化工測(cè)量及儀表第4章

第4章物位測(cè)量(cèliáng)化學(xué)工業(yè)(huàxuégōngyè)出版社精品資料物位是指存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度或位置。如液體介質(zhì)液面的高低稱為液位；液體—液體或液體—固體的分界面(jièmiàn)稱為界位；固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度稱為料位。液位、界位及料位的測(cè)量統(tǒng)稱為物位測(cè)量。測(cè)量液位、界位或料位的儀表(yíbiǎo)稱為物位計(jì)。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，可分為液位計(jì)、界位計(jì)及料位計(jì)。為了滿足生產(chǎn)過程中各種不同條件或要求的物位測(cè)量，物位計(jì)的種類有很多，測(cè)量方法也各不相同，本章將對(duì)常用的物位測(cè)量方法及典型的物位計(jì)進(jìn)行介紹。精品資料4.1浮力(fúlì)式液位計(jì)4.1.1浮子式液位計(jì)

4.1.2浮筒式液位計(jì)精品資料浮子式液位計(jì)是應(yīng)用浮力原理測(cè)量液位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映(fǎnyìng)液位的變化，浮子在測(cè)量中所受浮力為恒定值，故稱為恒浮力法如圖所示，將浮子由繩索經(jīng)滑輪與容器外的平衡重物相連，利用浮子所受重力和浮力之差與平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。則平衡關(guān)系為

式中W——浮子所受重力；F——浮子所受浮力；G——平衡重物的重力。一般使浮子浸沒一半(yībàn)時(shí)，滿足上述平衡關(guān)系。測(cè)量原理4.1.1

浮子式液位計(jì)

精品資料當(dāng)液位上升時(shí)，浮子被浸沒的體積增加，因此浮子所受的浮力F增加，則W－F<G，使原有的平衡關(guān)系破壞，則平衡重物會(huì)使浮子向上移動(dòng)。直到重新滿足上式為止(wéizhǐ)，浮子將停留在新的液位高度上；反之亦然。忽略繩索的重力影響，W和G可認(rèn)為是常數(shù)，因此浮子停留在任何高度(gāodù)的液面上時(shí)，F(xiàn)的值也應(yīng)為常數(shù)，故稱此方法為恒浮力法。這種方法實(shí)質(zhì)上是通過浮子把液位的變化轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的變化。測(cè)量原理4.1.1

浮子式液位計(jì)精品資料在這種轉(zhuǎn)換方式中，繩索兩端垂直長(zhǎng)度l1和l3不等時(shí)繩重以及(yǐjí)滑輪的摩擦力會(huì)使平衡條件受到影響，因而引起讀數(shù)的誤差。繩重引起的誤差是有規(guī)律的，能夠在刻度分度時(shí)予以修正。摩擦力引起的誤差最大，且與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，無法修正，惟有加大浮子的定位能力來減小其影響。浮子的定位能力是指浸沒浮子高度的變化量ΔH所引起的浮力變化量ΔF，而ΔF=ρgAΔH，則得表達(dá)式為式中A為浮子的截面積，ρ為液體密度，g為重力加速度。可見(kějiàn)增加浮子的截面積能顯著地增大定位能力，這是減小摩擦阻力誤差的最有效的途徑。4.1.1

浮子式液位計(jì)測(cè)量原理精品資料4.1.1浮子(fúzi)式液位計(jì)實(shí)例一:浮球式液位計(jì)浮球1是由金屬(一般為不銹鋼)制成的空心球。它通過連桿2與轉(zhuǎn)動(dòng)軸3相連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸3的另一端與容器外側(cè)的杠桿5相連，并在杠桿5上加上平衡重物4，組成以轉(zhuǎn)動(dòng)軸3為支點(diǎn)的杠桿力矩平衡系統(tǒng)。一般要求浮球的一半浸沒于液體(yètǐ)之中時(shí)，系統(tǒng)滿足力矩平衡。

當(dāng)液位升高時(shí)，浮球被浸沒的體積增加，所受的浮力增加，破壞了原有的力矩平衡狀態(tài)，平衡重物使得杠桿5作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，浮球位置抬高，直到浮球的一半浸沒在液體中時(shí)，重新恢復(fù)杠桿的力矩平衡為止，浮球停留在新的平衡位置上。如果在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的外側(cè)安裝一個(gè)指針，便可以由輸出的角位移知道液位的高低。

應(yīng)用實(shí)例精品資料4.1.1浮子(fúzi)式液位計(jì)在與容器連通的非導(dǎo)磁(一般為不銹鋼)管內(nèi)，帶有磁鐵的浮子隨管內(nèi)液位的升降，利用磁性的吸引，使得帶有磁鐵的紅白兩面分明的翻板(fānbǎn)或翻球產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。有液體的位置紅色朝外，無液體的位置白色朝外，根據(jù)紅色指示的高度可以讀得液位的具體數(shù)值，實(shí)例二:磁翻轉(zhuǎn)式液位計(jì)

應(yīng)用實(shí)例精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計(jì)測(cè)量(cèliáng)原理浮筒式液位計(jì)利用浸沒在液體中的浮筒測(cè)量液位的變化，浮筒在測(cè)量中所受浮力隨液位浸沒高度而變化，因此稱為變浮力法。

測(cè)量原理如圖所示，將一個(gè)截面相同、重力為W的圓筒形金屬浮筒懸掛在彈簧上，浮筒的重力被彈簧的彈性力所平衡。當(dāng)浮筒的一部分被液體浸沒時(shí)，由于受到液體的浮力作用而使浮筒向上移動(dòng)，當(dāng)浮力F與彈性力達(dá)到平衡時(shí)，浮筒停止移動(dòng)，此時(shí)滿足如下關(guān)系

式中c——彈簧剛度；

x——彈簧壓縮位移；

A——浮筒的截面積H——浮筒被液體浸沒的高度

ρ——被測(cè)液體密度；g——重力加速度。精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計(jì)測(cè)量(cèliáng)原理當(dāng)液位變化時(shí)，由于浮筒所受的浮力發(fā)生變化，浮筒的位置也要發(fā)生變化。例如液位升高ΔH，則浮筒要向上移動(dòng)Δx，此時(shí)的平衡關(guān)系為

又因?yàn)樗杂腥绻诟⊥驳倪B桿上安裝一個(gè)位移-電氣轉(zhuǎn)換裝置

，便可輸出相應(yīng)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液位的信號(hào)的遠(yuǎn)傳和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

浮筒產(chǎn)生的位移Δx與液位變化ΔH成比例。精品資料4.1.2浮筒(fútǒng)式液位計(jì)變浮力(fúlì)液位計(jì)實(shí)例——軸封膜片式浮筒液位計(jì)軸封膜片式浮筒液位計(jì)是的結(jié)構(gòu)如圖所示，它也是由測(cè)量和轉(zhuǎn)換兩部分組成。測(cè)量部分包括浮筒、主杠桿；轉(zhuǎn)換部分包括主杠桿、矢量機(jī)構(gòu)、副杠桿、反饋機(jī)構(gòu)、差動(dòng)變壓器及放大器等，其作用是將測(cè)量部分產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。當(dāng)液位升高時(shí)，作用于浮筒上的浮力隨之增大，此力作為輸入力F1作用在主杠桿的一端，使主杠桿以軸封膜片為支點(diǎn)產(chǎn)生順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)原理與電動(dòng)差壓變送器的轉(zhuǎn)換部分相同，此處不再詳述。精品資料4.2靜壓式液位計(jì)4.2.1靜壓法液位測(cè)量的原理

4.2.2壓力式液位計(jì)

4.2.3差壓式液位計(jì)

精品資料4.2.1靜壓法液位測(cè)量(cèliáng)的原理測(cè)量(cèliáng)原理

靜壓式液位的測(cè)量方法是通過測(cè)得液柱高度產(chǎn)生的靜壓實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的。其原理如圖所示，pA為密閉容器中A點(diǎn)的靜壓(氣相壓力)，pB為B點(diǎn)的靜壓，H為液柱高度，ρ為液體密度。根據(jù)流體靜力學(xué)的原理可知，A、B兩點(diǎn)的壓力差為式中

pB——

B點(diǎn)的表壓力。

如果圖中的容器為敞口容器，則pA為大氣壓，則上式可寫為精品資料4.2.1靜壓法液位測(cè)量(cèliáng)的原理測(cè)量(cèliáng)原理由前式可知，液體任何一點(diǎn)的壓力等于其表面壓力加上液體密度與重力加速度及液柱高度的乘積。液體的靜壓力是液位高度和液體密度的函數(shù)，當(dāng)液體的密度為常數(shù)時(shí)，A、B兩點(diǎn)的壓力或壓差僅與液位高度有關(guān)。因此可以通過測(cè)量p或Δp來實(shí)現(xiàn)液位高度的測(cè)量。同時(shí)還可以看出，根據(jù)上述原理還可以直接求得容器內(nèi)所儲(chǔ)存液體的質(zhì)量。因?yàn)閜或Δp代表了單位面積上一段高度為H的液柱所具有的質(zhì)量。所以測(cè)得p或Δp再乘以容器的截面積，即可得到容器中全部液體的質(zhì)量。

精品資料4.2.2壓力(yālì)式液位計(jì)用測(cè)壓儀表(yíbiǎo)測(cè)量壓力式液位計(jì)是基于測(cè)壓儀表所測(cè)壓力高低來測(cè)量液位的原理，主要用于敞口容器的液位測(cè)量。必須指出，只有測(cè)壓儀表的測(cè)壓基準(zhǔn)點(diǎn)與最低液位一致時(shí)，液位和壓力的函數(shù)關(guān)系才能成立。如果測(cè)壓儀表的測(cè)壓基準(zhǔn)點(diǎn)與最低液位不一致，必須要考慮附加液柱的影響，要對(duì)其進(jìn)行修正。這種方式適用于粘度較小、潔凈液體的液位測(cè)量。當(dāng)測(cè)量粘稠、易結(jié)晶或含有顆粒液體的液位時(shí)，由于引壓導(dǎo)管易堵塞，不能從導(dǎo)管引出液位信號(hào)，可以采用如圖(b)所示的法蘭式壓力變送器測(cè)量液位的方式。

如圖所示。測(cè)壓儀表（壓力表或壓力變送器）通過引壓導(dǎo)管與容器底部相連，由測(cè)壓儀表的指示便可知道液位的高度。若需要信號(hào)遠(yuǎn)傳則可以采用傳感器或變送器進(jìn)行壓力-電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換。

(a)

(b)

精品資料4.2.2壓力(yālì)式液位計(jì)用吹氣法測(cè)量(cèliáng)對(duì)于測(cè)量有腐蝕性、高粘度或含有懸浮顆粒液體的液位，也可以采用吹氣法進(jìn)行測(cè)量，如圖4-2-3所示。在敞口容器中插入一根導(dǎo)管，壓縮空氣經(jīng)過濾器、減壓閥、節(jié)流元件、轉(zhuǎn)子流量計(jì)，最后由導(dǎo)管下端敞口處逸出。

壓縮空氣p1的壓力根據(jù)被測(cè)液位的范圍，由減壓閥2控制在某一數(shù)值上；p2的壓力是通過調(diào)整節(jié)流元件3保證液位上升至最高點(diǎn)時(shí)，仍有微量氣泡從導(dǎo)管下端敞口處逸出。

當(dāng)液位上升或下降時(shí)，液封壓力會(huì)升高或降低，致使從導(dǎo)管下端逸出的氣量也要隨之減少或增加。導(dǎo)管內(nèi)的壓力幾乎與液封靜壓相等，因此，由壓力儀表5所顯示的壓力值即可反映出液位的高度H。

1—過濾器；2—減壓閥；3—節(jié)流元件；4—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5—測(cè)壓儀表精品資料4.2.3差壓式液位計(jì)

零點(diǎn)遷移(qiānyí)問題差壓式液位計(jì)主要用于密閉有壓容器(róngqì)的液位測(cè)量。由測(cè)量原理可知，凡是能夠測(cè)量差壓的儀表都可以用于密閉容器(róngqì)液位的測(cè)量。采用差壓式液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，由于安裝位置不同，一般情況下均會(huì)存在零點(diǎn)遷移的問題。(1)無遷移

當(dāng)液位由H=0變化到最高液位H=Hmax時(shí)，Δp由零變化到最大差壓Δpmax，變送器對(duì)應(yīng)的輸出電流為Imin~Imax。變送器的測(cè)量范圍不需要調(diào)整，稱為無遷移。

如圖所示，變送器安裝高度與容器下部取壓位置在同一高度。將差壓變送器的正、負(fù)壓室分別與容器下部和上部的取壓點(diǎn)p1、p2相連接，如果被測(cè)液體的密度為ρ，則作用于差壓變送器正、負(fù)壓室的差壓為精品資料4.2.3差壓式液位計(jì)零點(diǎn)遷移(qiānyí)問題當(dāng)H=0時(shí)，Δp=hρg>0，并且為常數(shù)項(xiàng)，作用于變送器使其輸出電流大于Imin；當(dāng)H=Hmax時(shí)，最大壓差Δp=Hmaxρg+hρg，使變送器輸出電流大于Imax。這時(shí)可以通過調(diào)整(tiáozhěng)變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0，Δp=hρg時(shí)，其輸出為Imin；當(dāng)H=Hmax，最大壓差Δp=Hmaxρg+hρg時(shí)，變送器的輸出為Imax，從而實(shí)現(xiàn)變送器輸出與液位之間的正常對(duì)應(yīng)關(guān)系，此時(shí)變送器的測(cè)量范圍發(fā)生變化，但量程仍然為Hmaxρg。由于調(diào)整(tiáozhěng)的壓差Δp是大于零(作用于正壓室)的附加靜壓，所以稱為正遷移。（2）正遷移實(shí)際測(cè)量中，變送器的安裝位置有時(shí)低于容器下部的取壓位置，如圖所示，變送器安裝高度低于測(cè)量下限的距離為h。這時(shí)液位高度H與壓差Δp之間的關(guān)系式為精品資料4.2.3差壓式液位計(jì)零點(diǎn)(línɡdiǎn)遷移問題（3）負(fù)遷移有些介質(zhì)對(duì)儀表會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用。這些情況下，往往采用在正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別安裝隔離(gélí)罐的方法。因此，負(fù)壓側(cè)引壓導(dǎo)管也有一個(gè)附加的靜壓作用于變送器，使得被測(cè)液位H=0時(shí)，壓差不等于零。如圖所示，負(fù)壓導(dǎo)管充滿高度為h的被測(cè)液體，則此時(shí)液位高度H與壓差Δp之間的關(guān)系式為由上式可知，當(dāng)H=0時(shí)，Δp=－h(huán)ρg<0，作用于變送器會(huì)使其輸出小于Imin；當(dāng)H=Hmax時(shí)，最大壓差Δp=Hmaxρg－h(huán)ρg，使變送器輸出小于Imax。這時(shí)可以通過調(diào)整變送器的零位遷移彈簧，使變送器在H=0時(shí)，Δp=－h(huán)ρg<0時(shí)，其輸出為Imin;當(dāng)H=Hmax、最大壓差Δp=Hmaxρg－h(huán)ρg時(shí)，變送器的輸出為Imax；變送器的測(cè)量范圍發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常對(duì)應(yīng)關(guān)系，但量程仍然為Hmaxρg。由于調(diào)整的壓差Δp是小于零(作用于負(fù)壓室)的附加靜壓，則稱為負(fù)遷移。

精品資料4.2.3差壓式液位計(jì)特殊(tèshū)介質(zhì)的液位、料位測(cè)量當(dāng)測(cè)量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒(kēlì)，以及粘度大、易凝固等介質(zhì)的液位時(shí)，為解決引壓管線腐蝕或堵塞的問題，可以采用法蘭式差壓變送器。如圖所示，變送器的法蘭直接與容器上的法蘭連接，作為敏感元件的測(cè)量頭1(金屬膜盒)經(jīng)毛細(xì)管2與變送器的測(cè)量室相連通，在膜盒、毛細(xì)管和測(cè)量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，起到變送器與被測(cè)介質(zhì)隔離的作用。

法蘭式差壓變送器有單法蘭、雙法蘭、插入式或平法蘭等結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的不同情況進(jìn)行選用。法蘭式差壓變送器測(cè)量液位時(shí)，同樣存在零點(diǎn)“遷移”問題，遷移量的計(jì)算方法與前述差壓式相同。

（1）腐蝕性、易結(jié)晶或高粘介質(zhì)

精品資料4.2.3差壓式液位計(jì)特殊(tèshū)介質(zhì)的液位、料位測(cè)量（2）流態(tài)化粉末狀、顆粒狀固態(tài)(gùtài)介質(zhì)在石油化工生產(chǎn)中，常遇到流態(tài)化粉末狀催化劑在反應(yīng)器內(nèi)流化床床層高度的測(cè)量。因?yàn)榱鲬B(tài)化的粉末狀或顆粒狀催化劑具有一般流體的性質(zhì)，所以在測(cè)量它們的床層高度或藏量時(shí)，可以把它們看作流體對(duì)待。測(cè)量的原理也是將測(cè)量床層高度的問題變成測(cè)差壓的問題。但是，在進(jìn)行上述測(cè)量時(shí)，由于有固體粉末或顆粒的存在，測(cè)壓點(diǎn)和引壓管線很容易被堵塞，因此必須采用反吹風(fēng)系統(tǒng)，即采用吹氣法用差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。

流化床內(nèi)測(cè)壓點(diǎn)的反吹風(fēng)方式如圖所示，在有反吹風(fēng)存在的條件下，設(shè)被測(cè)壓力為p，測(cè)量管線引至變送器的壓力為p2（即限流孔板后的反吹風(fēng)壓力），反吹管線壓降為Δp，則有p2=p+Δp，看起來儀表顯示壓力p2較被測(cè)壓力高Δp，在一定條件下，反吹風(fēng)氣量可以很小，因而Δp可以忽略不計(jì)，即p2≈p。精品資料4.3電容式液位計(jì)4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量

4.3.3固體料位的測(cè)量

精品資料4.3電容式液位計(jì)

測(cè)量(cèliáng)原理電容式物位傳感器是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，結(jié)構(gòu)(jiégòu)如圖所示。它由兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，半徑分別為R和r的圓筒形金屬導(dǎo)體組成內(nèi)、外電極，中間隔以絕緣物質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。電容的表達(dá)式為由上式可見，改變R、r、ε、L其中任意一個(gè)參數(shù)時(shí)，均會(huì)引起電容C的變化。實(shí)際物位測(cè)量中，一般是R和r固定，采用改變?chǔ)呕騆的方式進(jìn)行測(cè)量。電容式物位傳感器實(shí)際上是一種可變電容器，隨著物位的變化，必然引起電容量的變化，且與被測(cè)物位高度成正比，從而可以測(cè)得物位。

由于所測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)不同，采用的方式也不同，下面分別介紹測(cè)量不同性質(zhì)介質(zhì)的方法。式中ε

——

內(nèi)、外電極之間的介電常數(shù)。精品資料4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量(cèliáng)當(dāng)測(cè)量石油類制品、某些有機(jī)液體等非導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，電容傳感器可以采用如圖所示方法。它用一個(gè)光電極1作為內(nèi)電極，用與它絕緣的同軸金屬圓筒2作為外電極，外電極上開有孔和槽，以便被測(cè)液體自由地流進(jìn)或流出。內(nèi)、外電極之間采用絕緣材料3進(jìn)行絕緣固定。-當(dāng)被測(cè)液位H=0時(shí)，電容器內(nèi)、外電極之間氣體（最常見(chánɡjiàn)的是空氣）的介電常數(shù)為εo，電容器的電容量為非導(dǎo)電液位測(cè)量

式中

H——

電極被液體浸沒的高度；

εx——

被測(cè)液體的介電常數(shù)；

ε0——

氣體的介電常數(shù)。當(dāng)液位為某一高度H時(shí)，電容器可以視為兩部分電容的并聯(lián)組合，即精品資料4.3.1非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量(cèliáng)非導(dǎo)電(dǎodiàn)液位測(cè)量當(dāng)液位變化時(shí)，引起電容的變化量為ΔC=Cx-C0，由前式可得由此可見，當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的差值越大，或內(nèi)外電極的半徑R和r越接近，傳感器的靈敏度越高，所以測(cè)量非導(dǎo)電液體的液位時(shí)，傳感器一般不采用容器壁做外電極，而是采用直徑較小的豎管做外電極，或?qū)?nèi)電極安裝在接近容器壁的位置，以提高測(cè)量靈敏度。

由此可見，ΔC與被測(cè)液位H成正比，因此測(cè)得電容的變化量便可以得到被測(cè)液位的高度。為了提高靈敏度，希望H前的系數(shù)盡可能大。因?yàn)槭街袨檗D(zhuǎn)換的靈敏系數(shù)。精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量(cèliáng)如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電液體，內(nèi)電極要采用絕緣材料覆蓋，右圖所示是測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)液位的電容式液位計(jì)原理圖。直徑為2r的紫銅或不銹鋼內(nèi)電極，外套聚四氟乙烯塑料套管或涂以搪瓷作為電介質(zhì)和絕緣層，內(nèi)電極外徑為2R。直徑為2R0的容器是用金屬制作的，則當(dāng)容器中沒有液體時(shí)，介電層為空氣加塑料或搪瓷，電極覆蓋長(zhǎng)度為整個(gè)L．如果導(dǎo)電液體液位高度為H時(shí)，則導(dǎo)電液體就是電容的另一極板(jíbǎn)的一部分。在高度范圍內(nèi)，作為電容器外電極的液體部分的內(nèi)徑為R，內(nèi)電極直徑為r。因此整個(gè)電容量為式中

H——

電極被液體浸沒的高度；

εx——

絕緣套管或涂層的介電常數(shù)；

εo——

電極絕緣層和容器內(nèi)氣體共同組成的電容器的的等效介電常數(shù)。精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量(cèliáng)當(dāng)容器空時(shí)，即H=0，上面(shàngmiɑn)公式的第二項(xiàng)就成為電極與容器組成的電容器，其電容量為式中

為傳感器的靈敏系數(shù)。

當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)精品資料4.3.2導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量(cèliáng)由于容器(róngqì)半徑R0>>金屬電極內(nèi)徑r，且εo<<εx,所以有由上式可見，由于εx、R和r均為常數(shù)，測(cè)得ΔC即可獲得被測(cè)液位H。但此種方法不能適用于粘滯性介質(zhì)，因?yàn)楫?dāng)液位變化時(shí)，粘滯性介質(zhì)會(huì)粘附在內(nèi)電極絕緣套管表面上，造成虛假的液位信號(hào)。

所以傳感器的靈敏系數(shù)電容的變化可近似表示為精品資料4.3.3固體(gùtǐ)料位的測(cè)量對(duì)于非導(dǎo)電固體物料的料位測(cè)量，通常采用一根不銹鋼金屬棒與金屬容器器壁構(gòu)成電容器的兩個(gè)電極，如右圖所示，金屬棒1作為內(nèi)電極，容器壁作為外電極。將金屬電極棒插入容器內(nèi)的被測(cè)物料中，電容變化量ΔC與被測(cè)料位H的函數(shù)關(guān)系仍可用非導(dǎo)電液位的函數(shù)關(guān)系來表述，只是式中的εx代表(dàibiǎo)固體物料的介電常數(shù)，R代表(dàibiǎo)容器器壁的內(nèi)徑，其他參數(shù)相同。如果測(cè)量導(dǎo)電的固體料位，則需要對(duì)圖中的金屬棒內(nèi)電極加上絕緣套管，測(cè)量原理同導(dǎo)電液位測(cè)量，也可用相同的函數(shù)表述。

精品資料4.4非接觸式物位測(cè)量(cèliáng)4.4.1輻射式物位計(jì)

4.4.2超聲波物位計(jì)

4.4.3光電式物位計(jì)

精品資料4.4.1輻射式物位計(jì)

傳感器測(cè)量(cèliáng)原理放射性同位素能放射出α、β和γ射線。它們都是高速運(yùn)動(dòng)的粒子流，粒子流能穿過物質(zhì)使沿途的原子產(chǎn)生電離。當(dāng)這些(zhèxiē)射線通過一定厚度的物體（例如固體或液體）時(shí)，由于粒子的碰撞和克服阻力，粒子的動(dòng)能就要消耗，最后動(dòng)能等于零，粒子就留在物體中，即射線被物體所吸收掉了。如果動(dòng)能不等于零，則射線粒子就會(huì)穿透這個(gè)厚度的物體。它們?cè)谖镔|(zhì)中所經(jīng)過路程的長(zhǎng)短叫射程。射程主要由電離能力的大小決定，電離作用越強(qiáng)，則穿過物質(zhì)時(shí)所損失的能量越大，因此射程就越短。α射線穿透物質(zhì)的能力最低，射程最短，β射線次之，γ射線受物質(zhì)吸收較少，穿透能力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，因此物位檢測(cè)主要采用γ射線。射線的透射強(qiáng)度隨著通過介質(zhì)厚度的增加而減弱，入射強(qiáng)度為I0的放射源，隨介質(zhì)厚度增加射線強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為式中

μ

——

介質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù)；

H

——

介質(zhì)層的厚度；

I

——

穿過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度。精品資料4.4.1輻射式物位計(jì)

傳感器測(cè)量(cèliáng)原理不同介質(zhì)吸收射線的能力是不一樣的。一般來說，固體吸收能力最強(qiáng)，液體次之，氣體最弱。當(dāng)放射源已經(jīng)選定(xuǎndìnɡ)，被測(cè)介質(zhì)不變時(shí)，則I0與μ都是常數(shù)。根據(jù)式，可得式中

μ

——

介質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù)；

H

——

介質(zhì)層的厚度；

I

——

穿過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度。應(yīng)用放射性同位素測(cè)量物位的原理如下圖所示。由放射源放射出的射線，穿過設(shè)備和被測(cè)介質(zhì)后，被探測(cè)器所接收，并把射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送入顯示儀表進(jìn)行顯示。只要測(cè)定通過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度，就可知被測(cè)介質(zhì)的厚度H，即液位或料位的高度。精品資料4.4.1輻射式物位計(jì)輻射式物位測(cè)量方法根據(jù)測(cè)量原理，只要在容器外部的某一位置相對(duì)兩側(cè)安裝放射源和接收器，由放射源發(fā)出的射線，通過容器中的介質(zhì)(jièzhì)使接收器所接收的射線能量強(qiáng)度隨著物位的升高而降低。圖(b)為自動(dòng)跟蹤的測(cè)量方法。通過電機(jī)帶動(dòng)放射源和接收器沿導(dǎo)軌升降，始終保持放射源和接收器在同一高度，并對(duì)液位進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。因此，它既保持了定點(diǎn)方式(fāngshì)的優(yōu)點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，并且測(cè)量范圍可以很寬。

圖(a)所示為定點(diǎn)測(cè)量方法。將放射源與接收器安裝在同一平面上，由于液體(或固體顆粒)吸收射線的能力遠(yuǎn)比氣體強(qiáng)，因而當(dāng)液位超過或低于此平面時(shí)，接收器接收到的射線強(qiáng)度發(fā)生急劇變化，將其輸出信號(hào)放大后，帶動(dòng)繼電器工作，便可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)控制。此種方法的特點(diǎn)是準(zhǔn)確性高，工作穩(wěn)定可靠。精品資料4.4.1輻射式物位計(jì)輻射式物位測(cè)量方法圖(d)所示為放射源多點(diǎn)組合的物位測(cè)量方法，圖(e)所示為接收器多點(diǎn)組合的物位測(cè)量方法，圖(f)則表示兩者并用的方法。對(duì)于測(cè)量范圍比較(bǐjiào)大的液位，可以采用這三種方式之一，可以改善線性關(guān)系，但安裝和維護(hù)較困難。圖(c)是在容器外部相對(duì)應(yīng)的位置(wèizhi)安裝放射源和接收器，射線通過容器中的液體時(shí)，部分被吸收，并且液位越高被吸收的越多。因此，由接收器接收到的射線強(qiáng)弱，便可表達(dá)出液位的高低。此種方法便于安裝、維護(hù)和調(diào)整。但測(cè)量范圍較窄，一般為300～500mm。精品資料4.4.1輻射式物位計(jì)輻射式物位測(cè)量(cèliáng)的特點(diǎn)由于放射源的輻射強(qiáng)度不受溫度、壓力的影響，并且它的測(cè)量元件與被測(cè)介質(zhì)不接觸，測(cè)量范圍為0~3000mm，可以用在高溫、低溫、高壓容器的高粘度、劇毒、強(qiáng)腐蝕或易燃易爆介質(zhì)的物位測(cè)量。它不僅可以測(cè)量液位，也可以測(cè)量顆粒狀、粉末狀介質(zhì)的料位。另外，它還可以測(cè)量不同密度的液體分界面、液體與固體的分界面。其缺點(diǎn)是射線對(duì)人體有較大的危害，使用(shǐyòng)時(shí)必須采取嚴(yán)格的防范措施。但只要正確選擇放射源的強(qiáng)度，并且保證防護(hù)條件符合國(guó)家規(guī)定，可以確保安全，放心使用(shǐyòng)。精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量(cèliáng)原理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(dòng)，這種振動(dòng)以波動(dòng)的形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。超聲波可以在氣體、液體、固體中傳播，并具有一定的傳播速度。超聲波在穿過介質(zhì)時(shí)會(huì)被吸收而產(chǎn)生衰減，氣體吸收最強(qiáng)則衰減最大，液體次之，固體吸收最少則衰減最小。超聲波在穿過不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，反射波的強(qiáng)弱決定于分界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗，兩介質(zhì)的聲阻抗差別越大，反射波越強(qiáng)。聲阻抗即介質(zhì)的密度與聲速的乘積。根據(jù)超聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時(shí)間(shíjiān)間隔與物位高度之間的關(guān)系，就可以進(jìn)行物位的測(cè)量。

利用超聲波的物理性質(zhì)可以制成超聲波式物位計(jì)，根據(jù)安裝方式的不同，可分為聲波阻斷型和聲波反射型兩種類型精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量(cèliáng)原理(1)聲波阻斷型它是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中被吸收而衰減的情況的不同，來探測(cè)在超聲波探頭前方是否有液體或固體物料存在。當(dāng)液體或固體物料在儲(chǔ)罐、料倉(cāng)中積存高度達(dá)到預(yù)定高度位置時(shí)，超聲波即被阻斷，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)或進(jìn)行限位控制。這種探頭安裝方式主要用于超聲波物位控制器中，也可用于運(yùn)動(dòng)體(人員、車輛)以及生產(chǎn)流水線上工件流轉(zhuǎn)等的計(jì)數(shù)和自動(dòng)開門控制中。(2)聲波反射型它是利用超聲波回波測(cè)距的原理，可以對(duì)液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用中可以采用多種方法。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，有氣介式、液介式和固介式；根據(jù)探頭的工作方式，又有自發(fā)自收的單探頭方式和收、發(fā)分開的雙探頭方式。它們相互(xiānghù)組合就可得到不同的測(cè)量方案。精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量方法（1）液介式測(cè)量方法如圖(a)所示，探頭固定安裝在液體中最低液位處，探頭發(fā)出的超聲脈沖在液體中由探頭傳至液面，反射(fǎnshè)后再?gòu)囊好娣祷氐酵惶筋^而被接收。液位高度與從發(fā)到收所用時(shí)間之間的關(guān)系可表示為式中H——探頭(tàntóu)到液面的垂直距離v——超聲波在介質(zhì)中的傳播速度t——超聲波由發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量方法（2）氣介式測(cè)量方式如圖(b)所示，探頭安裝在最高液位之上的氣體中，液位和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系同前式，只是v代表氣體中的聲速。（3）固介式測(cè)量方式圖(c)所示是固介式測(cè)量方法，將一根傳聲的固體棒或管插入液體(yètǐ)中，上端要高出最高液位，探頭安裝在傳聲固體的上端，液位和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系同前式，但v代表固體中的聲速。精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量方法（4）雙探頭(tàntóu)液介式測(cè)量方法如圖(d)所示，若兩探頭(tàntóu)中心間距為2a，聲波從探頭(tàntóu)到液位的斜向路徑為S，探頭(tàntóu)至液位的垂直高度為H，則而（5）雙探頭氣介式方式如圖(e)所示，只要將v理解為氣體中的聲速，則上面關(guān)于雙探頭液介式的討論完全(wánquán)可以適用。精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量方法（6）雙探頭固介式方式如圖(f)所示，，它需要采用兩根傳聲固體，超聲波從發(fā)射(fāshè)探頭經(jīng)第一根固體傳至液面，再在液體中將聲波傳至第二根固體，然后沿第二根固體傳至接收探頭。超聲波在固體中經(jīng)過2H距離所需的時(shí)間，將比從發(fā)到收的時(shí)間略短，所縮短的時(shí)間就是超聲波在液體中經(jīng)過距離d所需的時(shí)間，所以式中v—固體中的聲速； vH—液體中的聲速；d—兩根傳聲(chuánshēnɡ)固體之間的距離。當(dāng)固體和液體中的聲速v、vH已知，兩根傳聲(chuánshēnɡ)固體之間的距離d固定時(shí)，則可根據(jù)測(cè)得的t求得H。精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)測(cè)量方法（7）液—液相界面(jièmiàn)的測(cè)量利用超聲波反射時(shí)間差法也可以檢測(cè)液一液相界面位置。如圖4-4-4所示，兩種不同(bùtónɡ)的液體A、B的相界面在h處，液面總高度為h1，超聲波在A、B兩液體中的傳播速度分別為v1和v2。采用單探頭液介式方式進(jìn)行測(cè)量。

超聲波在液體A、B中傳播并被液面反射回來的往返時(shí)間為由上兩式可得：或由以上兩式可知，檢測(cè)t1、v1即可求得界面位置h，或者檢測(cè)出t1、t2和v2亦可求出h。超聲波界面?zhèn)鞲衅鞯木瓤蛇_(dá)1％，檢測(cè)范圍為數(shù)米時(shí)的分辨率達(dá)±1mm。

超聲波在液體A中傳播并被A、B液體相界面反射回來的往返時(shí)間為精品資料4.4.2超聲波物位計(jì)聲速(shēnɡsù)的校正聲速v值準(zhǔn)確與否對(duì)于采用回波法測(cè)量液位來說是至關(guān)重要的。聲速與介質(zhì)的密度有關(guān)，而密度又隨溫度和壓力而改變，因此，實(shí)際聲速是一個(gè)變化值。為了(wèile)排除聲速變化對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)對(duì)聲速進(jìn)行校正。聲速校正裝置是在傳聲介質(zhì)中取相距S0固定距離的兩端安裝一個(gè)超聲探頭(校正探頭)和反射板組成的測(cè)量裝置。對(duì)液介式液位計(jì)而言，校正具應(yīng)安裝在液體介質(zhì)最底處以避免水面反射聲波的影響，同理對(duì)氣介式液位計(jì)而言，校正具應(yīng)放在容器頂端的容器中。如果超聲脈沖從探頭發(fā)射經(jīng)時(shí)間t0后返回探頭，行程為2S0，則得實(shí)際聲速為將上式代入中(即v0=v)從上式中顯然可見，被測(cè)液位高度H變?yōu)闀r(shí)間t、t0的函數(shù)

則可得精品資料4.4.3光電式物位計(jì)光學(xué)式物位最簡(jiǎn)單的模式是：發(fā)光光源(如燈泡)放在容器的一側(cè)，另一側(cè)相對(duì)光源處裝置光敏元件，當(dāng)物位升高至物料遮擋光源時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)突變，儀表發(fā)出開關(guān)信號(hào)，進(jìn)行報(bào)警或控制。目前(mùqián)常用的光源發(fā)射器有激光器、發(fā)光二極管、普通燈光等，光源的接收可由光敏電阻、光電二極管、光電池、光電倍增管等多種光電元件來實(shí)現(xiàn)。在選定某種光源器件后，再據(jù)此來選擇接收元件，并與合適的線路配合，組成物位計(jì)。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理光接收器件是光電式測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起著將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的作用?；诠怆娦?yīng)原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件稱為光電器件或光敏器件，按其轉(zhuǎn)換原理可分為(fēnwéi)光電發(fā)射型、光導(dǎo)型和光伏型。在此簡(jiǎn)要介紹一下光導(dǎo)型和光伏型光電元件的原理。（1）光導(dǎo)效應(yīng)和光導(dǎo)型傳感器大多數(shù)半導(dǎo)體的電阻率，受到光照吸收光子的能量后，會(huì)發(fā)生改變，使半導(dǎo)體的電阻值下降而易于導(dǎo)電，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。其原因是半導(dǎo)體內(nèi)部的帶電粒子吸收了光的能量后，使材料內(nèi)部的帶電粒子增加，從而使導(dǎo)電性增強(qiáng)，光線越強(qiáng)，阻值越低?；谶@一原理制造的半導(dǎo)體光電器件有光敏電阻、光電二極管和光電晶體管。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理①光敏電阻光敏電阻是用具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的電阻器件。當(dāng)受到光照時(shí)，其電阻值下降，光線越強(qiáng)，阻值也變得越低；光照停止，阻值又恢復(fù)原值。把光敏電阻連接到外電路中，如圖4-4-7所示，在外加(wàijiā)電壓(直流偏壓或交流電壓)作用下，電路中的電流及其在負(fù)載電阻上的壓降將隨光線強(qiáng)光照度變化而變化，這樣就將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏電阻在不受光照時(shí)的電阻值稱為暗電阻，受光照時(shí)的電阻值稱為亮電阻。暗阻越大越好，亮阻越小越好，這樣光敏電阻的靈敏度就高。實(shí)際光敏電阻的暗阻一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮阻在幾千歐以下，暗阻和亮阻之比一般為102~106。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理①光敏電阻一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體，半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，僅限于光照的表面薄層。雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但深入厚度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得很高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀，如下圖所示。這種梳狀電極，由于在間距(jiānjù)很近的電極之間有可能采用大的極板面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理②光敏二極管其結(jié)構(gòu)與一般(yībān)二極管相似，但裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光敏二極管在電路中工作時(shí)，一般(yībān)加上反向電壓，如圖4-4-9所示。光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，稱為暗電流；當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過PN結(jié)的反向電流也隨之增加。

如果入射光照度變化，光生電子—空穴對(duì)的濃度也相應(yīng)變化，通過外電路的光電流強(qiáng)度也隨之變化。可見光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。光敏二極管不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理③光敏晶體管光敏晶體管又稱光敏三極管，結(jié)構(gòu)與—般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)。它在把光信號(hào)(xìnhào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(xìnhào)的同時(shí)，又將信號(hào)(xìnhào)電流加以放大。圖示為NPN型光敏晶體管的基本簡(jiǎn)化電路。當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，基極—集電極結(jié)就是反向偏壓。當(dāng)光照射在基極—集電極結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，從而形成光電流，輸入到晶體管的基極。由于基極電流增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，即光敏晶體管有放大作用。精品資料4.4.3光電式物位計(jì)傳感器測(cè)量(cèliáng)原理（2）光生伏特效應(yīng)及光伏傳感器光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電壓時(shí)，在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)仍然存在(cúnzài)著結(jié)電場(chǎng)，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如下圖所示；