Transcript 第三章物位检测

第3章
物位检测
EXIT
本章内容
一、直读式物位仪表
二、浮力式物位仪表
三、差压（静压）式物位仪表
四、电容式物位仪表
五、雷达液位式物位仪表
六、超声波物位仪表
七、磁致伸缩液位仪表
EXIT
学习目标
一、了解物位检测的基本知识
二、掌握静压式、浮力式、电容式、雷达式、超声波式、
磁滞伸缩式等物位检测仪表应用技术
三、能运用“干校”和“湿校”两种方法完成UTD系列
电动浮筒液位变送器调校任务
四、能完成CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的调校
任务
EXIT
3.1
概述
物位是指存放在容器或工业设备中物料的位置高度，
包括液位、界位和料位。
◆容器中液体介质的高低叫液位 .
◆两种密度不同、互不相容的液体介质的分界面的高低叫
界位。
◆容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。
EXIT
物位测量仪表主要有下列几种类型:
(1)直读式物位仪表
(2) 浮力式物位仪表
(3) 差压（静压）式物位仪
(4) 电气式物位仪表
(5) 反射式物位仪表
(6) 射线式物位仪表
EXIT
3.2
直读式液位计
玻璃管液位计
“连通器”
玻璃管液位计的长度一般为300～
1200mm。
工作压力≤1.6MPa。耐温400℃
玻璃管装在有填料函的金属保护管中。
EXIT
3.3 浮力式液位计
分恒浮力式液位计和变浮力式液位计
通过浮子随液位变化而产生的升降位移反映
液位变化的，属于恒浮力式液位仪表；
通过液面升降对浮筒所受浮力的改变反映液位的，
属于变浮力式液位仪表。
EXIT
平衡时
3.3.1恒浮力式液位计
W F G
液面上升时
W
F增大
F
G
W F G
G下降
F减小,再达到新的平衡 例如：钢带液位计或变送器
EXIT
磁浮子式液位计——磁翻板
EXIT
3.3.2变浮力式液位计
（1）浮筒液位计的工作原理
根据阿基米德定律原理,可以根据悬挂于容器中其空间
位置不变的物体所受的浮力的大小来求得物体被浸没的高
度（既液位）常用的为浮筒式液位计。
它主要由变送器和显示仪表两部分组成。浮筒式液位计因
不用轴、轴套、填料等进行密封，故它能测量最高压力达
32MPa的容器中的液位。
EXIT
将以封闭的中空金属筒悬挂在容器中，筒的重
量大于同体积的液体重量，筒的重心低于几何中心，使
筒总是保持直立而不受液位高度的影响。设筒重为W，浮
力为F浮，则悬挂点受到的作用力F为：
1—外壳；
2—芯轴；
3—扭力管；
F=W-F浮
F浮=AHρg
4—杠杆
5—浮筒
EXIT
我国生产的BYD-Щ型液位变送器就是应用浮筒作为敏感
元件进行液位测量的，如图所示。作为液位检测元件的浮筒1
垂直地悬挂在杠杆2的一端，杠杆2的另一端与扭力管3、芯轴
4的一端垂直地连结在一起，并由固定在外壳上的支点所支撑。
扭力管的另一端通过法兰固定在仪表外壳5上 。芯轴的另
一端用来输出位移。扭力管3是一种密封式的输出轴，它一方
面能将被 测介质与外部空间隔开，另一方面又能利用扭力管
的弹性扭转变形把作用于扭力管一端的力矩变成芯轴的转动。
EXIT
当H=0时，F=W=Fmax最大，随着液位H的升高，
F逐渐减小。当H=Hmax时，F=F0为最小。当W、A、ρ、
g均为常数，作用力F与液位H呈反向的比例关系。
浮筒液位计的测量范围由浮筒的长度决定。
从仪表的结构及测量稳定的角度出发，测量范围Hmax
在300～2000mm之间。
浮筒液位仪表的输出信号不仅与液位高度有关，
而且还与被测介质的密度有关，因此，在密度发生变化
时，必须进行密度修正。
EXIT
（2）浮筒液位计的示值校验
①干校法（挂码法）
校验方便、准确、不需要繁杂的操作，通常用于实验室操作。
将浮筒取下后，挂上与各校验点对应的某一质量的砝
码来进行的。该砝码所产生的力等于浮筒的重力（包括挂链
所产生的重力）与页面在校验点时浮筒所受的浮力之差，这
个浮力可根据下式求出：
EXIT
FH  D4 ( L  H ) 2 g  D4 H1 g
2

D2
4
2
[ L2  H ( 1  2 )]g
式中FH-----液面在被校点H处时浮筒所受的浮力，N；
D-----浮筒外径，m；
L-----仪表量程，m；
H-----液面高度，m；
ρ1-----被测液体的密度，kg/m3;
ρ2-----气体介质的密度，kg/m3
EXIT
测液面高度时， ρ1>> ρ2，所以上式可简化为：
FH 
D 2
4
gH1
测相界面高度时， ρ1为被测重组分液
体的密度，kg/m3; ρ2为被测轻组分液体的密度，
kg/m3。
EXIT
例：浮筒重m1=1.47kg，挂链重m2=0.047kg，浮筒直径
D=0.013m，液体可在H=0～4.6m之间变化。被测液体的密度
ρ1=850kg/m3，校验时所用托盘重量为m3=0.246kg，现求
当液位分别为0%、50%、100%时，各校验点应加多大的砝码？
解：当H=0时，FH=0，应加砝码的质量为：
m1+m2-m3=1.47+0.047-0.264=1.253kg
当H=50%时，浮筒所受的浮力：
FH 
D2
4
g1H50 
 0.0132
4
 g  850 42.6  0.2595gN
EXIT
因为0.2595gN相当于m50=0.2595kg的物体所产
生的重力，故此时应加的砝码量为：
m1+m2-m3-m50 =1.47+0.047-0.264-0.2595=0.9935kg
当H=100%时，浮筒所受的浮力：
FH 
D2
4
g1H100 
 0.0132
4
 g  850 4.6  0.519gN
故此时应加的砝码量为：
m1+m2-m3-m100 =1.47+0.047-0.264-0.519=0.734kg
EXIT
②湿校法（水校法）
主要用于已安装在现场不易拆开的外浮筒液位仪
表的校验中。将外浮筒与工艺设备之间隔断，打开外测量筒底
部阀，放空液体，关闭。再加入清洁的水，就可以开始校验了。
校验时所加水位高度h应满足与被校液位高度为
H时浮筒对杠杆的拉力相同,即:
W  Ah w g  W  AH x g
用水校验时,所加水位高度h为
h
x
w
H
EXIT
变
浮
力
法
液
位
检
测
cx +W = AHρg
初态：
c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg
末态：
EXIT
初态：cx+W = AHρg
末态：c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg
EXIT
机械量：位移（直线、角度）、尺寸、速度（直线、角度）、力（力矩、
扭矩）、振动等
N：线圈匝数
1、自感传感器
μ0：空气的导磁系数
（1）、简单自感传感器
S：气隙的截面
L  N 2 0 S / 2
δ：气隙的宽度
L：自感
线圈
衔铁
铁心
线圈
铁心
线圈（螺线管）
铁心
衔铁
气隙
EXIT
差动自感
衔铁上移：L1增大、L2减小
u
衔铁下移：L2增大、L1减小
L1
L2
x
0
（2）、测量电路
ωL1
u ωL2
-
+
R
- u
R
+
x
ωL1
u ωL2
R
+
+ u
R
EXIT
u1
x
（1）、工作原理
u21
1、差动变压器（互感传感器）
u22
u22
u2
u2
t
u21
有效值
u22
u21
0
t
x
u
u2
0
x
t
X=0
X>0
X<0
相敏整流
EXIT
EXIT
3.3.3磁浮子式液位计——磁浮子舌簧管液位变送器
EXIT
3.4 差压式液位变送器
H
液位测量原理是通过测得液位
高度产生的静压实现液位测量的。
ρ
p  gH
p
压力表
3.4.1差压式液位变送器的测量原理
pB  p A  gH
p  p1  p2  gH
差压变送器的负压室与大气“相
通”，就是一般的压力表了
ρ
H
p1  pB
p2  p A
pA
pB
p1 p2
差压式变送器
EXIT
3.4.2液位测量的零点迁移问题
无迁移
pA
H
ρ
当差压变送器的正压室（或压
pB
力表进压口）与被侧液位的零位
p1 p2
差压变送器
在一个水平线上时
p |H 0  0
ρ
H
即：
压力表
EXIT
正迁移
p |H 0  gh
ρ
负迁移
H
当H=0时 即：
p
h
p1  pV  gH
p2  pV  gH0
有一个很大的固定负压即：
p |H 0   gH0
目前差压变送器的迁移量,
可达量程的5～6倍。
蒸汽 pv
ρ
水
差压变送器
水
p1 p2
EXIT
H0
当H=0时,
冷凝罐
H
p  p1  p2  g ( H  H 0 )
压力表
3.4.3法兰式压差变送器
单法兰式
双法兰式
EXIT
双法兰式压差变送器现场安装
EXIT
3.5.1导电液体的液位测量
利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变
化，从而引起电容量变化的关系，进行液位测量。
不锈钢棒、聚四氟乙烯套管及容器中的被测导电液体构成
一个圆柱形电容器，其中不锈钢棒是一个电极，金属容器
不 锈
外壳是另一个电极。
聚 四氟 乙
当被测液体的高度H=0时
钢棒
即电容器内实际液位低于h（非 容器
测量区）时，传感器的电容（不
锈钢棒与金属容器外壳之间的分 被 测 导
布电容）为C0。
电液体
2 0, L
C0 
ln(D0 / d )

'
0
D
烯套管
d
L
H
h
D0
：聚四氟乙烯套管和电容器内气体的等价介电系常数
EXIT
当液位上升时
两电极极板覆盖面积增大，电容量就增大，因此通过测量传
感器的电容量大小，就可以获知被测液位的高度。
当液位高度为H时，传感器的电容量CH
2 0' ( L  H )
2H
CH 

ln(D / d )
ln(D0 / d )
2 0' H
2H
C 

ln(D / d ) ln(D0 / d )
通常，D0>>D，
C 
2H
ln(D / d )
不 锈
钢棒
D
聚四氟乙
烯套管
d
  
'
0
因此只要测得电容量，就可求
得液体的高度
L
H
h
D0
EXIT
D
3.5.2不导电液体的液位测量
d
利用被测液体液位的变化时，两极之间
的填充介质的介电常数发生变化，从而引起
电容量的变化这一特征进行测量液位测量。
适合测量电导率小于10-2S/m的液体
ε0
ε
L H
两根同轴装配相互绝缘的不锈钢管分别
作为圆柱形电容的内外电极
当被测液体的高度上升为H时，
当测量液位为H=0时，两个电极 传感器的电容CH为
之间介质是空气，这时传感器的
2H
20 ( L  H )
C


H
初始电容C0为
ln(D / d )
ln(D / d )
2 0 L
C0 
——被测液体的介电常数
ln(D / d )
2 (   0 ) H
 0 ——空气的介电常数
C 

ln(D / d )
EXIT
3.6 超声波物位传感器
EXIT
脉
冲
回
波
式
超
声
波
测
量
液
位
EXIT
超声波物位传感器
检测原理
当声波从一种介质向另一种介质传播时，在密度不同、声速不同的
分界面上传播方向要发生改变，即一部分被反射（入射角反射角），一部
分折射入相邻介质内。
假设两种介质的密度分别为ρ1、ρ2，声波在两种介质中的传播速度分别
为u1、u2
反射波的声强为IR,入射波的声强为IB，则存在以下关系：
1u1 cos  2
)
]
 2 u 2 cos
 u cos  2
[1  ( 1 1 )
]
 2 u 2 cos
[1  (
IR  IB

为入射角，
1u1 和  2 u 2 分别为两种介质的声阻抗。
超声波类似于光波,具有反射、透射合折射的性质。
EXIT
当声波垂直入射时（     0），其反射率为：
IR
 2u2  1u1 2
R
[
]
IB
 2u2  1u1
在声波入液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由
于两种介质的密度相差悬珠，声波几乎全部被反射。因此
，当置于容器底部的探头向液面发射短促的声脉冲波时,经
过时间t，探头便可接收到从液面反射回来的回波声脉冲。
若设探头到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为u
，则有以下关系：
1
H  ut
2
EXIT
当超声波射入到两种不同介质的界面上会发生反射和折射和透
射现象，这就是应用超声波技术测量物位常用的一个物理特性。
发射
接收
t
u:液体中的声速，与密度有关
超声波物位测量属于非接触式测量，
测量范围宽，有盲区
液体
H
1
H  ut
2
容器
探头
EXIT
探头
探头
H
H
H
探头
(a)
(b)
收
发
收
H
H
2a
(d)
发
d
S
H
发
(c)
收
(e)
(f)
EXIT
测
量
方
法
设置声速校正具方法
声波在介质中的传播速度与介质的密度有
关，而密度是温度和压力的函数
V——ρ——（P,T）
eg.空气
V0℃ = 331m/s；V100 ℃= 387m/s
EXIT
带有声速校正杆的超声波液位计
EXIT
3.7雷达物位传感器
发射接收的是高频电磁波，原理类似于超声液位计。
但因是电磁波，波速与空气的温度、湿度等无关。
EXIT
德国E+H FMR230 雷达液
位计被设计用于对液体、颗
粒及浆料进行连续非接触的
物位测量。
测量不受介质变化、温度
变化、惰性气体及蒸汽的影
响；
喇叭式天线，频率6GHz；
量程20m，精度±3mm；
两线制，HART协议；
EXIT
西门子(Siemens) SITRANS LR400 雷达液位计
适用于测量高粉尘固体物料
和低介电常数液体物位。
连续波调频工作方式；
工作频率24GHz；
量程50m，精度±60mm；
两线制，HART协议；
现场本安型的红外手持编程器对仪
表进行编程。
EXIT
德国科隆(KROHNE) BM70P 雷达液位计
设计为液体和液化气的液位测量。
工作频率8.9－9.9 GHz；量程35m；
精度1～10m时±1mm
>10m时±0.01% 示值误差具有改进信噪比的微波窗,
高灵敏性，动态响应达140 dB 。
EXIT
电磁波的波长在1mm～
1m的波段称为微波。
微波与无线电波比较，
其态度是具有良好的定向
辐射性，并具有良好的传
输特性。
在传输过程中受火焰、
灰尘、烟雾及强光的影响
极小。
EXIT
1.计数法测时
EXIT
EXIT
2.等效时间采样法测时
时间为T的重复信号，采样周期为T+Δt，每周期只采
一个瞬时值，具有周期性重复的高频信号均可采用。
降低了采样频率，等效采样周期Δt。
EXIT
等效时间采样法在时间量检测中的应用
Δt（最小分辨时间）为发射与采样时钟周期差值，又称等
效采样周期，只要满足两时钟周期之差为Δt<10ps。
EXIT
例
EXIT
3.连续调频法
△t
f
微波源
发射器
混频器
数字信号处理器
2△F
接收器
t
T
fd
△fd
由数字信号处理器提供的
-△fd
三角波控制，三角波的周
f
期为2T,输出连续的调频
信号，发射信号的频偏为
2△F(5～9.5GHZ)
差频信号(△fd)再送到
2△F
数字信号处理器处理，
最后得到物位的高度
0
t
0
2△fd
△t
T
t
EXIT
f
由相似三角形原理可知
f d F

t
T
f d
t 
T
F
设天线与液面的距离为d，微
波的传播速度为C，则
T f d
t
d
C
d C
2 F
2
2△fd
2△F
△t
0
T
t
可见，当微波的传播速度C、三角波的周期2T、发射信号的频
偏为△F确定后,天线与液面的距离与差频信号△fd成正比。
则天线到液面得高度
例如，微波源扫频范围为5～9.5GHZ，调频的周期为20mS,测
得差频信号为9kHz，即：
2△F=9.5-5=4.5（GHz），2△fd=9kHz，T=20/2=10mS，微波
传播速度C=3×108m/s
则天线到液面得高度
T f d
10103  9 103
8
d
C

3

10
 0.3(m)
9
2 F
2  4.5 10
EXIT
雷达液位计的安装
1、垂直于物料表面安装，使雷达波尽可能反射回
去，减少能量损失；
2、仪表安装位置离罐壁距离至少30cm，防止罐壁上
所装仪表如温度元件料位开关等在雷达束内，引起干
扰回波；
3、雷达物位计的天线要伸入罐壁内(喇叭口天线要伸
出10mm以上；杆式天线要伸出200mm以上)；
4、拱形顶罐或卧罐不要把仪表装在罐的中心位置，
使回波易丢失。
EXIT
雷达液位计常见问题及处理方法
1、仪表无指示；
处理方法：查电源，查通讯电缆是否正常。
2、仪表指示不稳定、不正确或无回波；
处理方法：多数由干扰回波引起，可选功能强一
些的雷达物位计或导波雷达、选最佳安装位置、选合
适的天线类型和稍大的尺寸。
3、天线污染；
处理方法：定期清理天线。尽可能避免物位溢出，
这样会使喇叭口天线上挂料，减低雷达灵敏度。
EXIT
EXIT
3.8 吹泡式液位计
H
ρ
压力表
流量计
节流
元件
过滤器
过滤器
压缩空气
当有少量、均匀的气泡逸出液面时：
压力表的示值：
p  gH
适应于高粘度、腐蚀性、含有悬浮颗粒的流体
EXIT
3.9磁致伸缩液位传感器
磁致伸缩效应：铁磁材料和亚铁磁材料在居里电温度
以下于磁场中被磁化时，会沿磁化方向发生微量伸长或
缩短的现象。
EXIT
3.9磁致伸缩液位传感器
阻尼器
永久磁铁
脉冲磁场
脉冲磁场
脉冲电流
I
永久磁铁
机械波
信号检测
铜导线
EXIT
工作原理：
磁浮子产生一个轴向磁场，电流脉冲产生一个
脉冲周向磁场，两磁场相遇时合成倾斜磁场，产
生磁致伸缩效应。波导管栓见扭曲变形（机械变
形振动），应变脉冲的超声波信号向两端传播。
EXIT
电磁应变超声波传感器
测量开始时，计时器开始计时，查
询电流脉冲产生一个圆周磁场，抵
达位移信号单元，遭遇第二个磁场。
EXIT
两个磁场相互作用，磁道管产生弹
性变形，以机械波形式向两端传播。
EXIT
机械波向两端传播
EXIT
信号传感单元收到机械应力波，计时器停止计时
一个测量周期结束。
EXIT