn)起來方便。

電動浮筒液位計杠桿的末端吊有內(nèi)筒，浮筒隨介質(zhì)的浮力F1變化而升降，這個浮力作用在杠桿1上，使杠桿系統(tǒng)以軸封膜片為支點而產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)（軸封膜片一方面作為杠桿的支點，另一方面起密封作用）。帶動杠桿2轉(zhuǎn)動，傳感器將偏移量經(jīng)信號處理及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA標準信號輸出，即完成變換過程。智能浮筒液位（界位）變送器

被測液位的變化引起內(nèi)筒位置的變化，該變化被傳遞到扭力管組件上，使扭力管與芯軸同步轉(zhuǎn)動。同時固定在扭力管芯軸上的磁鐵發(fā)生旋轉(zhuǎn)位移，改變了由霍爾效應(yīng)傳感器檢測的磁場。該傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。測量原理變浮力法液位測量——浮筒液位計液位變化扭力矩變化扭轉(zhuǎn)角變化角位移傳感器電信號扭力管式結(jié)構(gòu)1.測量元件作用：ΔH→Δθ

H↑→浮力↑→

Fx↓→扭角Δθ↓

H=Hmax時：杠桿作用力為H=0時：杠桿作用力為Ｆx

=Ｗ扭力管產(chǎn)生扭角△θmax(約7°)。扭力管產(chǎn)生最小扭角為△θmin

(約2°)。

A—浮筒截面積；ρ—被測液體密度。Fx↓測量部分返回2.轉(zhuǎn)換部分作用：將Δθ→Δu→I0

K—比例系數(shù)，K=0～100%短路環(huán)轉(zhuǎn)至中舌最左端時，K=0；最右端時，K=100%。Φ01=KΦ0

Φ02=（1-K）Φ0Z—磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。Δu與K成正比，則Δu與Δθ成正比。差動變壓器返回返回（三）軸封膜片式結(jié)構(gòu)返回1.位移檢測放大器作用：將銜鐵微小位移S轉(zhuǎn)換成直流電流I0。2．電磁反饋機構(gòu)作用：I0→Ff返回3.工作原理力矩平衡(力平衡)改變W或矢量角θ可改變量程。K—變送器結(jié)構(gòu)常數(shù)。Fx

↓Fx=W-F↓1.量程由浮筒長度決定。國產(chǎn)：300、500、800、1200、1600、2000mm（四）特點2.只能用于測量輕、凈介質(zhì)。

3.當(dāng)被測介質(zhì)密度變化時，必須進行密度修正。4.精度0.5～1.0級，可測液位、界位。返回1.6超聲波法

超聲波液位計利用波在介質(zhì)中的傳播特性。因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。工作原理返回

所謂超聲波一般是指頻率高于可聽頻率極限(20kHz以上頻段)的彈性振動，這種振動以波動的形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。超聲波在穿過不同介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射，根據(jù)超聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度之間的關(guān)系，就可以進行物位的測量。 超聲波液位計按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種； 按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。(a)氣介式(b)液介式(c)固介式單探頭超聲波液位計 由上圖看出，超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時間為Δt

，則：

L是與液位有關(guān)的量，故測出L便可知液位，L的測量一般是用接收到的信號觸發(fā)門電路對振蕩器的脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)。

測量原理聲波遇到兩相界面時會發(fā)生反射單探頭氣介式氣介聲速高出最高液位（1）基本測量方法測量方法測量盲區(qū)約1m（２）設(shè)置聲速校正具方法聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，而密度是溫度和壓力的函數(shù)v——ρ——（P,T）eg.空氣

V0℃=331m/s；V100℃=387m/s測量方法帶溫度探頭的超聲波液位計帶有聲速校正桿的超聲波液位計tt0hh01.7導(dǎo)波雷達液位計導(dǎo)波雷達液（界）位變送器運用了TDR（時域反射原理）技術(shù)，發(fā)射的電磁波脈沖沿著桿或纜傳送當(dāng)遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)（空氣或蒸發(fā)汽）介電常數(shù)大的介質(zhì)表面時，脈沖波被反射回來。用超高速計來計算脈沖波的傳導(dǎo)時間，從而達到精確的液位測量。

導(dǎo)波式雷達液位測量采用時域反射法(TDR，TimeDomainReflectometry)，通常稱導(dǎo)波雷達，采用脈沖波方式工作。與普通微波物位計不同點在于雷達發(fā)射的高頻脈沖不是通過空間傳播，而是沿一根(或兩根)從罐頂伸入直達罐底的導(dǎo)波體傳導(dǎo)。導(dǎo)波體可以是金屬桿或柔性金屬纜繩。雷達式液位計示意圖雷達波由天線發(fā)出到接收到由液面來的反射波的時間t由下式確定由于故

24雷達探測器對時間的測量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻法兩種方式。微波脈沖法原理示意圖1.8脈沖雷達物位計脈沖雷達物位計 雷達天線面對物料發(fā)射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脈沖雷達天線接收。那么距離物料表面的距離D可通過脈沖的時間行程T來測得：

D=cT/2(c是光速) 因空罐的距離E已知，則物位L為：

L=E-D檢測原理微波發(fā)射天線 通過輸入空罐高度E(=零點)，滿罐高度F(=滿量程)及一些應(yīng)用參數(shù)的設(shè)定，使輸出信號對應(yīng)于4-20mA輸出。 雷達液位計的測量不確定度<0.1%，重復(fù)性±3mm，分辨率1mm，響應(yīng)速度>0.2s，輸出信號均為4~20mA/HART，兩線制。 測量范圍：0~35m；回波采樣55次/s，精確度約為(0.2~0.3)%FS。測量原理發(fā)射接收高頻電磁波，原理類似于超聲液位計。電磁波，波速與空氣溫度、濕度等無關(guān)。雷達液位計導(dǎo)波雷達液位計德國E+HFMR230雷達液位計用于液體、顆粒及漿料物位的連續(xù)非接觸測量。測量不受介質(zhì)變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽的影響；喇叭式天線，頻率6GHz；量程20m，精度±3mm；兩線制，HART協(xié)議；西門子SITRANSLR400雷達液位計適于測量高粉塵固體物料和低介電常數(shù)液體物位。連續(xù)波調(diào)頻工作方式；工作頻率24GHz；量程50m，精度±60mm；兩線制，HART協(xié)議；現(xiàn)場本安型的紅外手持編程器對儀表進行編程。德國科隆(KROHNE)BM70P雷達液位計液體和液化氣的液位測量。工作頻率8.9－9.9GHz；量程35m；精度:1~10m時，±1mm>10m時，±0.01%示值誤差具有改進信噪比的微波窗，高靈敏性，動態(tài)響應(yīng)達140dB。7.5.2計數(shù)法測時若計數(shù)時鐘頻率為f，從發(fā)射脈沖瞬間觸發(fā)計數(shù)到接收脈沖瞬間停止計數(shù)，共有N個計數(shù)脈沖，則傳播時間t為由得其中Δt－計數(shù)脈沖周期 f－計數(shù)脈沖頻率ΔH－液位分辨率電磁波速度（即光速）m/s，ΔH＝1.5mm

計數(shù)脈沖頻率為而當(dāng)前集成電路的運算速度為幾十MHz，相差幾個數(shù)量級，必須另尋出路！7.5.3等效時間采樣法測時被測信號是周期為T的周期性信號，采樣周期為T+Δt，每周期只采一個瞬時值，等效采樣周期為Δt。周期性重復(fù)的高頻信號均可采用此方法，降低采樣頻率。原理等效時間采樣法在時間量檢測中的應(yīng)用Δt（最小分辨時間）為發(fā)射與采樣信號周期差值，又稱等效采樣周期，只要滿足兩信號周期之差為Δt<10ps。舉例：發(fā)射時鐘采樣時鐘相應(yīng)的，前已述，分辨ΔH=1.5mm液位，等效采樣周期Δt<10ps故，若實測距離hD＝6.182m第n個采樣脈沖可測到反射波，求n？若取n=4294，則發(fā)射接收4294次完成測量，用計數(shù)器計數(shù)n，即可測出tD，進而求出hD。需時驗算n=4293n=4294今測得n=23654,求h:7.5.4連續(xù)波調(diào)頻法調(diào)頻連續(xù)波接收到的信號頻率與發(fā)出的信號頻率之差時間差液位高度7.5.4連續(xù)波調(diào)頻法補充作業(yè)：1、一臺脈沖式雷達液位計，發(fā)射脈沖信號周期為49999