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1、第5章 物位的测量,本章介绍了物位的基本概念，以及物位测量的特点，详细分析了一些典型物位计的工作原理，介绍了它们的优缺点、应用场合及使用的注意事项。,返总目录,教学目录：,概述,直读式液位计,浮力式液位计,静压式液位计,电容式物位计,导电式液位计,超声波式物位计,核辐射式物位计,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,返总目录,5.1 概述,5.1.1 物位测量的一般概念,物位测量的工艺特点和主要问题,重点：物位测量的基本概念。,重点：液位测量的工艺特点。难点：料位测量的工艺特点。,5.1.3 物位测量仪表的分类,返本章目录,物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量。
2、物位检测为保证生产过程的正常运行，如调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确定产品产量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过程监测中物位检测占有重要的地位。,一、定义：,物位:储物在容器中的积存高度。即液位、料位和界位的位置 统称为物位。,物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。,物位测量的一般概念,物位测量的工艺特点和主要问题,1.液位测量的工艺特点 液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象。大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大，或含有大量杂
3、质、悬浮物等。,返本节目录,返本章目录,2.料位测量的工艺特点物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因此料面是不平的,难以确定料位高度。物料进出时，又存在着滞留区（由于容器结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区），影响到物位最低位置的测准。储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响对物料储量的计算，而后者则在振动或压力、湿度变化时物位也随之变化。3.界位测量中最常见的问题是界面位置不明显，浑浊段的存在也影响测准。,物位测量的工艺特点和主要问题,返本节目录,返本章目录,5.1.3 物位测量仪表的分类,物位测量仪表的种类很多，而且还在不断发展。按其工作原理可归纳为以下几种：直读
4、式物位测量仪表、浮力式物位测量仪表、静压式物位测量仪表、电磁式物位测量仪表、电容式物位测量仪表、超声波式物位测量仪表 核辐射式物位测量仪表等。此外，还有声学式、称重式、重锤式、旋翼式等。,返本节目录,返本章目录,5.2 直读式液位计,直读式液位计是一种简单而常用的液位测量仪表。其中最简单的就是直接用直尺插入介质中来测量液位，另外就是用玻璃液位计进行测量。,重点：玻璃液位计的原理、结构、特点。难点：玻璃液位计的分类，以及使用注意事项。,返本章目录,5.2 直读式液位计,玻璃液位计的工作原理：按照连通器液柱静压平衡的原理工作的。优点：结构简单、价格便宜，一般用在温度及压力不太高的场合就地指示液位的
5、高低。,缺点：不能测量深色或粘稠的介质的液位，另外玻璃易碎，且信号不能远传和自动记录。玻璃液位计按照结构可以分为玻璃管式和玻璃板式液位计两种。,返本章目录,当用玻璃液位计进行精确测量时应注意：应使容器和仪器中的介质具有相同的温度，以免因密度不同而引起示值误差。玻璃液位计管径不宜太小，以免因毛细现象而引起示值误差。应尽量减小连通管上的流动阻力，以减小液位快速变化时产生的动态误差。为了改善仪表的动态性能，也不能把连通管上的阀门省掉。当玻璃管或玻璃板一旦发生损坏时，可利用连通管上的阀门进行切断，以免事故扩大。,5.2 直读式液位计,返本章目录,5.3 浮力式液位计,工作原理：基于液体浮力原理而工作的
6、。浮力式液位计分为浮子式和浮筒式液位计两种。优点：不容易受到外界环境的影响；浮子或浮筒直接受浮力推动，比较直观、可靠，结构简单、维修方便等。缺点：由于具有可动部件，故容易受摩擦而影响它的灵敏度和增大误差，而且可动部件易被污垢、锈蚀卡死而影响可靠性。另外，由于浮筒或浮子要垂直或横伸于容器中，故所占空间较大。,返本章目录,5.3.1 浮子式液位计,重点：各种浮子式液位计的特点、原理、结构和使用。难点：各种浮子式液位计的使用。,5.3 浮力式液位计,5.3.2 浮筒式液位计,重点：各种浮筒式液位计的特点、原理和结构。难点：浮筒式液位计的校验。,返本章目录,1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。（1
7、）钢丝绳（或钢带）式浮子液位计基本原理：通过测量漂浮于被测液面上的浮子（浮标）随着液面的变化而上下移动而产生的位移来检测液位高低，其所受浮力的大小一定。即检测浮子所在位置可知液面高低。浮子形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等。下面以圆柱形为例来作分析。如图：浮子通过滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力相平衡，以维持浮子处于平衡状态而漂在液面上，平衡重锤位置即反映浮子的位置，从而测知液位。,5.3.1 浮子式液位计,基本原理：理想情况下，浮子浸入液体的高度h是不变的，将来液位变化时，浮子随液位上、下移动，通过滑轮使悬锤上、下移动，指示液位高低。,5.3.1 浮子式液位计,1、浮子式
8、液位计：是一种恒浮力式液位计。基本原理：但由于液体的黏性、传动系统的摩擦等因素，液位变化H只有达到一定的值时（即浮子浸入液体深度h变化到一定值时h），造成浮力发生F的变化时，浮子才会动作，才可能带动悬锤指示变化。这表明了液位计存在不灵敏区。,1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。基本原理：浮力变化F和液位变化H的关系：当F等于系统的摩擦力时，浮力才开始移动，该式表明了液位计的不灵敏区为：从此式可知，选择合适的浮子直径及减少摩擦阻力，可以改善液位计的灵敏度。,杠杆浮球式液位计分为内浮式和外浮式。使用时若有沉淀物或凝结物附在浮球上，要重新调整平衡锤的位置，校正零位。这类仪表变化灵活，容易适应介质
9、的温度、压力、粘度等条件。但受机械杠杆长度的限制，测量范围较小。,（2）杠杆浮球式液位计,返本节目录,返本章目录,1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。,1-浮球 2-连杆 3-转动轴 4-平衡锤 5-杠杆 6-指针 7-标尺,5.3.1 浮子式液位计,翻板由极薄的导磁金属制成，每片宽10mm，垂直排列，并各自能绕框架上的小轴旋转。翻板的一面涂有红漆，另一面涂银灰漆。,（3）翻板式液位计,返本节目录,返本章目录,翻板式液位计工作原理动画演示,返本节目录,返本章目录,5.3.2 浮筒式液位计,浮筒式液位计的检测元件是浸没于液体中的浮筒。浮筒所受浮力随位移发生变化。此浮力变化再以力或位移变化的形
10、式，带动电动或气动元件发出信号给显示仪表以显示液位，也可以实现液位的报警或调节。这种液位计主要由变送器和显示仪表两部分组成。浮筒的长度就是仪表的量程，一般为3002000mm。,返本节目录,返本章目录,二、浮力式液位计,2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。（1）带有差动变压器的浮筒式液位计.原理图：结构：圆柱形的检测元件的浮筒部分沉浸于液体中，由弹簧悬挂，弹簧下端固定，上端受浮筒重力而拉伸。.基本原理：利用浮筒（敏感元件）由于被液体浸没高度不同，以至所受浮力不同来检测液位。,二、浮力式液位计,2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。.基本原理：设浮筒质量为m，截面积为A，弹簧的刚度为c，压
11、缩位移为 x0，被测液体密度为，浮筒没入液体高度为H起始位置弹性力与重力、浮力相平衡，有：,弹性力,重力,浮力,二、浮力式液位计,2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。.基本原理：当液位变化时，浮筒所受浮力改变，弹簧的变形亦有变化。达到新的力平衡时则有以下关系：,二、浮力式液位计,2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。.基本原理：结论：只要检测弹簧的变形x（即浮筒的位移量），即可确定液位的变化H,进而确定液体的液位高度。,二、浮力式液位计,2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。.位移检测方法：弹簧变形量的检测可通过差动变压器实现。如图，在浮筒顶部的连杆上装一铁心，铁心随浮筒而上下移动，其
12、位移经差动变压器转换为与位移成比例的电压输出，从而给出相应的液位指示。.采用弹簧结构的好处：液位高度的变化范围可能很宽，但浮筒只有很小的位移，对应差动式变压器铁芯位移很小，实现起来方便。,5.3.2 浮筒式液位计,3.浮筒式液位计的校验（1）挂重法（又称干法）挂重法校验浮筒式液位计，是将浮筒取下后，加上与各校验点对应的某一砝码重力来校验的。该重力为浮筒重力（包括挂链重力）与液面在该校验点时浮筒所受浮力之差。,返本节目录,返本章目录,5.3.2 浮筒式液位计,例5-1 设一浮筒式液位计中浮筒的重力G114.41N，挂链重力G20.46N，浮筒的外径D13mm，浮筒的长度L4600mm，液相介质的
13、密度1=0.85g/cm3，气相介质的密度2=0.00165g/cm3，用挂重法校验时所用托盘重力G32.59N，现求：当校验点为全量程的0%、50%、100%时，应分别加多重的砝码？,返本节目录,返本章目录,5.3.2 浮筒式液位计,（2）水校法（又称湿法）,这是现场常用的方法。当被测介质是水时，可直接用水校验，若不是水，也可通过换算用水代校。浮筒的指示重力（即浮筒重力与所受浮力的差值）相同，指示值相同。用水代校时浮筒应被水浸没的相应长度为,在校验满量程时，浮筒应被水浸没的长度为,返本节目录,返本章目录,5.3.2 浮筒式液位计,例5-2 已知浮筒的长度为300mm，水的密度为1.0 g/c
14、m3，被测液体的密度为0.82 g/cm3，如何用水校法进行校验？,返本节目录,返本章目录,5.3.2 浮筒式液位计,适用范围：适用于测量范围在200mm以内，密度在0.51.5g/cm3的液体液面连续测量 测量范围在1200mm以内，密度差为0.10.5g/cm3的液体界面的连续测量。真空对象、易汽化的液体宜选用浮筒式仪表。,返本节目录,返本章目录,5.4 静压式液位计,静压式液位计：通过测静压力或静压差来测量液位的仪表。静压式液位计的工作原理：容器中盛有液体或固体物料时，物体对容器的底部或侧壁会产生一定的静压力。当液体的密度均匀，或固体颗粒及物料的密度与疏密程度均匀时，此静压力与物料的物位
15、高度成正比。测出这个静压力的变化就可知道物位的变化。在测量液面上部空间气相压力有波动的密闭容器的液位时，则采用测量差压的方法。,返本章目录,5.4 静压式液位计,静压式液位计是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的。如图所示，根据流体静力学原理可得A、B两点之间的压力差为ppBpAgH,返本章目录,5.4 静压式液位计,5.4.1 压力计式液位计,5.4.2 差压式液位计,5.4.3 法兰式压力变送器的应用,5.4.4 静压式液位计的零点迁移,5.4.5 静压式液位计的特点及选型,重点：各种静压式压力计的原理、特点、应用。难点：零点迁移。,返本章目录,5.4.1 压力计式液位计,压力计式液
16、位计是根据测压仪表测量液位的原理制成的，用来测量敞口容器中的液位高度。测压仪表通过取压导管与容器底部相连，当液体密度为常数，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。,返本节目录,返本章目录,5.4.1 压力计式液位计,压力计式液位计的特点：优点：比较简单，而且测量范围不受限制，信号可以远传。缺点：精度受到压力表精度的限制，而且只适用于敞口容器的测量，当液体密度发生变化时，会引入一定的误差。如果被测介质具有腐蚀性，应在仪表与被测液体之间加装隔离罐。但是应注意隔离液与被测液体之间不能发生互溶现象。注意：当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高度差引起的固定压力进行修正。,返本节目
17、录,返本章目录,5.4.2 差压式液位计,用压力式液位计测量密闭容器的液位时，压力表的示值包含了液面上部的气相压力，而此压力不一定是定值，所以用这种液位计测量液位时会引起较大的误差。为消除气相压力的影响，需采用差压式液位计。,返本节目录,返本章目录,5.4.3 法兰式压力变送器的应用,法兰式差压变送器的法兰直接与容器上的法兰相连接，作为敏感元件的测量头（金属膜盒）经毛细管与变送器的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的密闭系统内充有硅油，作为传压介质，毛细管外套以金属蛇皮管保护，法兰测头的结构形式分为平法兰和插入式法兰两种。,返本节目录,返本章目录,1-毛细管 2-变送器 3-平法兰测量头
18、 4-插入式法兰测量头,法兰式差压变送器适宜于测量腐蚀性、结晶性、粘稠性和含有悬浮物的液体的液位和界位测量。法兰式差压变送器缺点：比普通的差压变送器贵，而且有的毛细管内的充灌液很容易渗漏掉。反应比普通的差压变送器迟缓，特别是天冷的时候，仪表的灵敏度更低。法兰式液位计的测量范围还受毛细管长度的限制。因此，使用哪一种液位计进行测量，要视具体的情况而定。,5.4.3 法兰式压力变送器的应用,返本节目录,返本章目录,5.4.4 静压式液位计的零点迁移,无论是压力检测法还是差压检测法都要求取压口（零液位）与压力（差压）检测仪表的入口在同一水平高度上，否则就会产生附加静压误差。1.无迁移 两个不同形式的液
19、位测量系统中，将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，作为测量仪表的差压变送器的输入差压p和液位H之间的关系都可以用ppBpAgH表示。当H0时，差压变送器的输入p=0，差压变送器的输出也为0（下限值），相应地显示仪表指示为0，这时不存在零点迁移问题。,返本节目录,返本章目录,5.4.4 静压式液位计的零点迁移,无迁移液位测量系统1容器 2变送器 3液位零面,返本节目录,返本章目录,2、正迁移：如图。差压计安装在最低液面以下，和零位的高度差为h。则差压变送器正、负压室所受压力为：,为此，在一般的差压计中，均有调整零点的位置机构，通过调整迁移弹簧，改变变送器的零点即可实现。由
20、于要迁移c值为正，正迁移,3、负迁移：如图。当容器中液体上方气体是可凝性的（如水蒸汽），为保持负压室所受的液柱高度恒定，或者被测介质有腐蚀性，为了引压管防腐，常常在差压变送器的正负压室与限压点之间装有隔离罐，并充以隔离液。设隔离液密度为,总结：量程迁移一般通过调整仪表上上的迁移弹簧即可实现，这种调整同时改变了量程的上、下限，而不改变量程大小。,.举例：用差压变送器检测液位，已知、液位变化范围为03m，重力加速度，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-型仪表，其测量范围是多少？,解：当液位在03m变化时，测量液体差压变化量为：根据差压变送器量程系列，选择量程为：40KPa。,.举例：用差压变
21、送器检测液位，已知、液位变化范围为03m，重力加速度，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-型仪表，其测量范围是多少？,解：因此需进行负迁移，其迁移量为：37.24kPa。迁移后的测量范围为：,若选用DDZ-型仪表，输出为420mA电流，则有：,实际可测液位范围为03.4m。,5.4.5 静压式液位计的特点及选型,1.静压式液位计的特点 差压式仪表的性能稳定、精度高，是应用最广泛的一种仪表。利用差压式液位计测量液位具有如下特点：检测元件不占容器空间，而只需在容器侧壁上开两个引压孔。检测元件无可动部件，安装方便，使用可靠。采用法兰式结构还可以解决黏度大、易结晶、有悬浮物的介质液位的测量。在冬
22、季使用时，须采用保温措施，以防止隔离罐、导压管及仪表内的液体冻结，影响正常的测量。,返本节目录,返本章目录,5.4.5 静压式液位计的特点及选型,2.静压式液位计的选型 腐蚀性、结晶性、粘稠性、易汽化和含悬浮物的液体，宜选用平法兰式差压式液位计。高结晶、高粘性、结胶性和沉淀性液体，宜选用插入式法兰差压式液位计。对于在环境温度下，气相可能冷凝，液相可能汽化，或气相有液体分离的对象，在使用普通差压式液位计进行测量时，应视具体情况分别设置隔离器、分离器、汽化器、平衡容器等部件，或对测量管线保温、伴热。用差压式液位计测量锅炉汽包液面时，所采用的双室平衡容器应为温度补偿型的。,返本节目录,返本章目录,5
23、.5 电容式物位计,电容物位计：将物位的变化转换成电容量的变化来进行物位测量的仪表。组成：传感器、电容检测两大部分。电容式物位计适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。,返本章目录,5.5 电容式物位计,5.5.1 导电介质用电容式物位计,5.5.2 非导电介质用电容式物位计,重点：不同介质用电容式物位计的原理、特点与使用。难点：导电介质用、非导电介质用电容式物位计的比较。,5.5.4 油箱油量检测系统,5.5.3 固体物料用电容式物位计,返本章
24、目录,1、结构：如图，两个同轴圆筒电极组成的电容器。2、原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。当液位变化，园筒形电极一部份被物料浸没，浸没深度H，极板间存在两种介质的介电常数1(原设有中间介质介电常数)、2(被测物料的介电常数),将引起电容量的变化。,三、电容式液位计,3、实现形式：.测量导电液体液位时：等效电路如图。,三、电容式液位计,3、实现形式：.测量导电液体液位时：等效电路如图。,三、电容式液位计,4、检测电路：电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。可以输出
25、标准电流信号，实现远距离传送。注意：电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反而不利于检测。以单臂桥式电路为例：,三、电容式液位计,4、检测电路：如图：,三、电容式液位计,5：特点电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。但是不适合于以下介质：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等情况。,非导电介质用电容式物位计,若被测介质是粘性非导电液体，其测量结果也会受到虚假液位的影响，但一般很小，可以忽略。,返本节目录,返本章目录,5.5.3 固体物料用电容
26、式物位计,因为固体摩擦较大，容易“滞留”，所以一般不用双层式电极。对于非导电固体料位，可采用以电极棒和容器壁为两电极、以被测物料作为电介质的电容器来测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为 对于像钢筋水泥料仓的料位测量，用钢丝绳及仓库钢筋作为容器的两极，以测量非导电物料的料位。钢丝绳对地及钢筋用绝缘材料加以绝缘。,返本节目录,返本章目录,5.5.3 固体物料用电容式物位计,电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：电极必须垂直安装，安装前要校直。注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已
27、计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。当被测介质改变后，需重新调整仪表。当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。,返本节目录,返本章目录,5.5.4 油箱油量检测系统,其主要组成部分是电容式液位传感器、电桥、放大器、两相电机、减速机构和显示装置等。,返本节目录,返本章目录,5.6 导电式液位计,重点：导电式液位计、太阳能热水器水位报警器的工作原理。难点：导电式液位计的工作原理。,返本章目录,导电式液位计是利用某些液体的导电特性制成的。导电式液位计的被测介质必须是导电的，在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。,5.6 导电式液位计,返本章目录,太阳能热水器水位报
28、警器的工作原理,1、利用电导式传感器的三个电极设计一个太阳能热水器的水位报警器。2、当水位处在1、2极之间时，高水位与底水位的指示灯都处在熄灭的状态。3、当水位低于电极二时，VT3截止，VT2导通，低水位指示灯点亮，微分电路将产生脉冲，触发音乐集成电路工作。随之扬声器发报警声，告之主人往水箱注水。4、当水位高于电极1时，VT1导通，高水位指示灯导通微分电路将产生脉冲，触发音乐集成电路，随之扬声器报警，告知主人水箱的水已经注满。,物位检测方法小结,1、液位检测中：静压式、浮力式检测方法常用，具有结构简单、工作可靠、精度较高等优点，缺点：需要在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此，不适用于高粘度介质，或易燃、易爆等危害性大的介质。,物位检测方法小结,2、电容式、超声波式液位计：用于液位或料位的检测 电容式：超声式：,本章小结,本章主要介绍了直读式物位测量仪表、浮力式物位测量仪表、静压式物位测量仪表、电容式物位测量仪表、导电式液位计、超声波式物位测量仪表、核辐射式物位测量仪表以及等几种典型物位计的工作原理、它们的优缺点以及安装使用方法。本章的难点在于有关浮力式物位测量仪表中的浮筒式物位计的知识。学习本章内容时，要注意比较，明确各种物位计的优缺点。要能够根据测量条件，选择合适的仪表，并正确安装和使用。,返本章目录,
