化工儀表自動(dòng)化-第3章-4

化工儀表自動(dòng)化四川理工學(xué)院電信系自動(dòng)化教研室第三章檢測儀表與傳感器3.1概述3.2壓力檢測及儀表3.3流量檢測及儀表3.4物位檢測及儀表3.5溫度檢測及儀表3.6現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展23.4物位檢測及儀表2差壓式液位變送器33概述31電容式物位傳感器4核輻射物位計(jì)35稱重式液罐計(jì)量儀3概述“物位”一詞統(tǒng)指設(shè)備和容器中液體或固體物料的表面位置。對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的物料又有以下的定義。液位指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。料位指設(shè)備和容器中所儲(chǔ)存的塊狀、顆粒或粉末狀固體物料的堆積高度。界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液-液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置簡稱界位。4概述物位是液位、料位、界位的總稱。測量液位的儀表叫液位計(jì)；測量料位的儀表叫料位計(jì)；測量兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的儀表叫界面計(jì)。上述三種儀表統(tǒng)稱為物位儀表。5概述測量物位的目的：一種是對(duì)物位測量的絕對(duì)值要求非常準(zhǔn)確、借以確定容器或儲(chǔ)存庫中的原料、輔料、半成品或成品的數(shù)量，以保證連續(xù)生產(chǎn)的需要或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；另一種是對(duì)物位測量的相對(duì)值要求非常準(zhǔn)確，要能迅速正確反映某一特定水準(zhǔn)面上的物料相對(duì)變化，用以連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程，即利用物位儀表進(jìn)行監(jiān)視和控制，使它保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，對(duì)它的上下極限位置進(jìn)行報(bào)警，以保證生產(chǎn)安全、正常進(jìn)行。6概述工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)物位儀表的要求：主要的有精度、量程、經(jīng)濟(jì)和安全可靠等方面，其中首要的是安全可靠。物位檢測儀表按測量方式可分為連續(xù)測量和定點(diǎn)測量兩大類。連續(xù)測量方式能持續(xù)測量物位的變化。定點(diǎn)測量方式則只檢測物位是否達(dá)到上限、下限或某個(gè)特定位置，定點(diǎn)測量儀表一般稱為物位開關(guān)。7概述由于被測對(duì)象種類繁多，檢測的條件和環(huán)境也有很大差別，所以物位檢測的方法有多種多樣，以滿足不同生產(chǎn)過程的測量要求。測量物位儀表按其工作原理主要有下列幾種類型：(1)直讀式物位儀表采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。方法可靠、準(zhǔn)確，但是只能就地指示。主要用于液位檢測和壓力較低的場合。這類儀表中主要有玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)等。8概述(2)靜壓式物位儀表

利用液柱或物料堆積對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生壓力的原理而工作。適用于液位檢測。容器內(nèi)的液面高度與液柱重量所形成的靜壓力成比例關(guān)系，當(dāng)被測介質(zhì)密度不變時(shí)，通過測量參考點(diǎn)的壓力可測知液位。這類儀表有壓力式、吹氣式和差壓式等型式。9概述(3)浮力式物位儀表利用浮子高度隨液位變化而改變或液體對(duì)浸沉于液體中的浮子(或稱沉筒)的浮力隨液位高度而變化的原理工作。它又可分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式的幾種。(4)電氣式物位儀表使物位的變化轉(zhuǎn)換為一些電量的變化，通過測出這些電量的變化來測知物位。它可以分為電阻式(即電極式)、電容式和電感式物位儀表等。還有利用壓磁效應(yīng)工作的物位儀表。10概述(5)核輻射式物位儀表利用核輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理而工作的。目前應(yīng)用較多的是γ射線。(6)聲波式物性儀表由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測出這些變化就可測知物位。所以聲波式物位儀表可以根據(jù)它的工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。(7)光學(xué)式物仿儀表利用物位對(duì)光波的遮斷和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白熾燈光或激光等。11概述其他型式的物位儀表：機(jī)械接觸式物位檢測儀表通過測量物位探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī)械力實(shí)現(xiàn)物位的測量。這類儀表有重錘式、旋翼式和音叉式等。重點(diǎn)介紹差壓式液位計(jì)。12物位檢測儀表的分類和主要特征13物位檢測儀表的分類和主要特征續(xù)14浮力式液位計(jì)浮力式液位計(jì)有兩類：恒浮力式：在測量過程中浮力維持不變的，如浮標(biāo)、浮球等液位計(jì)。變浮力式：根據(jù)浮筒在液體內(nèi)浸沒的程度不同、所受的浮力不同來測定液位的高低。15浮力式液位計(jì)恒浮力法測量液位原理：平衡時(shí)：浮標(biāo)的重量-浮力=平衡物的重量。即：W-F=G當(dāng)液位上升時(shí)：浮標(biāo)浸沒部分增加，浮力增大，W-F<G,浮標(biāo)上升，浮力下降，使

W-F=G浮標(biāo)的位置就反映了物位的高度。16浮力式液位計(jì)變浮力法測量物位的原理：設(shè)浮筒重為W，浮筒在某一位置時(shí)彈簧的伸長量為X,彈簧系數(shù)為C，A為浮筒的截面積，則：彈簧的伸長量通過差動(dòng)變壓器的鐵心被轉(zhuǎn)化為電壓的變化量，采用差動(dòng)連接可提高靈敏度。浮筒17浮力式液位計(jì)液位高度上升△h’時(shí)，浮筒是否上升△h’呢？18差壓式液位變送器1．工作原理敞口容器：多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的高度。P—測壓儀表指示值H—液位的高度ρ—液體的密度g—重力加速度19差壓式液位變送器密閉容器：測量容器底部壓力，除與液面高度有關(guān)外，還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)，其關(guān)系為根據(jù)壓力P與液位H成正比的關(guān)系，可直接在壓力表上按液位進(jìn)行刻度。PA、PB——分別是液面上部介質(zhì)壓力和液面以下H深度的液體壓力。20差壓式液位變送器2.零點(diǎn)遷移問題1）無遷移差壓變送器的高壓室取壓口正好與起始液面（H=0）在同一水平面上；差壓變送器低壓室的導(dǎo)壓管中沒有任何氣體的冷凝液存在；被測介質(zhì)的密度保持不變。21差壓式液位變送器作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓ΔP與液位高度H的關(guān)系為：ΔP=Hρg，當(dāng)H=0時(shí)，正負(fù)壓室的差壓ΔP=0，變送器輸出信號(hào)為4mA；當(dāng)H=Hmax時(shí)，差壓ΔPmax=ρgHmax，變送器的輸出信號(hào)為20mA。22差壓式液位變送器2）負(fù)遷移

變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為23差壓式液位變送器正、負(fù)壓室的壓差為當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=－（h2-h1）ρ2g<0，使變送器在H=0時(shí)輸出電流小于4mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流小于20mA24差壓式液位變送器3）正遷移變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置。正、負(fù)壓室的壓力分別為25差壓式液位變送器正、負(fù)壓室的壓差為當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=h1ρg>0，從而使變送器在H=0時(shí)輸出電流大于4mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流大于20mA。

26差壓式液位變送器零點(diǎn)遷移問題（a）無遷移

（b）負(fù)遷移

（c）正遷移0500042020007000ΔP(Pa)-20003000I0(mA)某壓力變送器的測量范圍：0~5000Pa，固定差壓27差壓式液位變送器3．用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、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。28差壓式液位變送器作為敏感元件的測量頭1(金屬膜盒)，經(jīng)毛細(xì)管2與變送器3的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器，以免堵塞。采用硅油傳遞的好處是它的體積膨脹系數(shù)小，凝固點(diǎn)低，適用于寒冷天氣和戶外安裝條件；常溫下流動(dòng)性好，無腐蝕性，性能穩(wěn)定。29差壓式液位變送器法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式又分為單法蘭式及雙法蘭式兩種。容器與變送器間只需一個(gè)法蘭將管路接通的稱為單法蘭差壓變送器，而對(duì)于上端和大氣隔絕的閉口容器，因上部空間與大氣壓力多半不等，必須采用兩個(gè)法蘭分別將液相和氣相壓力導(dǎo)至差壓變送器，如圖3—46所示，這就是雙法蘭差壓變送器。這種使用方式需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移。30差壓式液位變送器靜壓法測量的特點(diǎn)：利用靜壓法測量液位，采用的壓力變送器或差壓變送器具有通用性，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，所以使用相當(dāng)普遍。注意：由于浮力法和靜壓法中都涉及到液體的密度，所以儀表的讀數(shù)受液體密度變化的影響，當(dāng)液體的密度發(fā)生變化時(shí)，要對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行修正。31投入式液位計(jì)電容差壓變送器用于測量液體的液位32電容式物位傳感器1．測量原理在電容器的極板之間，充以不同介質(zhì)時(shí)，電容量的大小也有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。通過對(duì)電容的檢測與轉(zhuǎn)換將其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸出。33電容式物位傳感器在兩圓筒間充以介電系數(shù)為ε的介質(zhì)時(shí)，圓柱形電容器的電容量的表達(dá)式為：當(dāng)D和d一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。這樣，將電容傳感器(探頭)插入被測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起其電容量的變化，從而可檢測出物位。RL34電容式物位傳感器電極間充入高度為H的介質(zhì)前后電容量的變化值為：由此可見，電容量的變化量與充料高度成正比。測量電容量變化即可知料位的變化。HL35電容式物位傳感器2．液位的檢測對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位測量的電容式液位傳感器原理如圖3—48所示。電容式液位傳感器由內(nèi)電極1和一個(gè)與它相絕緣的同軸金屬套筒做的外電極2所組成，外電極2上開很多小孔4，使介質(zhì)能流進(jìn)電極之間，內(nèi)外電極用絕緣套3絕緣。上述電容式液為位計(jì)在結(jié)構(gòu)上稍加改變以后，也可以用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的液位。36電容式物位傳感器電容式傳感器的檢測大致可分成三種工作方式。37電容式物位傳感器(a)適用于立式圓筒形導(dǎo)電容器，非導(dǎo)電液體或固體粉末的物位測量。在這種應(yīng)用中，器壁為電容的外電極，沿軸線插入金屬棒，作為內(nèi)電極。(c)適用于立式圓筒形導(dǎo)電容器，且物料為導(dǎo)電性液體的液位測量。38電容式物位傳感器(b)適用于非金屬容器，或雖為金屬容器，但非立式圓筒形，物料為非導(dǎo)電性液體的液位的測量。在這種應(yīng)用中，中心棒狀電極的外面套有一個(gè)同軸金屬筒，并通過絕緣支架互相固定，金屬筒的上下開口，或整體上均勻分布多個(gè)小孔，使筒內(nèi)外的液位相同。中央圓棒與金屬套筒構(gòu)成兩個(gè)電極，電容的中間介質(zhì)為氣體和液體物料。這樣組成的電容Cx與容器的形狀無關(guān)，只取決于液位的高低。由于固體粉粒容易滯留在極間，所以此種電極不適于固體物位的測量。39電容式物位傳感器3．料位的檢測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”，所以一般不用雙電極式電極?？捎秒姌O棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導(dǎo)電固體料位。40電容式物位傳感器充放電法測電容：矩形波周期T遠(yuǎn)大于充放電回路的時(shí)間常數(shù)，每個(gè)周期都有電荷Q=CxΔE對(duì)Cx充放電，可得到平均電流：41電容式物位傳感器電容式物位計(jì)的特點(diǎn)：可測量液位、粉狀料位、也可測界位，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝要求低等特點(diǎn)但當(dāng)被測介質(zhì)粘度較大時(shí)，液位下降后，電極表面仍會(huì)粘附一層被測介質(zhì)，從而造成虛假液位示值，嚴(yán)重影響測量精度。被測介質(zhì)的溫度、濕度等變化都能影響測量精度，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)采用修正措施。42電容式物位傳感器聚四氟乙烯外套43電容式物位傳感器當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（x處）。

該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？電容式油量表44電容式物位傳感器電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用45電容式物位傳感器電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用46電容式物位傳感器電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示47核輻射物位計(jì)核輻射式物位儀表是根據(jù)被測物質(zhì)對(duì)放射線的吸收、散射等特性而設(shè)計(jì)制造的。不同的物質(zhì)對(duì)射線的吸收能力也不同，當(dāng)放射線穿過一定的被測介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸收作用，會(huì)使射線的輻射強(qiáng)度隨著被測介質(zhì)的厚度而按指數(shù)衰減。所以只要測出通過介質(zhì)射線強(qiáng)度就可獲得物位高度。48核輻射物位計(jì)放射線同位素的輻射線射入一定厚度的介質(zhì)時(shí)部分粒子因克服阻力與碰撞動(dòng)能消耗被吸收只一部分粒子則透過介質(zhì)。射線的透射強(qiáng)度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱。入射強(qiáng)度為I0，的放射源，隨介質(zhì)厚度增加其強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為：I為穿過厚度為H的物質(zhì)后的輻射強(qiáng)度；I0為射入物質(zhì)前的輻射強(qiáng)度；μ為物質(zhì)的吸收系數(shù)；H為介質(zhì)層厚度。49核輻射物位計(jì)屬于非接觸測量，可用于高溫高壓、真空密封等各種容器中液體或固體物料的物位測量?？梢赃m應(yīng)腐蝕、有毒、高粘度、爆炸性等各種困難介質(zhì)和高溫、高濕、多粉塵、強(qiáng)干擾等惡劣的工作條件。其放射性安全防護(hù)措施需按有關(guān)規(guī)范操作。50核輻射物位計(jì)核輻射物位計(jì)的原理示意圖51稱重式液罐計(jì)量儀結(jié)構(gòu)圖：52稱重式液罐計(jì)量儀用于大型儲(chǔ)罐液體重量的精確測量?；谔炱狡胶庠?，具有很高的測量精度和靈敏度。測量精度不受罐內(nèi)液體組分、溫度分布的影響。儀表可直接數(shù)字顯示，編碼信號(hào)便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或進(jìn)行控制53超聲波液位計(jì)一般把頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波。聲頻越高，則發(fā)射的聲束越尖銳，方向性越強(qiáng)，但在介質(zhì)中衰減也越大。超聲波物位儀表是基于回聲測距原理設(shè)計(jì)的，利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲脈沖，發(fā)射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探頭將信號(hào)接收下來，測出超聲脈沖從發(fā)射到接受所需時(shí)間，根據(jù)已知介質(zhì)中的波速就能計(jì)算出探頭到物位或液位表面的距離，從而確定物位的高度。54超聲波液位計(jì)根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時(shí)間間隔大小與被測介質(zhì)高度成比例關(guān)系的原理，實(shí)現(xiàn)液位測量的。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同可以分為：液介式、氣介式、固介式三種。V—超聲波在液體中的傳播速度H—從探頭至界面的距離（被測介質(zhì)物位高度）t—超聲波從探頭發(fā)射至液面反射回來的時(shí)間55超聲波液位計(jì)超聲波物位計(jì)的特點(diǎn)：無可動(dòng)部件，換能器的振幅小，壽命長，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；不受介質(zhì)粘度的影響，并與介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等無關(guān)；適合強(qiáng)腐蝕、高壓、有毒、高粘度液體的測量；不適宜被測液體中有氣泡和懸浮物，而且液面不能有很大的波動(dòng)；測量精度受聲速的影響（聲速受溫度影響）。56超聲波液位計(jì)空氣超聲探頭57超聲波液位計(jì)在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測得液體的液面。

超聲波測量液位和物位原理58超聲波物位計(jì)

喇叭形超聲發(fā)生器59超聲波液位計(jì)

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)超聲波液位