1、4 4、物位检测仪表、物位检测仪表11/21/20221 物位物位-指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒 物的料位和两种不同液体介质分界面的总称物的料位和两种不同液体介质分界面的总称 液位液位容器中的液体介质的高低容器中的液体介质的高低料位料位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度容器中固体或颗粒状物质的堆积高度 物位检测的作用物位检测的作用 确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围
2、内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。物位的基本概念物位的基本概念11/21/20222应用浮力原理检测物位应用浮力原理检测物位应用静压原理检测物位应用静压原理检测物位 应用超声波反射检测物位应用超声波反射检测物位电磁式、核辐射式、光学式电磁式、核辐射式、光学式物物位位检检测测方方法法11/21/20223应用浮力原理检测物位应用浮力原理检测物位利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。液位进行测量的。浮力式液位计有两种。一种是维持浮力式液位计有两种。一种是维
3、持浮力不变的液位计，称为浮力不变的液位计，称为恒浮力式恒浮力式液体计，如浮球、浮液体计，如浮球、浮标式等。另一种是在检测过程中浮力发生变化的，叫做标式等。另一种是在检测过程中浮力发生变化的，叫做变浮力式变浮力式液位计，如沉筒式液位计等。液位计，如沉筒式液位计等。因此，只要检因此，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可以知道液位的高低。以知道液位的高低。浮力式液位计浮力式液位计结构简单结构简单，造价低造价低，维持方便维持方便，因此在，因此在工业生产中应用广泛。工业生产中应用广泛。恒浮力法液位测量示意图 测量原理测量原理11/21/20224
4、物位检测方法及仪表物位检测方法及仪表应用静压原理检测物位应用静压原理检测物位压力表测量液位原理 通过液柱静压的方法对液位进行测量的。通过液柱静压的方法对液位进行测量的。敞口容器敞口容器：多用直接测量容器底部压力的方法。：多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度的高度 。其关系为其关系为式中式中 PP测压仪表指示值测压仪表指示值 HH液位的高度液位的高度液体的密度液体的密度gg重力加速度重力加速度gHPgHPPABgHPPPAB 式中式中
5、P PA A、P PB B分别是液面上部介质压力和液面以下分别是液面上部介质压力和液面以下H H深度的液体压力。深度的液体压力。密闭容器密闭容器：测量容器底部压力，除与液面高度有关外，还与液面上部测量容器底部压力，除与液面高度有关外，还与液面上部介介 质压力有关，其关系为质压力有关，其关系为11/21/202255.1 浮力式液位计浮力式液位计一、原理 浮力式液位计是浮力式液位计是基于物体在液体中受浮力作用的原理工作的基于物体在液体中受浮力作用的原理工作的。二、二、浮子式液位计浮子式液位计 1、种类：种类：浮子式浮子式(也叫浮标式也叫浮标式)P71 图图(a)、(b)；浮球式浮球式 图图5-1
6、(c)11/21/202262、浮子式液位计浮子式液位计（1）在液体中放置一个浮子在液体中放置一个浮子,也称浮标也称浮标,随液面变化而自由浮随液面变化而自由浮动。动。它是一种它是一种维持力不变的即维持力不变的即恒浮力式液位计恒浮力式液位计。（2）测量原理测量原理：液面上的浮子用绳索连接并悬挂在滑轮组上：液面上的浮子用绳索连接并悬挂在滑轮组上如图如图5-1(a)所示。绳索的另一端有平衡重物所示。绳索的另一端有平衡重物,使使浮子的重力浮子的重力和所受的浮力之差与平衡重物的重力相平衡和所受的浮力之差与平衡重物的重力相平衡,浮子可以随动浮子可以随动地停留在任一液面上。其地停留在任一液面上。其平衡关系为
7、平衡关系为:WF=G 式中式中 W浮子本身的重力浮子本身的重力;F浮子所受的浮力浮子所受的浮力;G平衡重物的重力。平衡重物的重力。浮子半浸在液体表面上，浮子半浸在液体表面上，当液位上升时，浮子所受的浮力当液位上升时，浮子所受的浮力F增加，即增加，即 WFG，原平衡被破坏，浮子沿导轮向上移原平衡被破坏，浮子沿导轮向上移动；当液位下降时，动；当液位下降时，WF G，浮子则随液面下落，直浮子则随液面下落，直到达到新的平衡为止。浮子随液面的升降到达到新的平衡为止。浮子随液面的升降,通过绳索和滑轮通过绳索和滑轮带动指针带动指针,便指示出液位数值。如果把滑轮的转角和绳索的便指示出液位数值。如果把滑轮的转角
8、和绳索的位移位移,经过机械传动后转化为电阻或电感等变化经过机械传动后转化为电阻或电感等变化,就可以进行就可以进行液位的远传、指示记录液位值液位的远传、指示记录液位值。11/21/20227（3）特点：浮子（标）式液位计比较简单，可用于特点：浮子（标）式液位计比较简单，可用于敞口容器，也可用于闭口容器。敞口容器，也可用于闭口容器。3、浮球式液位计浮球式液位计 （1）原理图：如图原理图：如图(c)所示，在容器的外侧做一浮球所示，在容器的外侧做一浮球室与容器相连通，浮球室与容器相连通，浮球6是铜或不锈钢制成的空心是铜或不锈钢制成的空心球球,通过连杆通过连杆7和转动轴和转动轴8相接。重锤相接。重锤9用
9、来调整杠杆用来调整杠杆系统的平衡。系统的平衡。（2）测量原理：当浮球的一半浸入液体时）测量原理：当浮球的一半浸入液体时,杠杆系统杠杆系统的力矩平衡。随着液位的升降的力矩平衡。随着液位的升降,平衡被破坏平衡被破坏,浮球也浮球也随着液位变化绕转动轴旋转随着液位变化绕转动轴旋转,直到达到新的平衡为直到达到新的平衡为止止,其关系可用下式表示其关系可用下式表示:(WF)l1=Gl2 式中式中l1、l2分别为转动轴到浮球的垂直距离与转分别为转动轴到浮球的垂直距离与转动轴到重锤中心的距离动轴到重锤中心的距离。11/21/20228（3）特点：）特点：耐压与测量范围都受到限制耐压与测量范围都受到限制,只适用于
10、压力只适用于压力较低和范围较小的液位测量较低和范围较小的液位测量。对于温度、压对于温度、压力不太高，但粘度较大的液体介质的液位测力不太高，但粘度较大的液体介质的液位测量，一般采用浮球式液位计量，一般采用浮球式液位计。三、磁翻转浮标液位计三、磁翻转浮标液位计 1、测量原理测量原理：在浮标上设置永久磁铁：在浮标上设置永久磁铁,安装在安装在非导磁不锈钢导筒非导磁不锈钢导筒内内,它随导筒内的液位升降它随导筒内的液位升降,借助于磁耦合作用借助于磁耦合作用,使导管外翻转箱内的红白使导管外翻转箱内的红白相间的翻板或翻球依次翻转，如图相间的翻板或翻球依次翻转，如图5-2所示。所示。有液体的位置红色朝外有液体的
11、位置红色朝外,无液体的位置白色朝无液体的位置白色朝外外,因此因此红色就是液位所在红色就是液位所在,液位高度由标尺液位高度由标尺显示显示。11/21/202292、如果在不锈钢导管外设置报警开关，液位计就具有上下限报、如果在不锈钢导管外设置报警开关，液位计就具有上下限报警、远传或自动控制功能，既可防止液体流空或溢出事故，警、远传或自动控制功能，既可防止液体流空或溢出事故，也可实现液位远传、液位自动控制。也可实现液位远传、液位自动控制。3、种类：一般分为、种类：一般分为顶装式顶装式、侧装式侧装式与与半顶半顶(侧侧)装式装式三种三种,其原理其原理是相同的是相同的,液位量程可按要求订制液位量程可按要求
12、订制,测量精度一般为测量精度一般为10mm。11/21/202210四、浮筒式液位计浮筒式液位计 1、构成：构成：P177 图图5-3 浮子改成浮筒浮子改成浮筒,将它半浸于液体之中将它半浸于液体之中,当液面变化时当液面变化时,浮筒被浮筒被液体浸没的体积随着变化而受到不同的浮力液体浸没的体积随着变化而受到不同的浮力,通过测量浮力通过测量浮力的变化可以测量液位。与浮标式液位计相比较的变化可以测量液位。与浮标式液位计相比较,它是一种变它是一种变浮力式液位计浮力式液位计。11/21/2022112、测量原理：测量原理：当液位变化时，作用在杠杆上的力发生变化，当液位变化时，作用在杠杆上的力发生变化，因而
13、作用在扭力管上的扭力矩发生变化，扭因而作用在扭力管上的扭力矩发生变化，扭力管带动芯轴产生角位移。这样就把液位变力管带动芯轴产生角位移。这样就把液位变化转换成芯轴的角位移，再经推杆带动霍尔化转换成芯轴的角位移，再经推杆带动霍尔位移转换器在磁场中作近似直线的运动（上位移转换器在磁场中作近似直线的运动（上下方向），从而把液位的变化转换为相应的下方向），从而把液位的变化转换为相应的电信号输出，用以显示、记录与控制液位的电信号输出，用以显示、记录与控制液位的变化。变化。11/21/2022125.2 差压式液位计差压式液位计一、测量原理 利用容器内液位变化时，由液柱高度产生的静压也相应变化利用容器内液位
14、变化时，由液柱高度产生的静压也相应变化的原理工作的。用差压式液位计测得的差压与液位高度成的原理工作的。用差压式液位计测得的差压与液位高度成正比。正比。二、敞口容器的液位检测二、敞口容器的液位检测 1、原理图：、原理图：图图5-4 11/21/2022132、测量原理：测量原理：在图在图5-4中，变送器的安装位置较最低液位中，变送器的安装位置较最低液位低低 h1，并低于容器底部并低于容器底部h2，设需要检测的液设需要检测的液位为位为H，则差压计正、负压室的压力分别为：则差压计正、负压室的压力分别为：P P1 1=gHgH+g(h+g(h1 1+h+h2 2)P P2 2=0=0（通大气）通大气）
15、则差压则差压P=PP=P1 1-P-P2 2=gHgH+g(h+g(h1 1+h+h2 2)=gHgH+Z+Z0 0 式式(5-4)(5-4)式中式中 容器内液体密度容器内液体密度 Z Z0 0零点迁移量，零点迁移量，Z Z0 0=g(h=g(h1 1+h+h2 2)g g重力加速度重力加速度11/21/2022143、零点迁移及原因点迁移及原因（1 1）何谓零点迁移？）何谓零点迁移？变送器正常使用的要求是：当变送器正常使用的要求是：当液位从零变化到液位从零变化到最高液位最高液位H H时，变送器的输出电流对应于时，变送器的输出电流对应于4 420mADC20mADC；如果当液位从零变化到最高液
16、位如果当液位从零变化到最高液位H H时，时，变送器的输出电流不是从变送器的输出电流不是从4mA4mA变化到变化到20mA20mA，而是而是使变送器的零点超出使变送器的零点超出4mA4mA，满度（测量上限）超满度（测量上限）超出出20mA,20mA,这种现象就是零点迁移。这种现象就是零点迁移。11/21/202215（2）零点迁移的原因零点迁移的原因 由测量原理知，只有当变送器安装在最低液位处，被由测量原理知，只有当变送器安装在最低液位处，被测液位测液位H H与差压计的差压与差压计的差压PP成成正比，但在实际中，由于正比，但在实际中，由于现场安装条件的限制，变送器的现场安装条件的限制，变送器的安
17、装位置不能保证在最安装位置不能保证在最低液位低液位处，从而造成当液位从零变化到最高液位处，从而造成当液位从零变化到最高液位H H时，时，变送器的输出电流不是从变送器的输出电流不是从4mA4mA变化到变化到20mA20mA，而是使变送而是使变送器的零点超出器的零点超出4mA4mA，满度（测量上限）超出满度（测量上限）超出20mA,20mA,这就这就出出现了零点迁移现象。现了零点迁移现象。安装位置条件不同存在着仪表零点迁移问题安装位置条件不同存在着仪表零点迁移问题 （3 3）零点迁移的种类）零点迁移的种类 a a、无迁移：式（无迁移：式（5-45-4）中）中Z Z0 0=0=0时即为无迁移。此时时
18、即为无迁移。此时 11/21/202216特征：差压变送器的正压室取压口正好特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（与容器的最低液位（HminHmin=0=0）处于同一）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的水平位置。作用于变送器正、负压室的差压差压PP与液位高度与液位高度H H的关系为的关系为P=P=HgHg。当当H=0H=0时，正负压室的差压时，正负压室的差压P=0P=0，变送，变送 器输出信号为器输出信号为4mA4mA当当H=H=HmaxHmax时，差压时，差压PmaxPmax=gHmaxgHmax，变送器的输出信号为变送器的输出信号为20 20 mAmA，无迁移无迁移1
19、1/21/202217ghgHPP1气气PP正迁移正迁移 变送器的安装位置与容器的最低液位（变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0H=0）不在同一水平位置不在同一水平位置 正、负压室的压力分别为正、负压室的压力分别为ghgHPPP1正、负压室的压差为 当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P=hP=h1 1g 0g 0，从而使变送器在，从而使变送器在H=0H=0时输出电流时输出电流大于大于4 4 mAmA；H=H=HmaxHmax时，输出电流大于时，输出电流大于20 20 mAmA。正迁移正迁移 迁移量迁移量 P=hP=h1 1gg11/21/202218 b、正迁移：正迁移：式（式（5-
20、45-4）中）中Z Z0 00 0时即为正迁移。时即为正迁移。即把变送器的零点沿即把变送器的零点沿PP的的坐标正方向迁移一坐标正方向迁移一个相应的量个相应的量Z Z0 0=g(h=g(h1 1+h+h2 2)调整变送器内部设置的正调整变送器内部设置的正迁移弹簧，以改变弹簧的张力来抵消迁移弹簧，以改变弹簧的张力来抵消Z Z0 0的作用。的作用。c c、负迁移：式（负迁移：式（5-45-4）中）中Z Z0 00 0时即为负迁移。时即为负迁移。即把变送器的零点沿即把变送器的零点沿PP的坐标负方向迁移一的坐标负方向迁移一个相应的量个相应的量Z Z0 0=g(h=g(h1 1+h+h2 2)调整变送器内
21、部设置的负调整变送器内部设置的负迁移弹簧。迁移弹簧。11/21/202219负迁移产生在以下情形 在在对密闭容器内的液位进行测量时对密闭容器内的液位进行测量时，有时，有时为了不让被测容器内液体或气体进入变送为了不让被测容器内液体或气体进入变送器而造成导压管线结晶、堵塞、腐蚀仪表，器而造成导压管线结晶、堵塞、腐蚀仪表，或者为保持负压室凝液高度恒定，常在变或者为保持负压室凝液高度恒定，常在变送器的正、负压室与取压点间加装隔离罐，送器的正、负压室与取压点间加装隔离罐，并充以密度为并充以密度为2 2的中性隔离液（一般的中性隔离液（一般2 2 1 1,1 1为被测为被测介质的密度）。介质的密度）。11/
22、21/202220ghhgHPPP2121)(负迁移负迁移 差压变送器的正、负压室的压力分别为差压变送器的正、负压室的压力分别为 ghgHPP211气 ghPP22气正、负压室的压差为正、负压室的压差为当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P=-P=-（h h2 2-h-h1 1）2 2g0g0，使变送器在，使变送器在H=0H=0时时输出电流小于输出电流小于4 4 mAmA；H=H=HmaxHmax时，输出电流小于时，输出电流小于20 20 mAmAP=Hg负迁移负迁移 迁移量迁移量 P=-P=-（h h2 2-h-h1 1）2 2g g11/21/20222111/21/202222如图如
23、图5-5(a5-5(a）此时此时 P=PP=P1 1-P-P2 2=1 1g g（H+hH+h1 1+h+h2 2）-2 2ghgh3 3 =1 1gH-gH-2 2h h3 3-1 1(h(h1 1+h+h2 2)g)g =1 1gH+ZgH+Z0 0 Z Z0 0=-=-2 2h h3 3-1 1(h(h1 1+h+h2 2)g)g0 011/21/202223【例题例题】按图按图5-4（a）安装一台电容式差压变送器，安装一台电容式差压变送器，测量测量敞口容器敞口容器的液位，设变送器测量上、下限范围为的液位，设变送器测量上、下限范围为04.905kPa（相当于相当于0500mm水柱），即量
24、程为水柱），即量程为4.905kPa时，输出信号为时，输出信号为420mADC。设。设Z0=1.962kPa（相当于相当于200mm水柱）。水柱）。11/21/202224应用静压原理应用静压原理检测物位检测物位（a a）无迁移无迁移 （b b）负迁移负迁移 （c c）正迁移）正迁移0500042020007000P(Pa)-20003000I0(mA)某压力变送器的测量范围某压力变送器的测量范围：05000Pa，固定差压固定差压 =2000=2000Paghh212)(11/21/2022251）如不进行零点迁移，则有：）如不进行零点迁移，则有：当液位当液位H=0时时,P=P=1.962kP
25、a,变送器的输出信号必变送器的输出信号必大于大于4mADC；当液位当液位H=Hmax时时,P=P=4.905+1.962=6.867kPa,输出输出信号大于信号大于20mA。显然，显然，这种情况不符合变送器正常使用要求这种情况不符合变送器正常使用要求。（2）因此）因此,必须将变送器的零点正向迁移到必须将变送器的零点正向迁移到Z0的位置的位置,使变送器的输出信号与液位之间保持正常关系。这使变送器的输出信号与液位之间保持正常关系。这时时,变送器测量范围的下限变为变送器测量范围的下限变为1.962kPa,上限变为上限变为6.867kPa,但量程仍是但量程仍是4.905kPa,输出信号仍是输出信号仍是
26、420mADC。11/21/202226(4)零点迁移的实质零点迁移的实质 同时改变差压变送器的上限与下限（即测量范同时改变差压变送器的上限与下限（即测量范围），即相当于把测量上、下限的坐标同时平移围），即相当于把测量上、下限的坐标同时平移一个位置，并不改变量程的大小，以适应现场安一个位置，并不改变量程的大小，以适应现场安装变送器的实际条件。装变送器的实际条件。三、密闭容器的液位检测三、密闭容器的液位检测 采用负迁移的方法来解决容器内外温差较大、气相采用负迁移的方法来解决容器内外温差较大、气相容易凝结成液体、影响测量结果的问题。容易凝结成液体、影响测量结果的问题。四、用法兰式差压变送器检测液位
27、四、用法兰式差压变送器检测液位 1、适用场合：测有腐蚀性、含固体颗粒、易结晶、适用场合：测有腐蚀性、含固体颗粒、易结晶、易沉淀或粘度大的液体的液位。易沉淀或粘度大的液体的液位。11/21/202227 2、测量原理图：3、测量原理：测量原理：法兰与液体接触端面受到的压力作用于膜盒，通法兰与液体接触端面受到的压力作用于膜盒，通过膜盒毛细管内的硅油将压力传递到差压变送器过膜盒毛细管内的硅油将压力传递到差压变送器的正负测量室内，从而测出液体的液位。的正负测量室内，从而测出液体的液位。11/21/2022284.3 电容式物位计电容式物位计一、组成及特点组成及特点1、组成组成：电容式物位计是由电容传感
28、器与电：电容式物位计是由电容传感器与电容转换器组成的。容转换器组成的。2、特点；特点；结构简单结构简单,使用方便使用方便,适用于各种导电适用于各种导电与非导电溶液的液位或粉料、粒料以及块料与非导电溶液的液位或粉料、粒料以及块料的料位测量。的料位测量。3电容式物位计是电学式物位检测方法之一，电容式物位计是电学式物位检测方法之一，它是它是直接把物位变化量转换成电容的变化量，直接把物位变化量转换成电容的变化量，然后再变换成统一的标准电信号，传输给显然后再变换成统一的标准电信号，传输给显示仪表进行指示、记录、报警或控制示仪表进行指示、记录、报警或控制。11/21/2022294.3 电容式物位计电容式
29、物位计二、电容传感器工作原理二、电容传感器工作原理 1、结构图结构图：电容式物位计的电容检测元件电容式物位计的电容检测元件是根据是根据圆筒形电容器圆筒形电容器原理进行工作的。结构原理进行工作的。结构形式形式如图如图5-7所示所示。电容器由两个相互绝缘。电容器由两个相互绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为筒之间充以介电常数为的电介质的电介质.2、测量原理：、测量原理：圆筒形电容器的电容量圆筒形电容器的电容量C为为:C=2L/ln(D/d)=KL式中式中L两极板间互相遮蔽部分的长度；两极板间互相遮蔽部分的长度；d、D内外电极直径内外电
30、极直径；11/21/202230极板间介质的介电系数极板间介质的介电系数,=0 p；K仪表常数。仪表常数。其中其中0=8.8410-12F/m,为真空为真空(或干空气或干空气)近近似的介电系数似的介电系数;p为介质的相对介电系数为介质的相对介电系数,水水的的p=80,石油的石油的p=23,聚四氟乙烯塑料的聚四氟乙烯塑料的p=1.82.2等等。等等。由此可见，当传感器的由此可见，当传感器的D和和d一定时一定时,电容量电容量C的大小与极板的长度的大小与极板的长度L和介质的介电系数和介质的介电系数的乘积成正比。这样的乘积成正比。这样,将电容传感器插入被测将电容传感器插入被测介质中介质中,电极浸入介质
31、中的深度随物位高低而电极浸入介质中的深度随物位高低而变化变化,电极间介质的升降电极间介质的升降,必然改变两极板间必然改变两极板间的电容量的电容量,从而可以测出液位。从而可以测出液位。11/21/202231三、电容物位传感器1、导电液体用电容传感器导电液体用电容传感器（1）水、酸、碱、盐及各种水溶液都是导电介质水、酸、碱、盐及各种水溶液都是导电介质,应使用绝缘应使用绝缘电容传感器。电容传感器。一般用直径为一般用直径为d的不锈钢或紫铜棒作电极的不锈钢或紫铜棒作电极1,外外套聚四氟乙烯塑料绝缘管或涂以搪瓷绝缘层套聚四氟乙烯塑料绝缘管或涂以搪瓷绝缘层2。电容传感器。电容传感器插在直径为插在直径为D0
32、容器内的液体中容器内的液体中,如图如图5-8所示。所示。（2）测量原理：）测量原理：a、当容器内液位为零时当容器内液位为零时,电容传感器电容传感器 的内电极与容器壁之间构成的电容为的内电极与容器壁之间构成的电容为 传感器的起始电容量传感器的起始电容量C0为：为：C0=20L/ln(D0/d)（5-7）0电极绝缘套管和容器内的电极绝缘套管和容器内的 空气介质共同组成电容的空气介质共同组成电容的 等效介电系数。等效介电系数。11/21/202232 b、当液体高度为当液体高度为H时，导电液体相当于电容器的另时，导电液体相当于电容器的另一极板。在一极板。在H高度上，外电极的直径为高度上，外电极的直径
33、为D，内电极内电极的直径为的直径为d，所以，电容传感器的电容量所以，电容传感器的电容量Cx为：为：Cx=2H/ln(D/d)+20(LH)/ln(D0/d)(5-8)式中式中 绝缘导管或陶瓷涂层的介电系数绝缘导管或陶瓷涂层的介电系数。式（式（5-8）减（）减（5-7）得液位高度为）得液位高度为H的电容变化量的电容变化量 Cx为为:Cx=CC0=2 H/ln(D/d)2 0 H/ln(D0/d)由于由于D0d，通常通常0，所以上式中所以上式中2 0H/ln(D0/d)一项可一项可忽略，因此忽略，因此电容变化量电容变化量为：为：Cx=CC0=2 H/ln(D/d)=SH式中式中S电容传感器的灵敏度
34、系数，电容传感器的灵敏度系数，S=2 /ln(D/d)v实际上对于一个具体传感器实际上对于一个具体传感器,D、d和和基本不变基本不变,故测故测量电容变化量即可知液位量电容变化量即可知液位H的高低。的高低。11/21/202233（3）注意事项：液体的粘度或附着性大时注意事项：液体的粘度或附着性大时,会粘在电极上会粘在电极上,严严重影响测量准确度。因此这种电容传感器不适用于粘度较重影响测量准确度。因此这种电容传感器不适用于粘度较高或者粘附力强的液体。高或者粘附力强的液体。2、非导电液体非导电液体用电容传感器用电容传感器（1）非导电液体非导电液体,不要求电极表面绝缘不要求电极表面绝缘,可以用裸电极
35、作内电可以用裸电极作内电极极,外套以开有液体流通孔的金属外电极外套以开有液体流通孔的金属外电极,通过绝缘环装配成通过绝缘环装配成电容传感器电容传感器,如图如图5-9所示。所示。（2）测量原理：测量原理：a、当液位为零时当液位为零时,传感器的内外电极传感器的内外电极构成一个电容器构成一个电容器,极板间的介质是空气极板间的介质是空气,这时的电容量这时的电容量C0为为:C0=20L/ln(D/d)(5-11)式中式中D、d分别为外电极的分别为外电极的内径与电极的外径；内径与电极的外径；0 空气的介电系数。空气的介电系数。11/21/202234b、当液位上升时，电极的一部分被淹没。设液体的相当液位上
36、升时，电极的一部分被淹没。设液体的相对介电系数为对介电系数为p,则传感器电容量则传感器电容量Cx为为:Cx=20p H/ln(D/d)+20(LH)/ln(D/d)(5-12)式式(5-12)减式减式(5-11)得传感器的电容变化量得传感器的电容变化量 Cx为为:Cx=2 0(p 1)/ln(D/d)H=SH （5-13）式中式中S传感器的灵敏度系数。传感器的灵敏度系数。v对于传感器而言，对于传感器而言，D、d、0、p 是一定的是一定的,因此通过因此通过测定电容变化量测定电容变化量 Cx 即可测定液位即可测定液位H。3、粉粒状物料用电容传感器粉粒状物料用电容传感器 （1）测量粉粒状）测量粉粒状
37、非导电介质非导电介质如矿石、合金、石灰、干如矿石、合金、石灰、干燥水泥、粮食等的料位燥水泥、粮食等的料位,是长期困扰的难题是长期困扰的难题,至今还没至今还没有一个准确可靠的测量方法。有一个准确可靠的测量方法。（2）采用裸电极的电容式料位计原理图）采用裸电极的电容式料位计原理图图图5-10所示所示11/21/202235 图图5-10（a）中金属电极插入中金属电极插入 容器中央作为内电极容器中央作为内电极,金属容金属容 器壁作为外电极器壁作为外电极,粉料作为绝粉料作为绝 缘介质。如果容器为圆筒形缘介质。如果容器为圆筒形,电容变化量可用式电容变化量可用式(5-13)计算。计算。图图5-10(b)是
38、测量钢筋水泥料是测量钢筋水泥料 仓的料位的电容传感器仓的料位的电容传感器,钢钢 丝绳悬在料仓中央丝绳悬在料仓中央,与仓壁与仓壁 中的钢筋构成电容器中的钢筋构成电容器,粉料作为绝缘介质粉料作为绝缘介质,电极对地电极对地亦应绝缘。亦应绝缘。测量粉粒状导电介质测量粉粒状导电介质的粒位时的粒位时,可将裸可将裸电极外套以绝缘套管电极外套以绝缘套管,这时电容器的两电极是由粉这时电容器的两电极是由粉料和绝缘套管内的电极所组成。料和绝缘套管内的电极所组成。11/21/202236v介电常数为介电常数为的修正的修正：电容液位计的误差与介电常数电容液位计的误差与介电常数有关，一般介质的有关，一般介质的随随温度、湿
39、度变化，故对精度要求较高时，在测量中温度、湿度变化，故对精度要求较高时，在测量中要对要对修正。修正。修正方法：利用长度为一固定值且永远浸没于被测介修正方法：利用长度为一固定值且永远浸没于被测介质中的辅助电极对电容量进行修正，使之与质中的辅助电极对电容量进行修正，使之与无关无关。11/21/202237环行二极管桥式电路环行二极管桥式电路：11/21/20223811/21/202239图图2-1-39所示为所示为UYB-11A型电容液位计的外形。这种液位计用来测量导电液体的型电容液位计的外形。这种液位计用来测量导电液体的液位。它由不锈钢电极套上聚四氟乙烯绝缘套管构成，这时不锈钢棒作为一个电液位
40、。它由不锈钢电极套上聚四氟乙烯绝缘套管构成，这时不锈钢棒作为一个电极，导电液体作为另一个电极，聚四氟乙烯绝缘套管作为中间的填充介质，这三极，导电液体作为另一个电极，聚四氟乙烯绝缘套管作为中间的填充介质，这三者构成一圆圆柱形电容器。者构成一圆圆柱形电容器。C0为容器未放液体时，不锈钢电极对容器壁的初始电为容器未放液体时，不锈钢电极对容器壁的初始电容。容。012ln2CDDHC11/21/202240电容物位计性能比较电容物位计性能比较名称名称型号型号规格及主要技术数据规格及主要技术数据主要用途主要用途电容液位变送器11UYB-1213测量范围(m)：0-0.5；1.0；2.0；2.5；3.0；4
41、.0；5.0精度：1.5级连续测量各种导电或非导电液体的液位、并可报警电容液位控制器UYK-11重复性误差：+/-3mm工作压力：2.5MPa触点输出功率：48V DC,0.255A作容器内液位的报警电容物位控制器UYK-01UYK-02灵敏度：1pF使用范围：非爆介质电缆长度：3m探心长度：0.1；0.5；1.0；1.5m对料槽中的各种液体、粉末或颗粒状物质的料位进行控制与报警11/21/20224111/21/20224211/21/202243一些物质的相对介电常数一些物质的相对介电常数物质名称物质名称相对介电常数相对介电常数物质名称物质名称相对介电常数相对介电常数水丙三醇甲醇乙二醇乙醇
42、白云石盐醋酸纤维素瓷器酚醛塑料米、谷类纤维素砂80473735-4020-25863.7-7.55-74.83-53.93-5聚脂（涤纶）聚四氯乙烯砂糖玻璃硫磺沥青苯聚丙烯松节油液氯液态二氧化碳纸液态空气3.11.8-2.233.73.42.72.52.2-2.63.221.5921.511/21/202244应用应用超声波超声波反射检测物位反射检测物位v声波可以在气体、液体、固体中传播，并有声波可以在气体、液体、固体中传播，并有一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸收而衰减，气体吸收最强，衰减最大；液体收而衰减，气体吸收最强，衰减最大；液体次之；固体吸收
43、最小，衰减最小。声波在穿次之；固体吸收最小，衰减最小。声波在穿过不同密度的介质分界面处还会产生反射。过不同密度的介质分界面处还会产生反射。11/21/202245应用超声波反射检测物位应用超声波反射检测物位根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间面发射超声波，经过时间t t后，便可接收到从界面反射回后，便可接收到从界面反射回来的回波
44、信号。来的回波信号。测量原理根据传声介质的不同可以分为：液介式、气介式、固介式三种。根据传声介质的不同可以分为：液介式、气介式、固介式三种。vtH21 V-V-超声波在液体中的传播速度超声波在液体中的传播速度H-H-从探头至界面的距离（被测介质物位高度）从探头至界面的距离（被测介质物位高度）T-T-超声波从探头发射至液面反射回来的时间超声波从探头发射至液面反射回来的时间11/21/202246声速校正装置11/21/20224711/21/202248v注意事项：注意事项：确保反射波能回到探头；确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）1
45、1/21/202249超声波物位计超声波物位计 超声波物位计由超声波发射、接收器（探头）及显示仪表组成。超声波物位计由超声波发射、接收器（探头）及显示仪表组成。超声波物位计原理框图 超声波物位计的原理超声波物位计的原理 物位计以微处理机物位计以微处理机80318031单片机为核心，进单片机为核心，进行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速温度补偿功能行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速温度补偿功能及自动增益控制功能。及自动增益控制功能。11/21/202250核辐射式物位计v在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子流，在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子流，即射线。如同位素
46、钴（即射线。如同位素钴（Co60）能放射出）能放射出射线，铀射线，铀（U235、U233）也能放射出）也能放射出和和射线等。当这些射线等。当这些射线穿过一定厚度的物体时，因粒子的碰撞和克服射线穿过一定厚度的物体时，因粒子的碰撞和克服阻力而消耗了粒子的动能。以至最后动能耗尽，粒阻力而消耗了粒子的动能。以至最后动能耗尽，粒子便留在物体中，即被吸收了。不同的物体对射线子便留在物体中，即被吸收了。不同的物体对射线的穿透与吸收能力是不同的。的穿透与吸收能力是不同的。v 一般来说，一般来说，固体大于液体，液体大于气体固体大于液体，液体大于气体。利用。利用物体对放射性同位素射线的吸收作用来检测物位的物体对放
47、射性同位素射线的吸收作用来检测物位的仪表称为放射性物位计。仪表称为放射性物位计。11/21/202251核辐射式物位计v放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关：v目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。HeII011/21/202252物位检测仪表的性能比较物位检测仪表的性能比较检测方式及名称估读式浮力式差压式 电学式玻璃管式液位计玻璃板式液位计浮子式液位计浮球式液位计浮筒式液位计压力液位计吹气式液位计差压式液位计油罐称重仪电阻式物位计电容式物位计电感式物位计检测元件测量范围m1.53202.5202.5-30测量精度1.5%1%1%0.1%10mm2%可动部
48、分无无有有有无无无有无无无与介质接触与否接接接接接接，不接接接接接接，不11/21/202253输出方式连续测量或定点控制连续连续连续连续定点连续连续连续连续连续定点连续定点定点操作条件就地目视就地目视远程计数报警指示报警调节远传显示调节远程指示记录调节远传数字显示报警调节指示报警调节11/21/202254被测对象所测物位液液液液界液界液料液液界液液料液料界液工作压力16004000常压160032000常压常压320006400介质工作温度100-150100-150150200-20-200-200-200防爆要求本质安全本质安全可隔爆本质安全、隔爆有隔爆可隔爆本质安全气动防爆可隔爆对粘性介质法兰式可用法兰式可用钟盖引压可用对泡沫沸腾介质测量适用适用适用适用适用适用11/21/202255作业：p76 19192311/21/202256
