1、第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器物位检测及仪表物位检测及仪表Instrumentation and sensor 3.4 物位检测及仪表物位检测及仪表 level gauging教学内容教学内容各种液位测量方法及仪表，包括：各种液位测量方法及仪表，包括：差压式液位变送器的工作原理及零点差压式液位变送器的工作原理及零点迁移问题迁移问题其它物位计其它物位计 电容式物位计电容式物位计 核辐射式物位计核辐射式物位计 雷达式液位计雷达式液位计 称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪 s液体介质的高低液体介质的高低液位液位s固体或颗粒状物质的堆积高度固体或颗粒状物质的堆积高度料位料位s两种密度不同
2、液体介质的分界面两种密度不同液体介质的分界面界位界位物物位位一概述一概述确定确定容器中的容器中的贮料数量贮料数量，保证连续生产，保证连续生产的需要、经济核算。的需要、经济核算。连续监视或控制连续监视或控制容器中的物位，使它保容器中的物位，使它保持在规定的范围内。持在规定的范围内。对容器中的物位进行对容器中的物位进行上、下限报警上、下限报警，以，以保证生产安全、正常进行。保证生产安全、正常进行。1物位测量的意义物位测量的意义连续测量连续测量物位仪表物位仪表定点测量定点测量物位仪表物位仪表连续测量物位的变化连续测量物位的变化确定物位是否达到上限、下确定物位是否达到上限、下限或某一特定位置限或某一特
3、定位置2物位计分类物位计分类 直读式物位计直读式物位计压差式物位计压差式物位计浮力式物位计浮力式物位计电磁式物位计电磁式物位计核辐射式物位计核辐射式物位计超声波物位计超声波物位计光电式物位计光电式物位计s直接显示液位的高低。直接显示液位的高低。s如如玻璃管玻璃管液位计、液位计、玻璃板玻璃板液位计等液位计等（1）直读式物位仪表）直读式物位仪表direct reading level meter（2）压差式物位仪表）压差式物位仪表differential pressure type物料内物料内静压力静压力与与液体深度或物料堆积高液体深度或物料堆积高度度成正比。成正比。液体密闭容器液体密闭容器液体敞
4、开容器液体敞开容器固体称重仓固体称重仓（3）浮力式物位仪表）浮力式物位仪表buoyancy-types液位高度变化液位高度变化浮子高度或浮子（或沉筒）浮子高度或浮子（或沉筒）浮力的变化。浮力的变化。s有浮子、浮球、沉筒式几种。有浮子、浮球、沉筒式几种。杠杆浮球式杠杆浮球式浮子式浮子式浮子重锤浮子重锤浮子漂浮原理浮子漂浮原理浮子式液位计浮子式液位计HHH+H扁平形扁平形扁圆柱形扁圆柱形高圆柱形高圆柱形浮子的形状浮子的形状液位为液位为H的浮筒的浮筒初始状态的浮筒初始状态的浮筒Hxx变压器变压器铁芯铁芯连杆连杆弹簧弹簧固定端固定端浮筒浮筒浮筒液位计原理图浮筒液位计原理图浮筒液位计浮筒液位计杠杆浮球式
5、液位计杠杆浮球式液位计杠杆浮球式液位计杠杆浮球式液位计应用于石化、冶金、能源、应用于石化、冶金、能源、食品、制药、水处理等行食品、制药、水处理等行业对液位或界位的测量与业对液位或界位的测量与控制控制 电浮筒液位计电浮筒液位计（4）电磁式物位仪表）电磁式物位仪表electromagnetics物位的变化物位的变化电量的变化电量的变化s有有电阻式电阻式（即电极式）、（即电极式）、电容式电容式和和电感式电感式等等 电容式液位计电容式液位计电容（绳）式料位计电容（绳）式料位计（主要测量不导电液体）（主要测量不导电液体）（5）核辐射式物位仪表）核辐射式物位仪表s放射线通过介质，放射线通过介质，其其强度随
6、物料层的强度随物料层的厚度厚度而变化。而变化。s常用常用 射线射线s工业上使用工业上使用连续式连续式和和间断式间断式两种。两种。（6）超声波物位仪表）超声波物位仪表s检测声波检测声波发射发射和和反射反射全过程的全过程的时间间隔时间间隔。s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防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）（如表面泡沫漂浮）（7）光学式物位仪表）光学式物位仪表 利用物位对光波的利用物位对光波的遮断遮断和和反射反射原理原理 差压式液位变送器差压式液位变送器 二二.压差式液位变送器压差式液位变送器differential pressure level
7、 gauge压力液位变送器压力液位变送器3051L型液位变送器型液位变送器 利用容器内利用容器内液位改变液位改变时，由液柱产生时，由液柱产生的的静压也相应变化静压也相应变化的原理。的原理。压差计压差计PBPAH+-液位变送器原理图液位变送器原理图1.工作原理工作原理gHppABpcgpHgHppB 若容器是敞开的若容器是敞开的H-液位高度液位高度-介质密度介质密度g-重力加速度重力加速度 PA、PB-A、B 两处的压力两处的压力PH压力表式液位计压力表式液位计差压液位变送器测量差压液位变送器测量液位时，若液位时，若容器是敞口容器是敞口的，则差压计的的，则差压计的负压室负压室通大气通大气，可用压
8、力计直，可用压力计直接测量液位高低。接测量液位高低。若若容器是封闭容器是封闭的，需的，需将将负压室与容器的气相负压室与容器的气相相连相连。结论结论2.零点迁移问题零点迁移问题zero shift安装位置安装位置条件不同存在着仪表条件不同存在着仪表零点零点迁移问题迁移问题 （1）无零点迁移无零点迁移情况情况PBPAH+-P=gH H=0 P=0 min=4mA H=H max P=P max max=20mA测量仪表的零点测量仪表的零点无需调整便与无需调整便与被测参数的被测参数的零点零点一致的情况一致的情况I/mA204PPmaxw特征：差压变送器的正压室特征：差压变送器的正压室取压口取压口正好
9、正好与容器的与容器的最低液位（最低液位（Hmin=0Hmin=0）处于同一水处于同一水平位置。平位置。s可测量无可测量无腐蚀性腐蚀性、不含有结晶颗粒不含有结晶颗粒、粘度小粘度小、不易凝固不易凝固等液体液位等液体液位w要求：介质洁净，粘度不能太高要求：介质洁净，粘度不能太高-+h2h1H1P0负迁移示意图负迁移示意图22（2）负迁移）负迁移 negative migration w变送器的安变送器的安装位置与最低装位置与最低液位（液位（H=0H=0）不在同一水平不在同一水平位置位置 s可测量具有可测量具有腐蚀性腐蚀性、含有结晶颗含有结晶颗粒粒、粘度大粘度大、易凝固易凝固等液体液位等液体液位0H)
10、(122hhgpmAI4minmaxHH)(1221hhggHpmAI20max )(1221hhggHp零点迁移零点迁移 设法抵消固定压差设法抵消固定压差2g(h2-h1)的作用，的作用，使使H=0时，时，出出=4mA；H=Hmax时，时，出出=20mA的方法。的方法。迁移弹簧迁移弹簧：改变变送器的零点位置改变变送器的零点位置迁移的实质迁移的实质量程位置的平移量程位置的平移，不改变量程的大小，不改变量程的大小P=1 gH-2g(h2-h1)迁移量：迁移量：2g(h2-h1)负迁移负迁移：用迁移弹簧用迁移弹簧平衡负压室平衡负压室上固上固定压差影响的过程。定压差影响的过程。正迁移正迁移：分为分为
11、正迁移正迁移和和负迁移负迁移两种两种P(Pa)I I出出（mA)204-200050003000负迁移负迁移正迁移正迁移P=05000Pa无迁移无迁移 当有负迁移，迁移量当有负迁移，迁移量=2000Pa在规格中，型号后加在规格中，型号后加“A”正迁移正迁移；“B”负迁移负迁移。零点迁移零点迁移和和调零调零目的目的都是使变送器输出的起始值与被都是使变送器输出的起始值与被测量的起始值相对应。测量的起始值相对应。零点调整量比较小，而迁移量比较大零点调整量比较小，而迁移量比较大+-hHP0P0P=Hg+hgH=0Hmax时时量程量程P=hg Hg+hg 出出=4 20 mA 正迁移示意图正迁移示意图三
12、三.用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位为了解决测量具有为了解决测量具有腐蚀性腐蚀性、含有结晶颗粒含有结晶颗粒、粘度大粘度大、易凝固易凝固等液体液位时引压管线被等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞等问题。腐蚀、被堵塞等问题。目的目的法兰式测量头法兰式测量头变送器变送器毛细管毛细管 法兰式差压变送器测量液位示意法兰式差压变送器测量液位示意图图按按结构形式结构形式分分按按法兰构造法兰构造分分单法兰单法兰双法兰双法兰平法兰平法兰 插入式法兰插入式法兰1151LT型法兰式液位变送器型法兰式液位变送器 双法兰远传双法兰远传/表压变送器表压变送器 P出出挡板挡板喷嘴喷嘴弹簧弹簧波纹管波纹管主
13、杠杆主杠杆密封片密封片壳体壳体连杆连杆插入筒插入筒膜盒膜盒单法兰插入式差压变送器单法兰插入式差压变送器四四.电容式物位传感器电容式物位传感器 capacitor s物位变化物位变化电容量变化电容量变化s便于远传，使用方便，适合测量便于远传，使用方便，适合测量液位液位、固体粉末固体粉末、颗粒状物颗粒状物的料位。的料位。1工作原理工作原理dDL内电极内电极外电极外电极电容器组成电容器组成HdDLCln2当当D和和d一定时，一定时，电容量电容量C的大小与的大小与极板的长度极板的长度L和介和介质的介电常数质的介电常数的乘积的乘积成比例成比例在电容器的极板间，充以不同介质（液体在电容器的极板间，充以不同
14、介质（液体或固体颗粒、粉末），或固体颗粒、粉末），电容量变化的大电容量变化的大小与注入地深度小与注入地深度H成比例成比例，测出，测出Cx，可，可得到液位、料位或液体的分界面高度。得到液位、料位或液体的分界面高度。工作原理工作原理用途：用途：测量腐蚀性液测量腐蚀性液体、粉尘和固体、粉尘和固体颗粒，可用体颗粒，可用于制药、化工、于制药、化工、食品等行业。食品等行业。如啤酒罐装机如啤酒罐装机酒位测控、奶酒位测控、奶制品生产线液制品生产线液位测控、制药位测控、制药厂反应罐液位厂反应罐液位测量等。测量等。电容式物位变送器电容式物位变送器电容式液位计电容式液位计内电极内电极外电极外电极2.液位的检测液位的
15、检测1）非导电介质的液位）非导电介质的液位dDLCln200dDHdDHLCln2ln)(20HKdDHCCCixln)(200电容器即未注入液体时电容器即未注入液体时当液位上升为当液位上升为H时时电容量变化电容量变化C x与物位高度与物位高度H成比例成比例-0越大，仪表越灵敏度越大，仪表越灵敏度电容器两极间距离越小，仪表越灵敏电容器两极间距离越小，仪表越灵敏-中间介质的介电常数；中间介质的介电常数；0-空气介电常数空气介电常数结论结论2）导电介质的液位）导电介质的液位导电介质的液位测量导电介质的液位测量电容器：电极棒和电容器：电极棒和金属容器壁组成金属容器壁组成3.料位的检测料位的检测电容（
16、绳）式料位计电容（绳）式料位计固体介质易堵塞固体介质易堵塞流通孔造成流通孔造成“滞留滞留”电容器：电极棒和电容器：电极棒和金属容器壁组成金属容器壁组成4.电容式物位传感器的特点电容式物位传感器的特点l结构结构简单简单、使用、使用方便方便。l介质浓度、温度变化时，要及时调介质浓度、温度变化时，要及时调整仪表。整仪表。l对于对于粘稠的液体不能在电极上黏附粘稠的液体不能在电极上黏附，以免影响精度。以免影响精度。能测量强腐蚀性液体，如酸、碱、盐、污水等能测量强腐蚀性液体，如酸、碱、盐、污水等可测高温、高压介质可测高温、高压介质五五.核辐射式物位计核辐射式物位计放射线同位素放射线同位素、射线射线穿过穿过
17、物质物质原子电离原子电离一部分射线被吸收一部分射线被吸收掉掉物物质质I I0 0I I入射线入射线透射线透射线1工作原理工作原理HeII0辐射源辐射源接收器接收器-介质对射线的吸收系数介质对射线的吸收系数 H-介质层的厚度介质层的厚度 I I-透射线强度透射线强度 放射线射入一定厚度的介质时，放射线射入一定厚度的介质时，其强度其强度随着通过介质时厚度增加而减弱随着通过介质时厚度增加而减弱，其强度衰，其强度衰减规律为减规律为 用接收器检测透过介质后的射线强度，即用接收器检测透过介质后的射线强度，即可知料位。可知料位。HeII02特点特点l能透过钢板等，不接触被测物质，适于能透过钢板等，不接触被测
18、物质，适于高高温温、高压容器高压容器；有毒有毒、爆炸性爆炸性、粘滞性粘滞性、易结晶易结晶和和沸腾状态沸腾状态的介质的物位及高温熔的介质的物位及高温熔融金属的液位。融金属的液位。l不受外界环境影响不受外界环境影响，可在高温、烟雾、强，可在高温、烟雾、强磁场等环境下工作。磁场等环境下工作。l剂量要严格控制。剂量要严格控制。六六.称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪既能准确测量液位，又能反应导既能准确测量液位，又能反应导电性储罐中电性储罐中真实的质量储量真实的质量储量。根据天平原理根据天平原理1结构结构控制器控制器P2P1L2下波纹管下波纹管上波纹管上波纹管电机电机丝杠丝杠砝码砝码编码盘编码盘发讯器发讯
19、器气相引压管气相引压管液相引压管液相引压管称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪L12工作原理工作原理 波纹管波纹管杠杆杠杆发讯器发讯器电机电机砝码砝码P1、P2作用力作用力偏转偏转转动转动信息信息移动移动至平衡至平衡储量储量控制器控制器002MKMAKLiAMLAKi11 M砝码重量；砝码重量；g重力加速度；重力加速度；A1波纹管有效面波纹管有效面积；积；A储罐底面积储罐底面积L2与总储量成正比，与介质的与总储量成正比，与介质的无关无关不受温度、压力等影响精度高，灵敏度高不受温度、压力等影响精度高，灵敏度高结论结论七七.雷达式液位计雷达式液位计采用微波技术采用微波技术（非接触测量）（非接触测量）微
20、波微波良好的定向辐射性能和传播特性，良好的定向辐射性能和传播特性，绕绕反射能力差反射能力差。遇到障碍物能产生遇到障碍物能产生良好的反射良好的反射。很强的环境适应能力很强的环境适应能力，传输过程中受，传输过程中受粉尘、烟雾、火焰及强光影响较小。粉尘、烟雾、火焰及强光影响较小。空间辐射装置容易制造。空间辐射装置容易制造。l没有可动部件，不接触介质；测量精度不受没有可动部件，不接触介质；测量精度不受介质物化性质影响，可用于介质物化性质影响，可用于易燃易爆易燃易爆等恶劣环等恶劣环境中，及高温、蒸汽较大的场合。境中，及高温、蒸汽较大的场合。l可连续测量可连续测量腐蚀性腐蚀性、高粘度高粘度、含有固体颗粒含
21、有固体颗粒、有毒的液体有毒的液体。l可在可在真空真空或或受压条件受压条件下测量下测量。特点特点反射式雷达液位计反射式雷达液位计(图图)瑞普雷达液位计瑞普雷达液位计典型应用：典型应用：石化、石化、冶金、酿酒、医药冶金、酿酒、医药等行业中储罐等行业中储罐 VEGA雷达液位计（上海）雷达液位计（上海）VEGA雷达料位计雷达料位计 根据用途不同分为：位式作用和根据用途不同分为：位式作用和连续作用两类连续作用两类电源电源振荡器振荡器发射天线发射天线微波发射器微波发射器接收天线接收天线前置放大器前置放大器检波器检波器放大器放大器电压比较器电压比较器微波接收器微波接收器位式位式1.原理原理（连续式）（连续式
22、）天线发出雷达波，到达液面后被反射回天线发出雷达波，到达液面后被反射回去，所用的时间：去，所用的时间：cHt02tcLH2LH0H天线天线雷达液位计示意图雷达液位计示意图微波脉冲微波脉冲法法连续波调频法连续波调频法对时间的测量方法：对时间的测量方法：信号发生器信号发生器发送器发送器计时器计时器接收器接收器H0微波脉冲法原理示图微波脉冲法原理示图合成脉冲合成脉冲雷达波雷达波八超声波液位计八超声波液位计H超声波换能器超声波换能器s根据超声波从根据超声波从发发射射到到接收接收反射回波反射回波的的时间间隔时间间隔大小与大小与被测被测介质高度介质高度成比成比例关系的原理。例关系的原理。超声波液位计（美国
23、）超声波液位计（美国）用于液体用于液体,浆液介质浆液介质如水如水,废水玉米浆废水玉米浆,脂脂类类,石蜡石蜡,漂白剂漂白剂,石灰石灰浆及酸浆及酸,从大型储罐从大型储罐到工艺池到工艺池 1.测量原理测量原理将换能器（锆钛酸铅或钛酸钡压电陶瓷）将换能器（锆钛酸铅或钛酸钡压电陶瓷）安装于容器底部外侧，加一个时间极短的安装于容器底部外侧，加一个时间极短的电压脉冲，被转变为超音频的机械振动，电压脉冲，被转变为超音频的机械振动，以超声波的形式穿过容器底壁，向上传播以超声波的形式穿过容器底壁，向上传播到液体表面被反射后，返回换能器，重新到液体表面被反射后，返回换能器，重新转换为电压脉冲。用计时电路测定超声波转
24、换为电压脉冲。用计时电路测定超声波在液体中来回的时间在液体中来回的时间t，则液面高度，则液面高度vtH21超声波在液体中的传播速度超声波在液体中的传播速度超声波物位计超声波物位计组成：超声波发射、接收器（探头）组成：超声波发射、接收器（探头）及显示仪表及显示仪表超声波物位计原理框图超声波物位计原理框图 物位计以微处理机物位计以微处理机80318031单片机为核心，单片机为核心，进行超声波的发射、接收控制和数据进行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速温度补偿功能及自动处理，具有声速温度补偿功能及自动增益控制功能。增益控制功能。2.优点优点l不与被测液体接触，特别适于强腐蚀性、高不与被测液体
25、接触，特别适于强腐蚀性、高压、有毒、高粘度液体的测量。压、有毒、高粘度液体的测量。l连续测量液位，没有机械可动部件，使用寿连续测量液位，没有机械可动部件，使用寿命很长。但被测液体中不能有气泡和悬浮物，命很长。但被测液体中不能有气泡和悬浮物，液面不能有很大的波浪，产生误差。液面不能有很大的波浪，产生误差。l安装方便，启动简单，换能器怕热，不适于安装方便，启动简单，换能器怕热，不适于高温液位的测量。高温液位的测量。l测量精度主要受声速测量精度主要受声速随温度变化的影响，须随温度变化的影响，须采取措施消除声速变化的影响。采取措施消除声速变化的影响。+-h1h2法兰液位计测量液位法兰液位计测量液位用差压变送器测量液位用差压变送器测量液位+-h1h2最高液位最高液位最低液位最低液位P/kPaI I出出/kPa1000-200600200CB400800Ah3最高液位最高液位h+-h1h2最低液位最低液位h0最高分界面最高分界面h+-h1h2最低分界面最低分界面通常分界面通常分界面p1p221
