項(xiàng)目四 液位檢測傳感器及儀表

項(xiàng)目四

液位檢測傳感器及儀表天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院李駪、姜秀英制作第四章液位檢測傳感器及儀表■■兩相物料或兩種相對密度不同又互不相混合的物料界面位置的測量統(tǒng)稱為物位測量，其中氣相與液相間的界面測量稱為液位測量。測量液位的儀表叫液位計(jì)，測量固體料位的儀表叫料位計(jì)，測量液體及液體間界面的儀表叫界面計(jì)，上述三種儀表統(tǒng)稱為物位測量儀表。4.3.1物位信號的檢測方法與檢測元件選擇 物位測量方法很多，按其測量原理分為直讀式、浮力式、差壓式、電磁式、超聲波式、核輻射式、光學(xué)式等。下面介紹幾種常見的液位測量方法。1.玻璃液位計(jì)■玻璃液位計(jì)是最簡單又較典型的一種直讀式液位計(jì)。它是根據(jù)連通器的原理,其一端接容器的氣相,另一端接液相,則管內(nèi)的液位與容器內(nèi)液位相同,讀出管上的刻度值便可知容器內(nèi)的液面高低,如圖4-1所示。玻璃液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,一般用在溫度及壓力不太高的場合就地指示液位的高低。其缺點(diǎn)是玻璃易碎,且信號不能遠(yuǎn)傳和自動記錄。玻璃液位計(jì)分玻璃管和玻璃板兩種。對于溫度和壓力較高的場合多采用玻璃板液位計(jì)。透光式玻璃板液位計(jì)適用于測黏度較小的清潔介質(zhì),折光式玻璃板液位計(jì)適用于測黏度較大的介質(zhì)。■■■■圖4-1玻璃液位計(jì)圖4-2浮標(biāo)式液位傳感器2.浮力式液位傳感器當(dāng)一個(gè)物體浸放在液體中時(shí),液體對它有一個(gè)向上的浮力,浮力的大小等于物體所排開的那部分液體的質(zhì)量。浮力式液位計(jì)就是基于液體浮力原理而工作的,它分為恒浮力式和變浮力式兩種。恒浮力式浮子的位置始終跟隨液位的變化而變化,測量過程中感測元件所受的浮力不變。變浮力式沉筒所受的浮力隨液位的變化而變化,測量過程中感測元件所受的浮力是變化的。浮標(biāo)式液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。將浮標(biāo)用繩索連接并懸掛在滑輪上,繩索的另一端掛有平衡重物及指針,利用浮標(biāo)所受重力和浮力之差與平衡重物相平衡,使浮標(biāo)漂浮在液面上。即有■■W-F=G (4-1) 式中,W為浮標(biāo)的質(zhì)量；,為浮力；G為平衡重物的質(zhì)量。3.差壓式液位計(jì)■■ (1)差壓式液位計(jì)測量原理。對于不可壓縮的液體(其密度不變),液柱的高度與液體的差壓成正比。差壓式液位計(jì)是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)由液柱產(chǎn)生的差壓也相應(yīng)變化的原理而工作的。如圖4-3所示,根據(jù)流體靜力學(xué)原理有■=+ρgH(4-2)則差壓與液位高度則有如下關(guān)系△p=

—=ρgH(4-3)式中， 、分別為A.B兩處的壓力；ρ為液體密度；g為重力加速度；H為液位高度。通常ρ視為常數(shù),則△p與H成正比。這樣就把測液位高度的問題轉(zhuǎn)換為測量差壓的問題了。因此,各種壓力計(jì)、差壓計(jì)和差壓變送器都可用來測量液位的高度。 利用差壓變送器測密閉容器的液位時(shí),變送器的正壓室通過引壓導(dǎo)管與容器下部取壓點(diǎn)相通,其負(fù)壓室則與容器氣相相通；若測敞口容器內(nèi)的液位,則差壓變送器的負(fù)壓室應(yīng)與大氣相通或用壓力變送器代替。(2)液位測量的零點(diǎn)遷移問題圖4-3差壓式液位計(jì)原理圖圖4-4無遷移液位測量系統(tǒng)■圖4-5正遷移液位測量系統(tǒng)圖4-6負(fù)遷移液位測量系統(tǒng)(3)

法蘭式差壓變送器■(3)法蘭式差壓變送器。法蘭式差壓變送器是為了解決測量有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí),防止應(yīng)用一般的變送器存在引壓管線被腐、被堵這一問題而專門生產(chǎn)的。變送器的法蘭直接與容器上的法蘭相連接,如圖4-7所示。作為敏感元件的測量頭(金屬膜盒)經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室所組成的密閉系統(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。毛細(xì)管外套以金屬蛇皮管保護(hù),其他部分與差壓變送器基本相同。使用時(shí)同樣要注意遷移問題?！?.超聲波式液位計(jì)■超聲波式液位計(jì)是利用聲速特性,采用回聲測距的方法對液位進(jìn)行連續(xù)測量。如圖4-8所示,置于容器底部的超聲波探頭既可發(fā)出超聲波又可接收超聲波。當(dāng)超聲波探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)液體與氣體的分界面時(shí),由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊,聲波幾乎全部被反射。如果超聲波探頭從發(fā)射到接收超聲波所經(jīng)過的時(shí)間為t,超聲波在介質(zhì)中傳播速度為v,則探頭到液面的距離為■H=(1／2)Vt (4-4)■可見,對于確定的被測液體,聲波在其中的傳播速度是已知的,只要準(zhǔn)確測出時(shí)間t,就可測出液位日的數(shù)值。超聲波式液位計(jì)的特點(diǎn)是可做到非接觸測量,可測范圍廣,探頭壽命長。但探頭本身不能承受高溫,聲速受到介質(zhì)的溫度、壓力影響,電路復(fù)雜,造價(jià)較高?！龀暡ㄊ揭何挥?jì)■圖4-7法蘭式差壓變送器圖4-8超聲波液位計(jì)5.電容式液位計(jì)■電容式液位計(jì)是將液位的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化,通過測量電容量的大小來間接測量液位高低的液位測量儀表。它由電容液位傳感器和檢測電容的測量線路組成。由于被測介質(zhì)的不同,電容式液位傳感器有多種不同形式。導(dǎo)電液體的液位測量如圖4-9所示。在液體中插入一根帶絕緣套管的電極。由于液體是導(dǎo)電的,容器和液體可視為電容器的一個(gè)電極,插入的金屬電極作為另一電極,絕緣套管為中間介質(zhì),三者組成圓筒形電容器。由物理學(xué)知,在如圖4-10所示的圓筒形電容器中的電容量為■■C= /㏑（D/d） (4-5)■■■ 式中，L為兩電極相互遮蓋部分的長度:d、D分別為圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑；為中間介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)為常數(shù)時(shí)，C與L成正比。在圖4-10中，由于中間介質(zhì)為絕緣套管，所以組成的電容器的介電常數(shù)就為常數(shù)。當(dāng)液位變化時(shí)，電容器兩極被浸沒的長度也隨之而變。液位越高，電極被浸沒的就越多，由式(4-5)可知，相應(yīng)的電容量就越大。電容式液位計(jì)可實(shí)現(xiàn)液位的連續(xù)測量和指示，也可與其他儀表配套進(jìn)行自動記錄、控制和調(diào)節(jié)。電容式液位計(jì)圖4-9導(dǎo)電液體的液位測量圖4-10圓筒形電容器6.吹氣式液位計(jì)■吹氣式液位計(jì)的原理如圖4-11所示。在被測的液體中插入一根導(dǎo)管,由氣源來的壓縮空氣經(jīng)過濾器過濾,再經(jīng)減壓閥將壓力減至,經(jīng)節(jié)流元件降到,通過流量計(jì)到達(dá)吹氣導(dǎo)管,最后壓縮空氣從導(dǎo)管下端逸出并上升到液面。通過導(dǎo)管底部排出氣體所需壓力的大小與液位高低有關(guān),當(dāng)導(dǎo)管下端有微量氣泡逸出時(shí),導(dǎo)管內(nèi)的氣壓幾乎與液封靜壓相等,此時(shí)壓力計(jì)的讀數(shù)便可反映出液位的數(shù)值。吹氣式液位計(jì)構(gòu)造簡單,使用方便,尤其適用于測腐蝕性強(qiáng)、沉淀嚴(yán)重及含有懸浮顆粒的液體液位?！鰣D4-11吹氣式液位計(jì)7.核輻射式液(物)位計(jì)■■■■■放射性同位素的原子核在核衰變中放出各種帶有一定能量的粒子或射線的現(xiàn)象稱為核輻射。核輻射液(物)位計(jì)是以射線和物質(zhì)的相互作用為基礎(chǔ)的，同位素放射源所產(chǎn)生的射線能夠穿透物質(zhì)層，射線在穿透物質(zhì)層時(shí)有一部分被吸收掉，其透射強(qiáng)度隨物質(zhì)的厚度而變。其關(guān)系為(4-5) 式中，Io、I，分別為射入介質(zhì)前和通過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度；．μ為介質(zhì)對射線的吸收系數(shù):H為介質(zhì)的厚度。當(dāng)放射源選定，被測介質(zhì)已知時(shí)，則Io與μ為常數(shù)。由上面的關(guān)系式可知，只要能測知穿過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I，那么介質(zhì)的厚度即物位的高度就可求出。不同的介質(zhì)吸收射線的能力是不同的，固體吸收能力最強(qiáng)，液體次之，氣體最弱。核輻射式液(物)位計(jì)由放射源、接收器和顯示儀表三部分組成，原理框圖如圖4-12所示。放射源和接收器放置在被測容器旁，由放射源放射出的射線強(qiáng)度為而，穿過設(shè)備和被測介質(zhì)，由探測器接收，并把探測出的射線強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大器放大后送入顯示儀表進(jìn)行顯示。核輻射式液(物)位計(jì)圖4-12核輻射式液(物)位計(jì)原理框圖■■■核輻射式液(物)位計(jì)根據(jù)核輻射檢測的原理可制成厚度計(jì)、物位計(jì)和密度計(jì)等,也可用來測量氣體壓力、分析物質(zhì)成分以及進(jìn)行無損探傷,應(yīng)用范圍很廣。由于對被測介質(zhì)進(jìn)行的是非接觸測量,因而適用于高溫、高壓容器,強(qiáng)腐蝕、劇毒、易爆、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)以及高溫熔體等物位的測量i又因?yàn)榉派渚€不受溫度、壓力、濕度以及電磁場等影響,故此物位計(jì)可用于惡劣環(huán)境下,且不常有人的地方工作。但放射線對人體有害,所以對它的劑量及使用范圍要加以控制和限制。物位計(jì)選擇原則是考慮被測介質(zhì)對測量元件傳感性能的影響以及安全因素等。一般情況下液