物位检测仪表陈禄彬

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1、 LC 人 工 控 制 系 统自 动 控 制 系 统 物 位 是 指 储 存 容 器 或 工 业 生 产 设 备 里 的 液 体 、粉 粒 状 固 体 或 相 互 不 相 容 的 两 种 液 体 间 由 于 密度 不 相 等 而 形 成 的 界 面 位 置 。 液 体 介 质 液 面 的高 低 称 为 液 位 ； 液 体 -液 体 （ 两 种 密 度 不 相 等 ，且 互 不 相 溶 的 液 体 ） 或 液 体 -固 体 间 的 分 界 面 称为 界 面 ； 固 体 颗 粒 或 粉 料 的 堆 积 高 度 称 为 料 位 。一 般 将 液 位 、 料 位 、 界 面 统 称 为 物 位 。 液

2、 位 、料 位 、 界 面 的 测 量 系 统 称 为 物 位 测 量 。一 、 物 位 的 定 义 二 、 物 位 测 量 的 目 的物 位 测 量 的 主 要 目 的 有 以 下 几 种 ：1、 正 确 测 得 容 器 中 储 藏 物 的 体 积 或 重 量 ， 即 物位 测 量 的 目 的 是 用 于 计 量 与 经 济 核 算 。2、 监 视 容 器 内 物 位 ， 对 物 位 允 许 的 上 、 下 限 发出 报 警 ， 即 不 用 连 续 检 测 和 输 出 物 位 的 具 体 数 值 ，只 输 出 物 位 变 化 的 开 关 信 号 。3、 连 续 监 测 生 产 和 进 行 调

3、 节 ， 使 物 位 保 持 在 所要 求 的 高 度 ， 即 要 求 物 位 检 测 仪 表 连 续 输 出 物 位的 瞬 时 信 号 值 开 口 容 器 或 密 封 容 器 中 两 相 介 质 的 分 界 面 的 高低 。 液位 料位 界位 H1 H21 2气 相 切断 阀液 相 切断 阀 玻 璃 管液 位 计 利 用 液 相 压 力 平 衡 原 理 ：gHgH 221 当 21 时H1=H2 2、静压式液位计差压式液位计静压式液位计压力式液位计 物 位 检 测 方 法 及 仪 表 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

4、法 对 液 位 进 行 测 量 的 。敞 口 容 器 ： 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 相连 ， 由 测 压 仪 表 的 压 力 指 示 值 ， 便 可 推 知 液 位的 高 度 。其 关 系 为式 中 P测 压 仪 表 指 示 值 H液 位 的 高 度 液 体 的 密 度 g重 力 加 速 度gHP gHPP AB gHPPP AB 式 中 PA、 PB分 别 是 液 面 上 部 介 质 压 力 和 液 面 以 下 H深 度 的 液 体 压 力 。密 闭 容 器 ： 测 量 容 器 底

5、 部 压 力 ， 除 与 液 面 高 度 有 关 外 ， 还 与 液 面 上 部 介质 压 力 有 关 ， 其 关 系 为 (1)、压力式液位计 投入式液位计 气 相 不 易 冷 凝 的 情 况 下的 差 压 液 位 测 量 原 理 图 HP气 用 差 压 变 送 器 测 量 液 位 的 原 理 如 图 ：差 压 变 送 器 与 液 体 导 压 管 水 平 安 装 ， 液 体 导 压 管到 液 面 距 离 为 H、 液 体 密 度 为 、 气 相 压 力 为 P气 正 压 室 压 力 P1 P气 H g 负 压 室 压 力 P1 P气故 正 、 负 压 室 的 差 压 为 P P1 P2 H

6、g由 此 可 见 ， 由 于 密 度 一 定 ， 差 压 与 液 位 高 度 一 一对 应 关 系 。 知 道 了 差 压 值 就 知 道 液 位 的 高 度 。 这样 就 把 测 量 液 位 的 问 题 归 结 为 测 量 差 压 的 问 题 。用 差 压 变 送 器 就 很 方 便 地 把 差 压 测 得 ， 并 转 换 成统 一 标 准 信 号 ， 这 就 是 差 压 测 量 液 位 的 原 理 。在 这 里 还 存 在 一 个 问 题 ， 用 差 压 变 送 器 或 法 兰 测 液 位 时 ， 因 变 送 器 安 装 位 置 低 于 零 液 位 时 ，于 是 便 有 液 位 进 入 变

7、 送 器 正 压 或 负 压 室 中 ， 因 此 在 液 面 处 于 零 液 位 时 ， 虽 然 被 测 液 位 发 生的 差 压 为 零 ， 但 变 送 器 膜 盒 感 受 的 差 压 并 不 为 零 ， 而 有 一 个 附 加 差 压 存 在 。 所 以 要 进 行 零点 迁 移 ， 由 于 测 量 的 具 体 情 况 不 同 ， 有 正 迁 移 和 负 迁 移 。 无 迁 移 正 迁 移 负 迁 移 浮力式液位计恒浮力式变浮力式浮球式液位计浮筒式液位计浮标式液位计 利用漂浮于液面上的浮子(浮标)将跟随液位的变化而产生位移或未完全浸沉于液体中的浮筒(沉筒)所受的浮力将随液位的变化来进行液位

8、测量。 沉筒液位计的量程取决于浮筒的长度。、浮筒式液位计 内 浮 筒 外 浮 筒 GFW =-式中 浮力 浮标所受重力 平衡重物的重力WFG 、浮标式液位计 利用浮标所受重力和浮力之差与平衡重物的重力相平衡，使浮标漂浮于液面上。则平衡关系的表达式克表示为：多用于敞口容器的液位测量 内浮式 外浮式1-浮球；2-连杆；3-转轴；4-平衡锤；5-杠杆 、浮球式液位计 适用于温度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体检测。不适用于粘稠或易结晶，易凝固的液体的检测 (4). 钢 带 浮 子 式 液 位 计 右 图 7-4为 直 读 式 钢带 浮 子 式 液 位 计 ， 这是 一 种 最 简 单 的 液 位

9、计 ， 一 般 只 能 就 地 显示 。 (5). 磁 翻 板 液 位 计 （1）.电阻式液位计图4-1 基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。4、 电 学 式 （2）.电感式液位计 基于电磁感应原理，即液位变化引起线圈电感变化，感应电 流也发生变化。 （3）.电容式液位计 利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。 5、 超 声 波 液 位 计 超 声 波 液 位 计 利 用 波 在 介 质 中 的 传 播 特性 。 超 声 波 液 位 计 按 传 声 介 质 不 同 ， 可 分 为 气 介 式 、液 介 式 和 固 介 式 三 种 。 n 超 声 波 液 位 测

10、 量 有 许 多 优 点 ：n 与 介 质 不 接 触 ， 无 可 动 部 件 ， 电 子 元 件 只 以 声频 振 动 ， 振 幅 小 ， 仪 器 寿 命 长 ；n 超 声 波 传 播 速 度 比 较 稳 定 ， 光 线 、 介 质 粘 度 、湿 度 、 介 电 常 数 、 电 导 率 、 热 导 率 等 对 检 测 几乎 无 影 响 ， 因 此 适 用 于 有 毒 、 腐 蚀 性 或 高 粘 度等 特 殊 场 合 的 液 位 测 量 ；n 不 仅 可 进 行 连 续 测 量 和 定 点 测 量 ， 还 能 方 便 地提 供 遥 测 或 遥 控 信 号 ； n 能 测 量 高 速 运 动 或

11、 有 倾 斜 晃 动 的 液 体 的 液 位 ，如 置 于 汽 车 、 飞 机 、 轮 船 中 的 液 位 。 n 超 声 波 液 位 测 量 也 有 缺 点 ：n 超 声 波 仪 器 结 构 复 杂 ， 价 格 相 对 昂 贵 ；n 当 超 声 波 传 播 介 质 温 度 或 密 度 发 生 变 化 ， 声 速也 将 发 生 变 化 ， 对 此 超 声 波 液 位 计 应 有 相 应 的补 偿 措 施 ， 否 则 严 重 影 响 测 量 精 度 ；n 有 些 物 质 对 超 声 波 有 强 烈 吸 收 作 用 ， 选 用 测 量方 法 和 测 量 仪 器 时 要 充 分 考 虑 液 位 测

12、量 的 具 体情 况 和 条 件 。 物 料铅 罐 射 源 探 测 器容 器射 线 物 位 计 示 意 图 当 料 位 低 于 射 源 的 位 置 时 ， 射 线 粒 子 大 部 分通 过 气 体 介 质 到 达 探 测 器 ； 若 料 位 上 升 到 超过 射 源 的 高 度 时 ， 因 固 体 吸 收 能 力 强 ， 大 部分 射 线 粒 子 被 容 器 中 的 物 料 所 吸 收 ， 而 探 测器 测 得 的 粒 子 数 很 少 。 所 以 ， 从 探 测 器 测 得的 粒 子 数 的 多 少 ， 便 知 道 容 器 中 的 料 位 有 多高 。 指 示 仪 表 把 测 到 的 粒 子

13、数 进 行 转 换 、 功率 放 大 成 标 准 的 电 信 号 ， 远 传 进 行 指 示 。 7、 其 他 液 位 计(1)、 反 射 式 雷 达 液 位 计 利 用 微 波 反 射 的 原 理 制 作 的 液 位 计 ， 可 以连 续 检 测 与 实 现 液 位 定 点 控 制 。图 7-15反 射 式 微 波 液 位 计 原 理 图 微 波 功 率 的 测 量 通 检 测 元 件 ， 再 配 合 相应 的 测 量 电 路 ， 最 后 经 数 据 采 集 和 信 号处 理 根 据 接 收 到 的 微 波 信 号 功 率 ， 显 示和 输 出 液 位 测 量 结 果 。在 测 量 环 境

14、有 大 量 水 蒸 汽 时 ， 由 于 水（ 蒸 汽 ） 会 对 微 波 产 生 强 烈 吸 收 ， 因 此可 能 会 对 测 量 结 果 产 生 较 大 的 影 响 ， 对此 应 该 引 起 足 够 重 视 。 （ 2） . 雷 达 物 位 计 下 图 是 目 前 在 工 程 应 用 较 多 的 调 频 连 续 波式 微 波 物 位 （ 液 位 和 料 位 ） 计 。 （ 3） 、 磁 致 伸 缩 液 位 计利 用 磁 电转 换 原 理进 行 液 位测 量 的 磁致 伸 缩 液位 计 是 近年 来 推 出的 新 产 品 ，右 图 为 磁致 伸 缩 液位 计 原 理图 。 （ 4） 、 伺 服

15、 液 位 计 五 . 料 位 检 测 由 于 固 体 物 料 的 状 态 特 性 与 液 体 有些 差 别 ， 因 此 料 位 检 测 既 有 其 特 有 的 方法 ， 也 有 与 液 位 检 测 类 似 的 方 法 ， 但 这些 方 法 在 具 体 实 现 时 又 略 有 差 别 、 本 节将 介 绍 一 些 典 型 的 和 常 用 的 料 位 检 测 方法 。 1. 重 锤 探 测 法 重 锤 探 测 法 原 理 示 意图 如 图 7-20所 示 。 重 锤连 在 与 电 机 相 连 的 鼓 轮 上 ，电 机 发 讯 使 重 锤 在 执 行 机构 控 制 下 动 作 ， 从 预 先 定好

16、的 原 点 处 靠 自 重 开 始 下降 ， 通 过 计 数 或 逻 辑 控 制记 录 重 锤 下 降 的 位 置 ； 当重 锤 碰 到 物 料 时 ， 产 生 失重 信 号 ， 控 制 执 行 机 构 停转 反 转 ， 使 电 机 带 动重 锤 迅 速 返 回 原 点 位 置 。 图 7-20 重 锤 探 测 式 料 位 计1-重 锤 ； 2-伺 服 电 机 ； 3-鼓 轮 2. 称 重 法 一 定 容 积 的 容 器 内 ， 物 料 重 量 与 料 位 高度 应 当 是 成 比 例 的 ， 因 此 可 用 称 重 传 感 器 或 测 力 传 感 器 测 算 出 料 位 高 低 。 图 7-

17、21为 称 重 式 料位 计 的 原 理 图 图 7-21 称 重 式 料 位 计 图 7-22 电 极 接 触 式 料 位 计1-支 承 ； 2-称 重 传 感 器 1-绝 缘 套 ； 2、 3、 4=电 极 5-信 号 器 ； 6-金 属 容 器 壁 3. 电 磁 法 n 电 阻 式 和 电 容 式 物 位 计 同 样 适 用 于 料 位 检 测 ， 但传 感 器 安 装 方 法 与 液 位 测 量 有 些 差 别 。n （ 1） . 电 阻 式 物 位 计n 电 阻 式 物 位 计 在 料 位 检 测 中 一 般 用 作 料 位 的 定 点控 制 ， 因 此 也 称 作 电 极 接 触

18、式 物 位 计 。n 其 测 量 原 理 示 意 图 如 图 7-22所 示 。 测 量 时 物 料上 升 或 下 降 至 某 一 位 置 时 ， 即 与 相 应 位 置 上 的 电 极接 通 或 断 开 ， 使 该 路 信 号 发 生 器 发 出 报 警 或 控 制 信号 。 n n 2. 电 容 式 料 位 计n 电 容 式 料 位 计 测 量 原 理 示 意 图 如 图 7-23所 示 。n 其 应 用 非 常 广 泛 ， 不 仅 能 测 不 同 性 质 的 液 体 ，而 且 还 能 测 量 不 同 性 质 的 物 料 ， 如 块 状 、 颗粒 状 、 粉 状 、 导 电 性 、 非 导

19、 电 性 等 物 料 。 但是 由 于 固 体 摩 擦 力 大 ， 容 易 “ 滞 留 ” ， 产 生虚 假 料 位 ， 因 此 一 般 不 使 用 双 层 电 极 ， 而 是只 用 一 根 电 极 棒 。 图 7-23 电 容 式 料 位1-金 属 电 容 ； 2-测 量 电 极 ；3-辅 助 电 极 ； 4-绝 缘 套 3. 射 频 导 纳 物 位 计 4. 声 学 法n 上 一 节 介 绍 过 利 用 超 声 波 在 两 种 密 度 相差 较 大 的 介 质 间 传 播 时 发 生 全 反 射 的 特性 进 行 液 位 测 量 ， 这 种 方 法 也 可 用 于 料位 测 量 。n n

20、除 此 以 外 ， 还 可 用 声 振 动 法 进 行 料 位 定点 控 制 。 图 7-24为 音 叉 式 料 位 信 号 器 原理 图 ， 它 是 由 音 叉 、 压 电 元 件 及 电 子 线路 等 组 成 。 音 叉 由 压 电 元 件 激 振 ， 以 一 定 频 率 振 动 ，当 料 位 上 升 至 触 及 音 叉 时 ， 音 叉 振 幅 及 频 率 急剧 衰 减 甚 至 停 振 ， 电 子 线 路 检 测 到 信 号 变 化 后向 报 警 器 及 控 制 器 发 出 信 号 。 图 7-24 音 叉 式 料 位 控 制 器 4.旋 阻 式 料 位 开 关 高 低 报 警 示 意 图

21、 5. 光 学 法 n 光 学 法 是 一 种 比 较 古 老 的 料 位 控 制 方 法 。一 般 只 用 来 进 行 定 点 控 制 ， 工 作 方 式 采用 遮 断 式 。 在 储 料 容 器 一 侧 安 装 激 光 发 射器 ， 另 一 侧 安 装 接 收 器 ， 当 料 位 未 达 到 控制 位 置 时 接 收 器 能 够 正 常 接 收 到 光 信 号 ，而 当 料 位 上 升 至 控 制 位 置 时 ， 光 路 被 遮 断 ，接 收 器 接 收 的 信 号 迅 速 减 小 ， 电 子 线 路 检测 到 信 号 变 化 后 转 化 成 报 警 信 号 或 控 制 信号 。 n 六

22、.相 界 面 的 检 测n 相 界 面 的 检 测 包 括 液 -液 相 界 面 、 液 -固 相 界 面的 检 测 。n 液 -液 相 界 面 检 测 与 液 位 检 测 相 似 ， 因 此 各 种液 位 检 测 方 法 及 仪 表 (如 压 力 式 液 位 计 、 浮 力式 液 位 计 、 反 射 式 激 光 液 位 计 等 等 )都 可 用 来进 行 液 -液 相 界 面 的 检 测 。n 液 -固 相 界 面 检 测 与 料 位 检 测 相 似 ， 因 此 重 锤探 测 式 、 吊 锥 式 、 称 重 式 、 遮 断 式 激 光 料 位 计或 料 位 信 号 器 也 同 样 可 用 于

23、 液 -固 相 界 面 的 检测 控 制 。 n 此 外 ， 电 阻 式 物 位 计 、 电 容 式 物 位 计 、超 声 波 物 位 计 、 核 幅 射 式 物 位 计 等 均 可用 来 检 测 液 -液 相 界 面 和 液 -固 相 界 面 。n 进 行 相 界 面 的 检 测 必 须 了 解 被 测 介 质 的物 理 性 质 的 差 别 ， 才 能 正 确 选 择 合 适 的测 量 方 法 。n 例 如 ， 若 选 用 电 阻 式 (或 称 电 极 式 )物 位计 检 测 时 ， 应 当 明 确 对 被 测 介 质 的 要 求 ，即 位 于 容 器 下 部 密 度 较 大 的 一 相 导

24、 电 而浮 于 上 面 密 度 较 小 的 一 相 不 导 电 ， 如 此等 等 。 n 此 外 ， 电 阻 式 物 位 计 、 电 容 式 物 位 计 、超 声 波 物 位 计 、 核 幅 射 式 物 位 计 等 均 可用 来 检 测 液 -液 相 界 面 和 液 -固 相 界 面 。n 进 行 相 界 面 的 检 测 必 须 了 解 被 测 介 质 的物 理 性 质 的 差 别 ， 才 能 正 确 选 择 合 适 的测 量 方 法 。n 例 如 ， 若 选 用 电 阻 式 (或 称 电 极 式 )物 位计 检 测 时 ， 应 当 明 确 对 被 测 介 质 的 要 求 ，即 位 于 容 器 下 部 密 度 较 大 的 一 相 导 电 而浮 于 上 面 密 度 较 小 的 一 相 不 导 电 ， 如 此等 等 。 思考：现代自动控制技术都是电子技术为基础的，电子技术出现以前的自动控制会是怎样的呢？ 谢 谢 ！