1-第4章 物位检测.ppt

1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化 第四章第四章 物位检测物位检测 化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要 物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型 压差式液位计压差式液位计 工作原理工作原理 零点迁移问题零点迁移问题 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 其他物位计其他物位计 电容式物位计电容式物位计 核辐射物位计核辐射物位计 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 1 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 物位检测的意义及主要类型物位检测的意义及主要类型 2 几个概念几个概念 液位 料位 液位计 料位计

2、界面计 测量物位的两个目的测量物位的两个目的 按其工作原理分为按其工作原理分为 直读式物位仪表 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电磁式物位仪表 核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 gHpp AB 将差压变送器的一端接液相，另一端接气相 gHppp AB 因此 3 一、工作原理一、工作原理 图4-1 差压式液位计原理图 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞 口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可 以了,这时也可以用压力计来直

3、接测量液位的高低。若 容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相 连接。以平衡气相压力 pA的静压作用。 结论 4 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 5 二二、零点迁移问题零点迁移问题 gHp 在使用差压变送器测量液位时，一般来说 01211 pgHghp 0222 pghp 实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为 ghghgHpp 2221121 ghhgHp 2121 则 图4-2 负迁移示意图 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起

4、始 点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移 量则比较大。 迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量 范围的平移，它不改变量程的大小。 6 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 图4-3 正负迁移示意图 图4-4 正迁移示意图 举例举例 某差压变送器的测量范 围为05000Pa，当压差由0 变化到5000Pa时，变送器的 输出将由4mA变化到20mA， 这是无迁移的情况，如左图 中曲线a所示。负迁移如曲 线b所示，正迁移如曲线c所 示。 7 一般型号后面加一般型号后面加“A A”的为正的为正 迁移；加迁移；加“B B”的为负迁移。的为负迁移。 化学工

5、业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 三三、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 单法兰式单法兰式 双法兰式双法兰式 法兰式差压变送器法兰式差压变送器 按其结构形式按其结构形式 8 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、 易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使 用法兰式差压变送器，如下图所示。 图4-5 法兰式差压变送器测量液位示意图 1法兰式测量头；2毛细管；3变送器 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计 图4-6 单法兰插入式差压变送器 1挡板；2喷嘴；3弹簧； 4反馈波纹管；5主杠杆； 6密

6、封片；7壳体；8连杆； 9插入筒；10膜盒 图4-7 双法兰式差压变送器 1挡板；2喷嘴； 3杠杆；4反 馈波纹管；5密封片；6插入式法 兰；7负压室；8测量波纹管；9 正压室；10硅油；11毛细管； 12密封环；13膜片；14平法兰 9 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 一、电容式物位计一、电容式物位计 1 1. .测量原理测量原理 图4-8 电容器的组成 1内电极；2外电极 d D L C ln 2 两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量C 当 D 和 d 一定时，电容量 C 的 大小与极板的长度 L 和介质的介 电常数的乘积成比例。 10 通过测量电容量的变化可

7、以用来检测液位、料位和两种 不同液体的分界面。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 2 2. .液位的检测液位的检测 4-9 非导电介质的 液位测量 1内电极；2外电极； 3绝缘套；4流通小孔 d D L C ln 2 0 0 当液位为零时，仪表调整零点，其 零点的电容为 对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。 d D HL d D H C ln 2 ln 2 0 当液位上升为H时，电容量变为 HK d D H CCC iX ln 2 0 0 电容量的变化为 11 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 电容量的变化与液位

8、高度H成正比。该法是利用被 测介质的介电系数与空气介电系数0不等的原理进 行工作，（-0）值越大，仪表越灵敏。电容器两 极间的距离越小，仪表越灵敏。 结论结论 12 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 3 3. .料位的检测料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由 于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁 组成电容器的两极来测量非导电固体料位。 左图所示为用金属电极棒插入容器来测左图所示为用金属电极棒插入容器来测 量料位的示意图。量料位的示意图。 d D H CX ln 2 0 电容量变化与料位升降的关系为电容量变化与料位升降的关系为

9、13 1金属电极棒；2容器壁 图4-10 料位检测 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 优点优点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 缺点缺点 需借助较复杂的电子线路。需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要 发生变化这种情况。发生变化这种情况。 14 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 二、核辐射物位计二、核辐射物位计 H eII 0 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱， 具体关系见式（4-9）。 （4 4-

10、 -9 9） 图4-10 核辐射物位计示意图 1辐射源；2接受器 特点特点 适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧 毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾 状态的介质的物位测量，还可以测量高 温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于放射线对人体有害，使用范围 受到一些限制。 15 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 三、雷达式液位计三、雷达式液位计 雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。 可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有 毒液体的液位。 它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区, 而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相 对介电常数的影

11、响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能 应用。 优点优点 16 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 图4-12 雷达式液位计示意图 c H t 0 2 雷达波由天线发出到接收到由 液面来的反射波的时间t由下式确定 0 HLH 由于 t c LH 2 故 雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频 法两种方式。法两种方式。 17 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 图4-13 微波脉冲法原理示意图 要使用导波管？要使用导波管？ 18 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位

12、计 四、称重式液罐计量仪四、称重式液罐计量仪 既能将既能将液位测得很准液位测得很准，又能反映出罐中，又能反映出罐中真实的质量储量真实的质量储量。 称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理设计。设计。 gHpp 12 由于 21121 MgLLApp杠杆平衡时 （3-64） HKH M LA L 11 2代入（3-64） （3-65） HAM 0 A M H 0 如果液罐是均匀截面 （3-66） （3-67） 19 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 其他物位计其他物位计 图4-14 称重式液罐计量仪 1下波纹管；2上波纹管；3 液相引压管；4气相引压管； 5砝码；6丝杠；7可逆电 机；8编

13、码盘；9发讯器 02 MKL i AM LA A K Ki 11 式中 如果液罐的横截面积A为常数，得 将式（3-67）代入式（3-65），得 02 M A K L （3-68） 20 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 举例举例 1.1.某贮罐内的压力变化范围为某贮罐内的压力变化范围为1215MPa，要求远传显，要求远传显 示，试选择一台示，试选择一台DDZ-型压力变送器型压力变送器 ( (包括准确度等包括准确度等 级和量程级和量程) )。如果压力由。如果压力由12MPa变化到变化到15MPa，问这时，问这时 压力变送器的输出变化了多少压力变送器的输出变化了多少? ?如果附加迁移

14、机构如果附加迁移机构, ,问是问是 否可以提高仪表的准确度和灵敏度否可以提高仪表的准确度和灵敏度? ?试举例说明之。试举例说明之。 解：解：如果已知某厂生产的 DDZ-型压力变送器的规格有： 010，16，25，60，100 （MPa） 精度等级均为0.5级。 输出信号范围为010mA。 21 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 MPa5 .22 2 3 15 由已知条件，最高压力为15MPa，若贮罐内的压力是 比较平稳的，取压力变送器的测量上限为 MPa125. 0%5 . 020 若选择测量范围为025MPa、准确度等级为0.5级, 这时允许的最大绝对误差为 mA8 . 410

15、 25 12 由于变送器的测量范围为025MPa，输出信号范围 为010mA,故压力为12MPa时,输出电流信号为 22 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 mA610 25 15 压力为15MPa时，输出电流信号为 这就是说,当贮罐内的压力由12MPa变化到15MPa 时,变送器的输出电流只变化了1.2mA。 在用差压变送器来测量液位时，由于在液位H=0时, 差压变送器的输入差压信号p并不一定等于0，故要考 虑零点的迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量中遇 到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移机构， 可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度 (只不过 这时仪表量程也要作相应改变

16、)。 23 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 mA125. 310 723 712 由本例题可知，如果确定正迁移量为7MPa，则变送 器的量程规格可选为16MPa。那么此时变送器的实际测量 范围为723MPa，即输入压力为7MPa时，输出电流为 0mA；输入压力为23MPa时，输出电流为10mA。这时如 果输入压力为12MPa，则输出电流为 mA510 723 715 输入压力为15MPa时,输出电流为 24 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由此可知，当输入压力由12MPa变化到15MPa时， 输出电流变化了1.875mA，比不带迁移机构的变送器灵 敏度提高了。

17、变送器的准确度等级仍为0.5级，此时仪表的最大 允许绝对误差为(23-7)0.5% = 0.08MPa，所以，由于 加了迁移机构，使仪表的测量误差减少了。 25 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 图4-15 法兰式差压变送器测液位 26 2.2.用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位, ,如图如图4 4- -1515所所 示。已知被测液位的变化范围为示。已知被测液位的变化范围为0 03m,3m,被测介质密度被测介质密度 =900kg/m=900kg/m3 3 , ,毛细管内工作介质密度 毛细管内工作介质密度0 0=950kg/m=950k

18、g/m3 3。变送器的。变送器的 安装尺寸为安装尺寸为 h h1 1=1m, h=1m, h2 2=4m=4m。求变送器的测量范围。求变送器的测量范围, ,并判断零点并判断零点 迁移方向迁移方向, ,计算迁移量计算迁移量, ,当法兰式差压变送器的安装位置升高或当法兰式差压变送器的安装位置升高或 降低时降低时, ,问对测量有何影响问对测量有何影响? ? 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 PagHp2648781. 99003 max 解：解：当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的 最大变化范围来计算。 液位为3m时,其压差为 212 1/11 skgmmNPa 这里值得一提

19、的是压力单位Pa用SI基本单位时就相 当于m-1 kg s-2，即 27 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 所以液柱压力用Hg计算时,只要H用m,用kg/m3，g 用m/s2为单位时,相乘结果的单位就是Pa。上述计算结果 pmax为26.487kPa,经过圆整后,测量范围可选030kPa。 ghgHpp 0101 根据图示,当液位高度为H时,差压变送器正压室所受 的压力p1为 ghhpp 01202 负压室所受的压力p2为 28 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 因此，差压变送器所受的压差为 ghgHppp 0221 由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量

20、为 h20g。 当差压变送器安装的高度改变时,只要两个取压法 兰间的尺寸h2不变,其迁移量是不变的。 29 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 3.用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度,利 用溢流来保持罐内液位H恒为1m。如图4-16所示。已知差 压变送器的输出信号为010mA,硫酸的最小和最大密度分 别为min = 1.32(g/cm3),max = 1.82(g/cm3) 图4-16 流 体密度测量示意图min=1.32(g/cm3),max= 1.82(g/cm3) 要求: (1)计算差压变送器的测量范围； (2)如加迁移装置,请计算迁移量； (3)如不加迁移装置,

21、可在负压侧加装水恒压器 (如图中虚 线所示) ，以抵消正压室附加压力的影响,请计算出水恒压 器所需高度h。 30 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 gHp max 解：解：（1）若不考虑零点迁移,那么就要以max来计算差压 变送器的测量范围。当=max = 1.82g/cm3时,差压变送 器所承受的差压为 Pap 4 10785. 181. 918201 将H=1m,max=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得 mAI925. 810 102 10785. 1 4 4 max 如果选择差压变送器的测量范围为02104Pa,则 当=max= 1.82g/cm3时,对

22、应的变送器输出为 31 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 Pap 4 10295. 181. 913201 当=min=1.32g/cm3时,其差压为 mAI475. 610 102 10295. 1 4 4 min 这时差压变送器的输出为 由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输 出电流由6.475mA变化到8.925mA，仅变化了2.45mA， 灵敏度是很低的。 32 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 （2）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点迁移，提 高测量的起始点。考虑到=max时，这时所对应的压差 仍为1.785104Pa，所以在提高测量起始点的同时，测

23、量 上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。 当=min=1.32g/cm3时,pmin=1.295104Pa。因此 可以选择迁移量为1104Pa ,测量范围为1104 2104Pa的差压变送器。这时,若=min时,变送器的输出 为 mAI95. 210 1012 101295. 1 4 4 min 33 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 当=max时,变送器的输出为 mAI85. 710 1012 101785. 1 4 4 max 这时由min变到max时,输出电流由2.95mA变 为7.85mA,变化了4.9mA,大大提高了仪表的灵敏度。 34 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 Pagh 4 101 （3）如果不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压 器，而迁移量仍为1104Pa，根据 mh02. 1 81. 9101 101 3 4 以水的密度=1000kg/m3代入,得 35 化学工业出版社化学工业出版社