定點(diǎn)式物位測(cè)量?jī)x表的技術(shù)發(fā)展

定點(diǎn)式物位測(cè)量?jī)x表的技術(shù)發(fā)展第1頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、概述物位測(cè)量?jī)x表可分為兩類(lèi)：（1）連續(xù)測(cè)量的物位計(jì)：能連續(xù)測(cè)量被測(cè)物料在整個(gè)量程中的變化，并以模擬或數(shù)字信號(hào)輸出相應(yīng)的物位值。（2）定點(diǎn)測(cè)量的物位控制器：用來(lái)檢測(cè)物位是否到達(dá)預(yù)定高度（通常是安裝探頭的位置），并發(fā)出相應(yīng)的限位信號(hào)，以O(shè)N/OFF（通/斷）形式的開(kāi)關(guān)量輸出。第2頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、概述本文簡(jiǎn)述定點(diǎn)式物位測(cè)量?jī)x表的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概況。常用的定點(diǎn)式物位控制器列表如下：第3頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器浮球式液位控制器是最古老的液位儀表，已有數(shù)百年歷史，曾經(jīng)是液位儀表中的主要品種，技術(shù)上近年沒(méi)有什么發(fā)展，主要是制造工藝上及材質(zhì)上有進(jìn)步。由于其簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)廉，迄今仍被廣泛使用。目前主要在下列二方面廣泛應(yīng)用。第4頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(1)小型通用型浮球液位控制器該類(lèi)儀表都有一個(gè)球狀或圓柱體的傳感部件，內(nèi)含磁鋼，隨液面漂浮。在到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，磁鋼帶動(dòng)干簧等開(kāi)關(guān)部件通/斷，發(fā)出限位信號(hào)。隨應(yīng)用不同，結(jié)構(gòu)也不同，但都有下列特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、小型、價(jià)廉，使用方便。因此，應(yīng)用量仍較大，主要在一些設(shè)備配套上。第5頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器圖2.2.1第6頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器(2)用于高溫、高壓的液位控制高溫高壓同時(shí)存在的工況主要是鍋爐汽包液位測(cè)量控制，工況嚴(yán)酷，而且對(duì)可靠性要求高，只有機(jī)械型浮球液位控制器能適應(yīng)該工況。第7頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、浮球式液位控制器壓力溫度20.7MPa370℃11.5MPa427℃6MPa538℃

第8頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器上世紀(jì)50年代中誕生了第一臺(tái)利用電技術(shù)的物位控制器－電容式物位控制器。上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨微電子技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的、利用電子技術(shù)的定點(diǎn)物位控制器。由于其使用方便、可靠，價(jià)格不斷下降，在國(guó)外電子型物位控制器已占主導(dǎo)地位。第9頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器各種電子型物位控制器都是利用被測(cè)物料的某個(gè)物理參數(shù)（如：電導(dǎo)率、光導(dǎo)率、介電率、聲阻抗、熱導(dǎo)率等），對(duì)某物理過(guò)程的影響，來(lái)檢測(cè)物位，所以每種測(cè)量原理都有一定應(yīng)用范圍，選型時(shí)要注意。第10頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1電容式物位控制器的技術(shù)發(fā)展3.1.1測(cè)量電路部分測(cè)量頻率從早期的幾十千赫提高到幾百千赫（射頻范圍），以提高對(duì)低介電率物料的測(cè)量靈敏度。測(cè)量參數(shù)已不是作為一個(gè)純電容，而是考慮到被測(cè)介質(zhì)可能產(chǎn)生的損耗，作為一個(gè)復(fù)數(shù)阻抗。故有的公司稱(chēng)為射頻導(dǎo)納原理。電子器件目前基本是專(zhuān)用模塊，體積、功耗減少，可靠性提高。第11頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1.2探頭電極部分增加保護(hù)電極，以克服根部積料對(duì)測(cè)量的影響，在測(cè)量電極與接地之間增加一層與它們相互絕緣的保護(hù)電極。第12頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第13頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.1.3頂端敏感型電極測(cè)量電極的結(jié)構(gòu)如圖所示，在頂端有一傘狀測(cè)量電極，在其后端有一環(huán)狀參考電極，兩者構(gòu)成一電容器，來(lái)感應(yīng)被測(cè)物料，整個(gè)電極被絕緣材料包裹。在非金屬罐上也可使用。這種結(jié)構(gòu)較多用于頂裝式高位報(bào)警，由電纜與電子盒中的測(cè)量模塊連接。第14頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

第15頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.2電導(dǎo)式液位控制器用于對(duì)導(dǎo)電液體的限位控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，使用方便。由于其它測(cè)量方法的發(fā)展，應(yīng)用逐漸萎縮，在一般場(chǎng)合已很少使用。典型應(yīng)用工況：鍋爐汽包水位指示、控制。工況條件:高溫，高壓同時(shí)存在，純水第16頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器傳感器（測(cè)量筒）是旁路連接在鍋爐汽包上的連接器，上面安裝多個(gè)電極（7～11個(gè)），電極由陶瓷絕緣體與測(cè)量筒絕緣安裝，外殼接為接地電極，個(gè)電極與相應(yīng)指示單元相連接，水位與某個(gè)電解接觸時(shí)，相應(yīng)的指示燈亮，指示液位到達(dá)該點(diǎn)位置。第17頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第18頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.3聲導(dǎo)式液位控制器聲導(dǎo)式液位控制器利用高頻（1MHz或更高）超聲波在氣體及液體中發(fā)射效率及傳播損耗的巨大差別來(lái)發(fā)出限位信號(hào)。液體能很好傳導(dǎo)高頻超聲波，而氣體傳播損耗很大。如圖所示，探頭缺口兩側(cè)各有一個(gè)壓電晶體，分別稱(chēng)為發(fā)射晶體和接受晶體，用來(lái)發(fā)射與接受高頻超聲信號(hào)。當(dāng)間隙中是液體時(shí)（濕態(tài)），發(fā)射晶體發(fā)出的超聲波傳過(guò)液體被接收第19頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器晶體接收。當(dāng)間隙中是空氣時(shí)（干態(tài)），由于氣體傳播衰減大，接收晶體幾乎收不到超聲信號(hào)，檢測(cè)電路發(fā)出相應(yīng)的限位信號(hào)。探頭的材質(zhì)可以是不銹鋼等耐蝕金屬，也可以是高分子塑料。使用時(shí)安裝在需要發(fā)信的位置上，可以應(yīng)用于各種液體介質(zhì)（包括酸、堿），測(cè)量不受介第20頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器質(zhì)物料性質(zhì)（介電率、電導(dǎo)率、密度等）影響，體積小，價(jià)格低廉，故應(yīng)用廣泛。

第21頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

第22頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器特殊應(yīng)用1、非侵入限位檢測(cè)探頭安裝在金屬容器的外側(cè)，不需開(kāi)孔，檢測(cè)超聲脈沖的衰減率來(lái)檢測(cè)液位。如圖所示：測(cè)量不受被測(cè)介質(zhì)物理參數(shù)影響，適用于不結(jié)晶的、不含固體顆粒的各種液體。第23頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、液－固分界面限位檢測(cè)聲導(dǎo)式液位控制器可以用于檢測(cè)污水中污泥等固態(tài)物的沉淀層界面，如圖所示：探頭安裝在需檢測(cè)位置上，當(dāng)該位置是較清的水時(shí)，超聲波能從發(fā)射探頭經(jīng)水傳播到接收探頭，但污泥上升到探頭位置時(shí)，水中污泥衰減聲波，接收信號(hào)減弱，發(fā)出限位信號(hào)。第24頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、液－固分界面限位檢測(cè)第25頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.4熱導(dǎo)式液位控制器利用液體與氣體導(dǎo)熱率的顯著差別，因此散熱效果不同來(lái)檢測(cè)液體有否浸沒(méi)探極，并發(fā)出限位信號(hào)。特點(diǎn)：可用于較高溫度，不受被測(cè)介質(zhì)電特性影響。第26頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第27頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器特殊應(yīng)用舉例連鑄鋼水結(jié)晶器液位檢測(cè)。結(jié)晶器壁中均勻布置了13個(gè)熱電偶，鋼水導(dǎo)熱系數(shù)高，故與之接觸的結(jié)晶器壁溫度與鋼水同，而氣相導(dǎo)熱系數(shù)低，壁溫度也低，檢測(cè)各熱電偶溫度，得到垂直溫度分布曲線，溫度突變處就是鋼水液面位置。第28頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第29頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.5光導(dǎo)式液位控制器利用被測(cè)液體介質(zhì)與空氣光折射率的不同，來(lái)檢測(cè)端部是液體還是氣體，從而發(fā)出限位信號(hào)。當(dāng)一束光從玻璃中以＝45o角入射玻璃與水分界面時(shí)，根據(jù)光折射定律第30頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器θ1－光束在玻璃中的入射角θ2－光束在水中的折射角n1－玻璃折射率，約1.51n2－水的折射率，約1.33故光束將以θ2＝53.4°折射角進(jìn)入水中。當(dāng)與玻璃接觸的是空氣時(shí)，空氣折射率≈1從玻璃入射空氣的臨界角約41.5°，由于第31頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器大于臨界角，光束不能折射入空氣，而是在分界面上全反射，反射角等于入射角。實(shí)用中的檢測(cè)探頭，端部是45°椎體，椎體與氣體接觸時(shí)，光反射回尾部，當(dāng)與有問(wèn)題接觸時(shí)，光折射入液體中，反射回的光強(qiáng)減少，據(jù)之發(fā)出限位信號(hào)。第32頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第33頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第34頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.6微波物位控制器微波式物位控制器是利用被測(cè)物料對(duì)微波能量的吸收或反射的差別來(lái)發(fā)出限位信號(hào)。

第35頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器1、微波穿透式物位控制器在需要限位的位置上，微波發(fā)射頭發(fā)送微波束穿過(guò)測(cè)量區(qū)，被相對(duì)安裝的接收探頭收到。被測(cè)物料上升，阻斷微波束通道，接收信號(hào)減弱，據(jù)之發(fā)出限位信號(hào)。特點(diǎn)：1.可檢測(cè)非金屬容器內(nèi)物位2.可檢測(cè)較大距離（數(shù)十米）3.對(duì)探頭積料不敏感（相對(duì)于超聲、激光）第36頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第37頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2、微波反射式物位控制器微波探頭安裝在容器外部需要限位的位置上，如金屬罐需穿透密封安裝，或安裝透波窗口。探頭向容器內(nèi)發(fā)射微波并接收發(fā)射波。不同介電率的介質(zhì)對(duì)微波的反射量是不同的，反射信號(hào)正比于緊貼窗口的物料的相對(duì)介電率。氣體或泡沫的介電率很低，近似于1，反射回波很第38頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器小。任何物料介電率都大于1。實(shí)例：檢測(cè)水－碳?xì)浠衔锝缑?，中間有乳化層。水εr≈80碳?xì)浠衔铩?.5～3排水時(shí)檢測(cè)乳化層，以免碳?xì)浠衔锱懦龅?9頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第40頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器第41頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3.7振動(dòng)阻尼式物位控制器振動(dòng)阻尼式物位控制器利用被測(cè)物料對(duì)處于共振狀態(tài)的探頭的阻尼作用，來(lái)發(fā)出限位信號(hào)。由于探頭的振動(dòng)部分大多做成叉體，故通常稱(chēng)其為音叉物位控制器，可以用于檢測(cè)液體或粉狀及顆粒狀固態(tài)散料。在具體設(shè)計(jì)中，也有將探頭振動(dòng)體設(shè)計(jì)成單桿狀，實(shí)際上也是一個(gè)第42頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器半波長(zhǎng)共振體，只是另一半隱藏在桿體（管狀）內(nèi)部。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是液體還是固態(tài)散料，儀表結(jié)構(gòu)也有所不同：

?用于檢測(cè)液體的叉體尺寸較小，共振頻率較高（約400Hz）。

?用于檢測(cè)固態(tài)散料的叉體尺寸較大，共振頻率約80～120Hz。

?有的產(chǎn)品用于檢測(cè)液－固界面。第43頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器該類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展已成熟，是電子型物位控制器中應(yīng)用量最大的品種。目前主要的發(fā)展是增加品種，降低價(jià)格，以更大擴(kuò)展市場(chǎng)。國(guó)外液體音叉液位控制器大量替代浮球式液位控制器，因其性?xún)r(jià)比更好，輸出信號(hào)種類(lèi)也更多樣。第44頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器4、定點(diǎn)式物位控制器的輸出信號(hào)物位控制器以開(kāi)關(guān)量（ON/OFF）形式輸出信號(hào)，輸出信號(hào)有兩種狀態(tài)：

?正常態(tài)（當(dāng)物位未達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)）

?報(bào)警態(tài)（當(dāng)物位達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)）

第45頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器通常有以下形式：1）觸點(diǎn)輸出：以觸點(diǎn)的閉合（ON）或斷開(kāi)（OFF）來(lái)表示物位的狀態(tài)。觸點(diǎn)可以是繼電器觸點(diǎn)或干簧觸點(diǎn)。觸點(diǎn)類(lèi)型有常開(kāi)（NO）、常閉（NC）及轉(zhuǎn)換（C型觸點(diǎn)）三種。第46頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器2）電平信號(hào)輸出：通過(guò)晶體三極管的通 /斷輸出高/低電平信號(hào)來(lái)表示物位開(kāi)關(guān)的正常態(tài)及報(bào)警態(tài)，用于提供PLC等控制裝置。有P-N-P晶體管輸出（負(fù)電平）及N-P-N（正電平）以適應(yīng)不同的PLC要求。新推出的無(wú)極性場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出，根據(jù)所使用電源極性不同，正、負(fù)電平均可輸出。第47頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電子型物位控制器3）二線制阻抗輸出：實(shí)際上儀表提供一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的通/斷信號(hào)。通常采用通用電源（12～250VAC/DC）。當(dāng)與外部設(shè)