工業(yè)儀表第五章

工業(yè)儀表第五章第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1概述物位測(cè)量的原因：生產(chǎn)過程中，需要了解罐、塔、庫(kù)等容器的液位，液體-液體間，液體-固體之間的界面高度，以及固體物料的料位，等。幾個(gè)概念：物位：容器內(nèi)所貯存物體的上表面位置。物體可以是流體，固體，也可以是不同物體，或者狀態(tài)不同物體交接面。界面：指液-液、液-固等的分界面，分別稱為液-液、液-固界面。物位測(cè)量就是確定液位、料位或界面的位置。物位測(cè)量的目的：1通過測(cè)量物位，確定容器內(nèi)原料、半成品，或者產(chǎn)品的數(shù)量；2通過測(cè)量物位，確定生產(chǎn)過程是否連續(xù)，便于控制和調(diào)節(jié)，滿足生產(chǎn)要求。第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.1物位測(cè)量的特點(diǎn)(1)液體為可流動(dòng)性物體，流進(jìn)或流出容器時(shí)，界面會(huì)發(fā)生波動(dòng)。為精確測(cè)量液位，應(yīng)當(dāng)采取措施，盡量保持被測(cè)液面部分的穩(wěn)定。(2)大型容器內(nèi)的液體各處溫度、密度和粘度可能不均勻。在測(cè)量液位時(shí)，必須注意儀表的選型和對(duì)溫度、密度、粘度不均勻所帶來測(cè)量誤差的補(bǔ)償。第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日料倉(cāng)或槽斗內(nèi)安息角、孔隙

(3)物料性質(zhì)不同、顆粒大小不同時(shí)，休止角也不同，測(cè)量料位須知道休止角，將儀表安裝在適當(dāng)位置，反映料位的真實(shí)情況，并盡量避開進(jìn)料口，或安裝防沖擊擋板，以免物料因由上而下的直接沖擊而損壞儀表。第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日(4)由于物料受含水量、粘性、顆粒形狀差異，以及容器結(jié)構(gòu)、進(jìn)、出料口位置等因素的影響，出料口附近往往會(huì)出現(xiàn)如圖5-1所示的大孔隙(俗稱“架橋”)。這種孔隙將對(duì)容器中物料實(shí)際貯量的測(cè)量產(chǎn)生影響。因此，在測(cè)量時(shí)必須加以消除。（5）很多對(duì)象只需測(cè)量上、下限，并不連續(xù)測(cè)量。實(shí)際上，這很難辦到(6)測(cè)量范圍寬（幾毫米到上百米），測(cè)量對(duì)象多，故測(cè)量?jī)x表品種多，測(cè)量原理也較多。(7)測(cè)量條件惡劣（高溫、高壓、低比重介質(zhì)、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)）第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.2物位儀表的類型(1)直讀式物位儀表

原理：連通器原理例：玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)(2)浮力式液位儀表

原理：浮子高度隨液位變化而改變，或?qū)]于液體中的浮子的浮力隨液面高度變化的原理工作的。(3)差壓式物位儀表

原理：容器內(nèi)物位改變，造成液柱產(chǎn)生的靜壓變化原理工作。1）壓力式物位儀表；2）差壓式物位儀表

第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(4)電磁式物位儀表

原理：將物位變化轉(zhuǎn)換為電量變化，通過測(cè)量這些電量變化間接測(cè)量物位。

例：電阻式（電極式）、電容式和電感式，還有利用壓磁效應(yīng)工作的物位儀表。(5)核輻射式物位儀表

原理：利用核輻射透過物料時(shí)，物質(zhì)對(duì)放射性同位素放射的射線（常為g射線）的吸收作用為基礎(chǔ)進(jìn)行物位測(cè)量。(6)聲波式物位計(jì)

原理：利用超聲波在氣體、液體或固體中衰減的程度、穿透能力和輻射聲阻抗等各不相同的性質(zhì)進(jìn)行物位測(cè)量。第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分類：1）聲波遮斷式物位計(jì)2）聲波反射式物位儀3）聲阻尼式物位儀(7)光學(xué)式物位儀表

原理：利用物位對(duì)光波的遮斷和反射原理工作，光源可以是普通的白熾燈光或激光等。（8）機(jī)械接觸式：重錘式、旋翼式、音叉式第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.3物位儀表使用時(shí)應(yīng)考慮的因素1)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)液體：溫度、壓力、比重、粘度、粘附性、氣泡、懸浮物、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、液位變化速度等。固體：溫度、壓力、比重、粘附性、含水量、粒度、物料變化速度等。2)被測(cè)物位要求連續(xù)測(cè)量，報(bào)警或控制。3)測(cè)量范圍。4)測(cè)量精確度或控制精確度。5)容器情況：開口or密閉，大小、形狀等。6)是否要求防腐蝕或防爆，及要求的防爆等級(jí)。7)工作環(huán)境：濕度、溫度，煙霧、灰塵、磁場(chǎng)、放射性、振動(dòng)等。8)安裝位置：接觸介質(zhì)否？垂直or水平安裝?在容器的何處？第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2壓差式物位計(jì)5.2.1概述分類：壓力式物位計(jì)和差壓式物位計(jì)。特點(diǎn)1測(cè)量范圍大；2檢測(cè)部件除膜片外，無(wú)可動(dòng)部件；3可以測(cè)量黏度大、容易結(jié)晶、有懸浮物或腐蝕性介質(zhì)的場(chǎng)合；4測(cè)量結(jié)果受介質(zhì)密度變化影響小。5.2.2壓力式液位計(jì)原理：根據(jù)容器內(nèi)液面高度H和液柱質(zhì)量造成的靜壓力p成比例關(guān)系，確定液面的位置。圖5-2為基本原理圖。P=ρgH(5-1)廣泛應(yīng)用于開口容器和受壓容器中的物位測(cè)量。第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.3差壓式物位計(jì)1利用差壓法測(cè)量液位原理說明：圖5-3所示。Δp=p2-p0=p1+p0-p0=p1而p1=ρgH，因此H=p1/(ρg)第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日2測(cè)量鍋爐水位的差壓式水位計(jì)圖5-4所示。組成：平衡容器、差壓變換器和顯示儀表。特點(diǎn)：可以連續(xù)顯示水位，也可以發(fā)報(bào)警告和向水位調(diào)節(jié)器提供信號(hào)。1）平衡容器組成平衡容器負(fù)壓管、正壓管、冷凝容器、上下連接管組成。工作原理：平衡容器就是水位傳感器，在起內(nèi)部造成一個(gè)恒定的水靜壓力，使之與被測(cè)水位形成的水靜壓力相比較，輸出二者之差，從而測(cè)出被測(cè)液體的水位高度。負(fù)壓管正壓管冷凝容器第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日主要問題：介質(zhì)密度會(huì)因?yàn)闇囟群蛪毫Φ淖兓兓?，從而造成誤差。解決辦法：采取補(bǔ)償、校驗(yàn)措施。2）定量說明p+=p+Lρ1gp-=p+(L-H0-ΔH)ρ``g+(H0+ΔH)ρ`gΔp=p+-p-=L(ρ1-ρ``)g-H0(ρ`-ρ``)g-ΔH(ρ`-ρ``)gg—重力加速度；ρ1—平衡容器中水的平均密度；ρ`、ρ``—壓力p時(shí)的飽和水與飽和蒸汽密度。第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3電接點(diǎn)液位計(jì)

說明：屬連通器式液位計(jì)，用于低粘度液體的液位測(cè)量。

組成：玻璃管和標(biāo)尺。電接點(diǎn)水位計(jì)的變形結(jié)構(gòu)有：

玻璃板式：用于中低壓鍋爐汽包水位測(cè)量

云母片式：用于高壓鍋爐汽包水位測(cè)量

雙色式：汽水分界面二側(cè)為紅綠兩色，是結(jié)合玻璃板式和雙色式水位計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并輔助于光學(xué)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。

電接點(diǎn)式：由水位傳感器和電氣顯示儀表組成

第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.1電接點(diǎn)水位計(jì)的水位傳感器原理原理：帶若干電接點(diǎn)的連通容器，因汽、水導(dǎo)電性能差別，被水淹沒的電接點(diǎn)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(diǎn)位置可表示水位。電接點(diǎn)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(cè)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(cè)量水柱。傳感器是水柱中組成測(cè)量標(biāo)尺的系列電極，將水柱分成若干區(qū)間。電極在水中對(duì)應(yīng)點(diǎn)呈綠色，在汽中對(duì)應(yīng)點(diǎn)呈紅色，紅綠燈光柱界面顯示水位。第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.2電接點(diǎn)式水位傳感器的結(jié)構(gòu)電接點(diǎn)水位計(jì)1－汽包2－測(cè)量筒3－下接管4－電接點(diǎn)第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日組成：測(cè)量筒殼(連通容器)、電接點(diǎn)座和電接點(diǎn)等。測(cè)量筒長(zhǎng)度視水位測(cè)量范圍而定，直徑確定考慮接點(diǎn)數(shù)目(保證開孔后有足夠的強(qiáng)度)。電接點(diǎn)數(shù)目：多為15、l7和19。為保證強(qiáng)度和便于安裝，在測(cè)量筒外殼上按120°分布。接點(diǎn)間距不均勻，正常水位附近接點(diǎn)密度較大。電接點(diǎn)應(yīng)能在高溫高壓下正常工作，溫度劇變時(shí)不泄漏，耐腐蝕，與筒殼絕緣好。常用超純氧化鋁(高壓爐)和聚四氟乙烯(中壓爐)作絕緣材料。測(cè)點(diǎn)最小間隔為15mm，即測(cè)量標(biāo)尺最小刻度和階躍最小幅度為15mm。第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.3電接點(diǎn)水位傳感器的誤差①散熱引起的誤差—所有連通器式水位計(jì)共存。

措施：適當(dāng)加粗汽側(cè)和水側(cè)的連通導(dǎo)管，筒殼頂部不保溫，增加凝結(jié)水量，筒殼其余部分保溫以減少散熱。②不連續(xù)指示引起的誤差。接點(diǎn)之間的水位變化不能反映，即形成“盲區(qū)”，合理布置接點(diǎn)可以改善此盲區(qū)，但總是不宜作調(diào)節(jié)信號(hào)用。第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日定義：測(cè)量料位的計(jì)量器稱為料位計(jì)。常用的料位計(jì)有：重錘式料位計(jì)、電容脈沖式料位計(jì)、阻移式料位計(jì)、阻旋式料位計(jì)、射線料位計(jì)、超聲波料位計(jì)等。5.4料位計(jì)第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日重錘式料位計(jì)示意圖組成：與鋼絲繩連接的重錘；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；啟動(dòng)器；信號(hào)轉(zhuǎn)換部分；數(shù)據(jù)采集與顯示部分；控制邏輯部分5.4.1重錘式料位計(jì)第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日(1)重錘式料位計(jì)工作原理探頭接觸物料前后的鋼絲繩受力變化電動(dòng)執(zhí)行器轉(zhuǎn)化成荷重、失重信號(hào)傳送給儀表邏輯控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器發(fā)出指令，完成探測(cè)說明：儀表同時(shí)通過傳感元件將負(fù)荷情況隨時(shí)傳送給計(jì)數(shù)電路，供儀表顯示、報(bào)警用第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日工作過程的三個(gè)階段：靜止階段：當(dāng)處于“手動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，鋼絲繩承受探頭重錘重量，執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸受一力矩，發(fā)出“荷重”信號(hào)。手動(dòng)按鈕接通后，邏輯控制器受到觸發(fā)，儀表進(jìn)入探測(cè)階段。當(dāng)處于“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，通過儀表內(nèi)“延時(shí)”環(huán)節(jié)發(fā)出信號(hào)觸發(fā)邏輯控制系統(tǒng)，儀表進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)。測(cè)量階段：

邏輯控制系統(tǒng)使計(jì)數(shù)—譯碼電路復(fù)位，清除上次測(cè)量值，磁力起動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)，使重錘下降。執(zhí)行器發(fā)出正比于探頭行程的光電脈沖信號(hào)，經(jīng)計(jì)數(shù)電路和譯碼器自動(dòng)將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流信號(hào)(0～10mA)供顯示及報(bào)警。探頭接觸物料后，鋼絲繩受力迅速減小，執(zhí)行器發(fā)出“失重”信號(hào)，傳至邏輯控制系統(tǒng)，整機(jī)脫離測(cè)量。返回階段：

邏輯控制系統(tǒng)收到“失重”信號(hào)后，磁力起動(dòng)器使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，探頭上升，并將探頭行程轉(zhuǎn)換成直流電流值以顯示容器內(nèi)的料位。同時(shí)“保留記憶”信號(hào)，直至下一過程開始。探頭上升到靜止原位時(shí)，發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入靜止階段。第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍：0～23M；操作方式：包括手動(dòng)操作，定時(shí)操作。定時(shí)為1～10min，分十檔任選；被測(cè)介質(zhì)溫度：常溫；環(huán)境溫度：-20～+55℃；基本誤差：±10mm；重錘質(zhì)量：0.3kg。第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）測(cè)量原理組成：傳感器和二次儀表組成。同軸圓柱形電容器的電容量：5.４.2電容脈沖式物位計(jì)極板長(zhǎng)度介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)真空的介電常數(shù)同軸圓柱形極板電容器d通過電容傳感器把物位轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再用測(cè)量電容量的方法確定物位數(shù)值。傳感器把料位的變化轉(zhuǎn)變成與之對(duì)應(yīng)的電容量的變化，由測(cè)量電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，遠(yuǎn)傳給二次儀表處理

第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日電容傳感器插入被測(cè)容器內(nèi)，被測(cè)介質(zhì)為液體，介電常數(shù)為ε2，其覆蓋氣體的介電常數(shù)為ε1。液位高度為零時(shí)，兩極間充滿氣體，電容量為C。液體升高H時(shí)，兩極之間有H高度被液體浸入，由于ε1與ε2不同，必產(chǎn)生電容量的變化?C第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日由內(nèi)電極1和與它相絕緣的同軸金屬圓筒制成的外電極2組成，內(nèi)外電極之間采用絕緣套管3進(jìn)行絕緣固定。（２）測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)液位電容傳感器（３）測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)液位的電容傳感器被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電液體，內(nèi)電極要用絕緣物覆蓋作為中間介質(zhì)，導(dǎo)電液體與金屬容器壁一起作為外電極。第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日當(dāng)被測(cè)液位為零時(shí)，電容器中間所充介質(zhì)是介電常數(shù)為e0的氣體，電容器的電容為：

C0=2pe0L/ln(R/r)當(dāng)液位為某一高度H時(shí)，電容器可視為兩部分電容的并聯(lián)組合，即C1=2pe1H/ln(R/r)+2pe0(L-H)/ln(R/r)液位變化引起的電容增量為：C=C1-C0則：C=2p(e1-e0)H/ln(R/r)可見，電容的增量與被測(cè)液位成正比，因此測(cè)出電容增量的變化便可知道液位的高液體的介電常數(shù)電極被液體浸沒的高度第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日（４）固體料位的測(cè)量用一根電極棒與金屬容器壁構(gòu)成電容器的兩電極，將金屬電極棒插入容器內(nèi)的被測(cè)物料中，以金屬棒作內(nèi)電極，金屬容器壁為外電極，與非導(dǎo)電物料的料位測(cè)量相同，測(cè)量電容量的變化，即可測(cè)得料位。第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.4.3阻旋式料位計(jì)阻旋式料位計(jì)示意圖1-同步電機(jī)；2-微動(dòng)開關(guān)；3-傳動(dòng)齒輪；4-斜板；5-主軸；6-旋翼構(gòu)造及工作原理：同步電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪Z1、Z2、Z3、Z4減速后，帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上的旋翼以3r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。料位上升接觸到旋翼時(shí)，旋翼旋轉(zhuǎn)受阻，齒輪Z3在同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，克服返回彈簧的阻力，沿齒輪Z4作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)斜板轉(zhuǎn)動(dòng)，斜板的微小位移推動(dòng)兩微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)，一只微動(dòng)開關(guān)切斷同步電機(jī)電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，另—微動(dòng)開關(guān)對(duì)外發(fā)出觸點(diǎn)信號(hào)。料位下降到低于旋翼的位置時(shí)，作用于旋翼上的阻力消除，斜板依靠返回彈簧的作用復(fù)原，微動(dòng)開關(guān)復(fù)原，同步電機(jī)電源接通，旋翼恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高料位報(bào)警。改變微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)的連接線，可進(jìn)行低料位報(bào)警。第三十頁(yè)