傳感器及實(shí)用檢測技術(shù)課件第8章

第8章物位的檢測

8.1概述8.2靜壓式液位檢測8.3電容式料位計8.4物位測量中應(yīng)注意的問題

8.1概述

8.1.1物位的測量對象

1.物位的概念

物位:是指存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度和位置。

物位包括：液位、界位及料位。三者統(tǒng)稱為物位。

液位：液體介質(zhì)液面的高低稱為液位;

界位：液體－液體或液體固體的分界面稱為界位;

料位：固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度稱為料位。

2.物位傳感器

用來對物位進(jìn)行測量的傳感器稱為物位傳感器,

物位計：測量物位的儀表稱為物位計。物位計是液位計、料位計、界面計的統(tǒng)稱。

8.1.2物位的測量方法及分類

根據(jù)測量原理的不同,可分為:靜壓式物位檢測、浮力式物位檢測、電學(xué)式物位檢測、聲學(xué)式物位檢測、射線式物位檢測、雷達(dá)式物位檢測等。

按照與被測介質(zhì)接觸與否分為:接觸式物位檢測和非接觸式物位檢測。

靜壓式物位檢測、浮力式物位檢測、電學(xué)式物位檢測屬于接觸式物位檢測;

聲學(xué)式物位檢測、射線式物位檢測、雷達(dá)式物位檢測屬于非接觸式物位檢測。

8.2靜壓式液位檢測

靜壓式物位檢測方法是根據(jù)液柱靜壓力與液柱高度成正比的原理來實(shí)現(xiàn)的。

其原理如圖8－1所示。根據(jù)流體靜力學(xué)原理,可得A、B兩點(diǎn)之間的壓力差為(8－1)式中:PA——容器中A點(diǎn)的靜壓;

PB——容器中B點(diǎn)的靜壓;

H——液柱的高度;

ρ——液體的密度。重力加速度圖8－1靜壓式物位檢測原理圖

當(dāng)被測對象為敞口容器時,則PA為大氣壓,上式變?yōu)?/p>

(8－2)式中:——容器中B點(diǎn)的壓力;由式(8－1)和式(8－2)可知,在測量過程中,如果液體密度ρ為常數(shù):

則在密閉容器中,A、B兩點(diǎn)的壓差與液面高度H成正比;

而在敞口容器中,PB

與H成正比,也就是說,測出ρ和ΔP就可以知道敞口容器或密閉容器中的液位高。

可見,凡是能夠測量壓力或壓差的儀表,只要量程合適,就可以測量物位。

8.2.1差壓液位計

在對密閉容器液位進(jìn)行測量時,容器下部的液體壓力除與液位高度有關(guān)外,還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)。

根據(jù)式(8－1)可知,在這種情況下,可以用測量差壓的方法來獲得液位,如圖8－2所示。圖8－2典型靜壓測量物位實(shí)例

實(shí)現(xiàn)靜壓式物位測量可以通過壓力表、引壓裝置來實(shí)現(xiàn)。

圖8－2為無量程遷移的情況,選取兩個引壓點(diǎn)P0、P1,引入差壓計,可得差壓ΔP。則有:

P+＝P0+Hρ1gP-＝P0所以ΔP=P+-P-＝Hρ1g

得從而得出物位與靜壓差成正比。8.2.2浮子式液位計

1.恒浮力式液位檢測

結(jié)構(gòu)：恒浮力式液位檢測原理如圖8－3所示,將液面上的浮子用繩索連接并懸掛在滑輪上,繩索的另一端掛有平衡重錘。

原理:利用浮子所受重力和浮力之差與平衡重錘的重力相平衡,使浮子漂浮在液面上的原理。

得公式:W-F=G

(8－3)式中:W——浮子的重力; F——浮力; G——重錘的重力。圖8－3恒浮力物位測量原理標(biāo)尺系統(tǒng)平衡而浮子停留在任何高度的液面上時,浮子所受的浮力不變,故稱此法為恒浮力法。

當(dāng)液位上升時,浮子所受浮力F增加,W-F<G,使原有平衡關(guān)系被破壞,浮子向上移動。但浮子向上移動的同時,浮力F下降,W-F增加,直到W-F又重新等于G時,浮子將停留在新的液位上,反之亦然。因而實(shí)現(xiàn)了浮子對液位的跟蹤。

該方法的實(shí)質(zhì)是通過浮子把液位的變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移(線位移或角位移)的變化。

適用：圖8－3所示的浮力液位計只能用于常壓或敞口容器,通常只能就地指示。由于傳動部分暴露在周圍環(huán)境中,使用日久摩擦增大,液位計的誤差就會相應(yīng)增大,因此這種液位計只能用于不太重要的場合。

圖8－4(a)所示為在密閉容器中

圖8－4(b)所示為適用于高溫、粘度大的液體的液位計,

圖8－4浮力式液位計示意圖適用于密閉容器高溫、粘度大的液體的液位計,適用于密閉容器普通液體9用來調(diào)節(jié)液位計的靈敏度

2.變浮力式液位測量

變浮力式液位測量如圖8－5所示,

結(jié)構(gòu)原理：通過浮筒被液體浸入高度不同以致所受的浮力不同來檢測液位的變化，故稱為變浮力式液位測量。

將一橫截面積為A,質(zhì)量為m的圓筒形空心金屬浮筒掛在彈簧上。由于彈簧的下端被固定,因此彈簧因浮筒的重力被壓縮,當(dāng)浮筒的重力與彈簧的彈力達(dá)到平衡時,浮筒停止移動,平衡條件為

Cx0=G

(8－4)式中:C——彈簧阻力系數(shù);x0——不受浮力時彈簧與浮筒力平衡后彈簧的長度；

G——浮筒的重力。圖8－5變浮力式液位計原理當(dāng)浮筒的一部分被浸沒時,浮筒受到液位對它的浮力作用而向上移動;當(dāng)它與彈力和浮筒的重力平衡時,浮筒停止移動。設(shè)液位高度為H,浮筒由于向上移動而實(shí)際浸沒在液體中的高度為h,則浮筒移動的距離即彈簧的位移改變量Δx為糾正P192的式（8-6）、（8-7）等式右邊“-”號為“+”號?！鱴=H-h

(8－5)根據(jù)力平衡原理,有:G-F=C(x0+Δx)(8－6)式中:F——浮力。將上式化簡得mg-Ahρg=C(x0+△x)

(8－7)式中，ρ——液體的的密度，由式(8－4)、(8－7)可得Ahρg=C△x

(8－8)由于H>>Δx,H≈h，因而(8－9)

由式(8－9)可知,當(dāng)液位變化時,使浮筒產(chǎn)生位移,其位移量Δx與液位高度H成正比關(guān)系。

A浮筒截面積；

8.3電容式料位計

1.電容式料位計的工作原理

當(dāng)測量粉狀非導(dǎo)電固體料位和粘滯非導(dǎo)電液體液位時,可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導(dǎo)電固體料位,如圖8－6所示。

用電容法可以測量固體塊狀、顆粒體及粉料的料位,其工作原理與液位測量大致相同。圖8－6電容式料位計原理圖非導(dǎo)電物料h它的電容量變化與料位升降的關(guān)系為(8－10)式中:D、d——分別為容器的內(nèi)徑和傳感器的外徑;

ε、ε1——分別為空氣和物料的介電常數(shù)。

2.電容式料位計的應(yīng)用實(shí)例

圖8－7是電容式料位計測量結(jié)構(gòu)圖,它利用電容傳感器對于密封倉內(nèi)導(dǎo)電性不良的松散物質(zhì)的料位進(jìn)行檢測,并能進(jìn)行自動控制。檢測料位時,可以用指示燈來監(jiān)視料位的情況,如到達(dá)上限時應(yīng)停料,到達(dá)下限時應(yīng)加料等。

電容式傳感器側(cè)裝于料倉里,利用它對料倉壁形成的分布電容來檢測。圖8－8是電容式料位計的電路圖。電路分為信號測量電路和控制電路兩部分。利用Cx、C2、C3、C4組成電橋,當(dāng)C2C4=C3Cx時,電橋平衡。料面增加時,Cx隨之增大,電橋失去平衡,按電橋輸出電壓來判斷料面的情況。電橋輸出交流信號,經(jīng)VT2放大后,由VD1檢波變成直流信號,電橋的輸入電壓由VT1和LC回路組成的振蕩器供電,其頻率約為70kHz,幅值約為250mV。

圖8－7電容式料位計測量結(jié)構(gòu)圖圖8－8電容式料位計電路圖測量橋路顯示表控制電路70kHz250mV電源放大-+-料位降低CX減少XC增加VT2輸出減少到一定量VT3截止VT4導(dǎo)通

J通電動作下料。若料位增加，則相反。

控制電路由VT3和VT4組成的射極耦合觸發(fā)器及繼電器J組成。從測量電路送來的直流信號,當(dāng)其幅值達(dá)到一定值時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),VT4由截止變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),繼電器J吸合,由它的觸點(diǎn)控制相應(yīng)的指示燈亮。

儀器在安裝時注意：為減少探頭對地的固有電容,常用兩只高壓瓷瓶相串聯(lián)做絕緣體。探頭接線不能太長,否則引線間的雜散電容過大。在調(diào)整儀器時,電路中的H、L兩點(diǎn)要斷開,串上電流表。當(dāng)電流表在50μA擋時,調(diào)C4使表頭指零。將電流表撤除,H、L短接。

8.4物位測量中應(yīng)注意的問題

8.4.1物位計的選型

液位計的選型主要從測量要求、測量范圍、被測量介質(zhì)、二次儀表的匹配、傳感器安裝方式等幾個方面考慮。

1.與測量條件有關(guān)的因素

(1)測量目的。

(2)被測量的選擇。

(3)測量范圍。

(4)輸入信號的幅值及頻帶寬度。

(5)精度要求。

(6)測量所需要的時間。

2.與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)

(1)精度。

(2)穩(wěn)定度。

(3)響應(yīng)特性。

(4)模擬量與數(shù)字量。

(5)輸出幅值。

(6)對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)。

(7)校正周期。

(8)超標(biāo)準(zhǔn)過大的輸入信號保護(hù)。

3.與使用環(huán)境條件有關(guān)的因素

(1)安裝現(xiàn)場條件及情況。

(2)環(huán)境條件(濕度、溫度、振動等)。

(3)信號傳輸距離。

(4)所需現(xiàn)場提供的功率容量。

物位計無論是連續(xù)量的信號或開關(guān)量的信號都是用作高度指示的。在不同場合應(yīng)用不同的產(chǎn)品,這是根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境而定的。

比如現(xiàn)場要求防腐并且要求測量儀器不能與測量介質(zhì)接觸,那就選用非接觸的儀表;

若環(huán)境不太復(fù)雜,沒有高溫、高壓、霧氣的場合并且要求盡量經(jīng)濟(jì),那么超聲波液位計就是最為理想的選擇;反之,

若出現(xiàn)高溫、高壓、霧氣等情況時,就只能選用價格稍高的雷達(dá)液位計來測量。

任何儀表選型首先考慮的是符合應(yīng)用,其次才能考慮價格。靜壓液位計的應(yīng)用環(huán)境是深水井、深水池,一般都是大中等量程,而小量程選用靜壓液位計的很少。它的最小測量范圍為0.5米時才能保證儀表精度。

浮筒式液位計一般是在現(xiàn)有的設(shè)備上沒有安裝位置,需引出旁通管時選用的。

激光式物位計的應(yīng)用與超聲波雷達(dá)有相似之處,即都是非接觸式測量,但就激光式物位計而言,它測量的空隙狹小。

導(dǎo)納式物位計的測量范圍最為廣泛,幾乎可以測量所有的介質(zhì),最常用的是測量粘稠、油類等。

磁伸縮液位計是高精度測量的產(chǎn)品,精度能達(dá)到1mm,一般用于成品油的測量,在油站、油庫應(yīng)用的特別廣泛。磁翻板液位計是現(xiàn)場直觀顯示的儀表,紅白對比顯示,在水箱、鍋爐上應(yīng)用廣泛,且室內(nèi)外均可。

玻璃管液位計也是直觀顯示的,主要用于室內(nèi),它的防護(hù)性能較差。

浮球式液位計接液部分為機(jī)械式機(jī)構(gòu),持久耐用,價格經(jīng)濟(jì)。

電容式液位計現(xiàn)階段普及的很快,在很多場合已經(jīng)替代了浮球式液位計。

鋼帶式液位計主要用于油庫測量,雖然精度不是很高但價格適中,是性價比很好的一款產(chǎn)品。

振動物位開關(guān)是測量一些不導(dǎo)電,并且可能帶靜電的一些介質(zhì)的,一般塑料顆粒用振動物位開關(guān)效果是最好的。

電容物位開關(guān)只要是導(dǎo)電性能好的介質(zhì)就可以測量。

導(dǎo)納物位開關(guān)是電容物位開關(guān)的升級產(chǎn)品。電容測量液體效果顯著,抗粘稠性能不如導(dǎo)納物位開關(guān),導(dǎo)納物位開關(guān)是屬于萬能的產(chǎn)品,幾乎可以測量所有的介質(zhì)。

對于需要通過物位檢測確定容器里的原料、半成品或成品的數(shù)量的,可以選用各種物位計;對于生產(chǎn)中需連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器內(nèi)流入和流出物料的平衡,使之保持在一定的高度,使生產(chǎn)正常進(jìn)行,且一旦物位超出允許的上、下限就報警的,則可以選用物位開關(guān)。

在采用差壓法測量液位時,差壓變送器量程的確定是能否進(jìn)行正確測量的關(guān)鍵所在。通常設(shè)計者在差壓變送器量程的確定中,往往忽略了二次儀表刻度范圍與差壓變送器量程之間的“匹配”問題,從而造成了整個液位測量系統(tǒng)設(shè)計上的不合理,甚至是產(chǎn)生不安全的因素。

對于高壓、高溫和有毒的密封容器的液位測量,必須采用非接觸式液位計,如核輻射液位計或超聲波物位計等,它不易受周圍電磁場、煙氣和灰塵等影響,但使用時須注意保護(hù)。

對于用電容式物位計的選擇,可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,即被測介質(zhì)的性質(zhì)(導(dǎo)電特性、粘滯性)、容器類型(規(guī)則/非規(guī)則金屬罐、規(guī)則/非規(guī)則非金屬罐)進(jìn)行。

測量導(dǎo)電液體的電容物位傳感器,容器和液體作為電容器的一個電極,插入的金屬電極作為另一個電極,絕緣套管作為中間介質(zhì),三者組成圓筒形電容器。

當(dāng)容器為非導(dǎo)電體時,需加一個接地極,其下端浸至被測容器底部,上端與安裝法蘭可靠連接,以使兩電極有一個與大地及儀表地線相連,保證儀表正常測量。

測量非導(dǎo)電液體的電容物位傳感器,當(dāng)用于較稀的非導(dǎo)電液體(如輕油等)時,可采用一金屬電極,外部同軸套上一金屬管,相互絕緣固定,以被測介質(zhì)為中間絕緣物質(zhì)構(gòu)成同軸套筒形電容器。

當(dāng)測量粉狀非導(dǎo)電固體料位和粘滯性非導(dǎo)電液體液位時,可采用金屬電極直接插入圓筒型容器的中央,將儀表地線與容器相連,以容器作為外電極,物料或液體作為絕緣介質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。8.4.2測量電路

1.信號轉(zhuǎn)換

物位的輸出信號有可能為電流、電壓、電阻、電容、電感甚至脈沖,一般要求通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路將之轉(zhuǎn)換為電壓信號。如電橋可將電阻、電容、電感轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號;I/U變換器可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號;電荷放大器將電場型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓;F/U轉(zhuǎn)換電路可將頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

2.信號放大

傳感器的輸出信號一般比較微弱,需通過放大電路將其輸出的直流信號或交流信號進(jìn)行放大處理,為檢測系統(tǒng)提供高精度的信號。放大電路各種各樣,針對不同的信號有不同的放大電路。信號放大的目的將信號放大為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號:1～5V(0～10V)或標(biāo)準(zhǔn)電流信號:4～20mA(0～20mA),或其他標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號,方便被測信號的后續(xù)變換、處理、記錄、分析等工作。

放大電路包括電荷放大器、同相比例放大器、反相比例放大器、電流電壓變換放大器、差動放大器、自舉型高輸入阻抗放大器、斬波穩(wěn)零放大器、儀用放大器、隔離放大路等。

3.信號調(diào)理

通常的傳感器輸出為高阻抗,為了使信號能夠傳輸?shù)胶罄m(xù)電路進(jìn)行處理,一般要通過電阻匹配電路將高阻抗變換為低阻抗。

典型的信號調(diào)理電路包括阻抗匹配電路、抗干擾電路、調(diào)制及解調(diào)電路等。

8.4.3系統(tǒng)安裝

1.傳感器的安裝

傳感器的安裝取決于測量的介質(zhì)及現(xiàn)場安裝條件。一般要注意安裝的位置、支架或底座。

例如,對于超聲波物位傳感器的安裝來說,其注意事項為

(1)傳感器和最高液(物)位之間距離應(yīng)大于盲區(qū)(安置高度≥液(物)位最高高度+盲區(qū))。

(2)同時要保證傳感器軸線應(yīng)垂直于被測液(物),以保證超聲波的發(fā)射正對液面。

(3)在固定當(dāng)中必要時可加橡膠墊圈,同時盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。

(4)因傳感器發(fā)射波夾角的存在,在安置時應(yīng)與器壁保持一定的距離,并保證波束區(qū)內(nèi)不得有障礙物。

(5)盡量避免日光直接照射,建議配遮陽罩或保護(hù)箱。圖8－9常見錯誤安裝方式圖8－10正確安裝方式

射頻電容式物位計的安裝如圖8－11所示,需注意以下幾個方面:

(1)測量液體罐時,電極應(yīng)與罐壁平行。電極與罐壁的距離應(yīng)大于200mm。

(2)如果液體罐為非金屬應(yīng)選用同軸探極,或者由罐底至罐頂加裝金屬帶作為參考電極并與傳感器外殼接地端子用導(dǎo)線可靠連接。

(3)測量固體時若倉壁為混凝土,應(yīng)注意使傳感器外殼接地端子與混凝土鋼筋用導(dǎo)線可靠連接。

(4)傳感器與二次表之間用雙絞線連接,距離小于1公里(注意:“+”、“－”極不能接反)。

(5)電極長度應(yīng)稍大于量程范圍。

圖8－11射頻電容式物位計的安裝示意圖

(a)棒式或纜式探極測量桶形罐液位安裝示意圖;

(b)同軸探極測量臥式罐液位安裝示意圖;(c)聯(lián)通器測量球形罐液位安裝示意圖;