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1、第四章 物位检测仪表,物位，料位、液位和分界面的统称。通过对物位的测量，不但可确定容器内贮料的数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算，亦可保证生产过程在安全和合理状态下顺利进行。由于被测物料的性质千差万别，物位测量方法很多，本章主要介绍工厂中常用的物位检测仪表的原理与应用。,第一节 浮力式液位计第二节 差压式液位计第三节 电容式物位计第四节 电导物位传感器第五节 音叉物位计第六节 微波物位计第七节 核辐射物位检测第八节 磁致伸缩液位计第九节 超声波液位计,第一节浮力式液位计,浮力式液位计是基于物体在液体中受浮力作用的原理工作的。浮子漂浮在液面上或半浸在液体中随液面上下波动而升降，浮子所在处就
2、是液体的液位。前者是浮子法，后者是浮力法，是应用最广的液位计。,一、浮子式液位计,浮子式液位计是一种维持力不变的即恒浮力式液位计。它是在液体中放置一个浮子，也称浮标，可随液面变化而自由浮动。浮子随液面的升降，通过绳索和滑轮带动指针，便指示出液位数值。如果把滑轮的转角和绳索的位移，经过机械传动后转化为电阻或电感等变化，就可以进行液位的远传、指示记录液位值。,浮力式液位计 1-浮子；2-磁铁；3-铁心；4-导轮；5-非导磁管；6-浮球；7-连杆；8-转动轴；9-重锤；10-杠杆,(a)浮子式(敞口容器),(b)浮子式(密闭容器),(c)浮球式,二、磁翻转浮标液位计,为克服玻璃管浮标液位计易碎问题，
3、在浮标上设置永久磁铁，安装在非导磁不锈钢导筒内，它随导筒内的液位升降，借助于磁耦合作用，使导管外翻转箱内的红白相间的翻板或翻球依次翻转。有液体的位置红色朝外，无液体的位置白色朝外，因此红色就是液位所在，液位高度由标尺显示。,三、浮筒式液位计,浮子改成浮筒，将它半浸于液体之中，当液面变化时，浮筒被液体浸没的体积随着变化而受到不同的浮力，通过测量浮力的变化可以测量液位。,1-浮筒，2-杠杆，3-扭力管，4-芯轴，5-推杆，6-霍尔位移转换器,第二节差压式液位计,测量原理：利用容器内液位变化时，由液柱高度产生的静压也相应变化的原理工作的，用差压计测得的差压与液位高度成正比，常用来测量敞口容器和密封容
4、器的液位。使用注意事项：习惯上应使变送器输出信号与液位相对应(如液位范围0-H，则差变输出的Imin正好对应0液位，而Imax对应H)，使用时可能需对差压变送器进行零点迁移。,一、敞口容器的液位检测,如图所示，差压变送器两端差压P为：P=(h+h1+h2)g=hg+Z0(Z00)显然可由差压信号得到液位。但为使变送器输出信号(这里是4-20mA)正好对应液位(0-H)，要进行零点正迁移()。,压阻式固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,特性曲线平移而曲线斜率不变称为零点迁移。分为零点正迁移（Z00）、零点负迁移（Z00）两种类型。其实质是改变上下限，而不改变量程的大小。,a无迁移 b负迁
5、移 c正迁移,二、密闭容器的液位检测,测量密闭容器中的液泣，差压变压器的正压室仍与容器的下部取压点相连，低压室则与容器的密闭空间相连通。,(a)差压变送器的安装；(b)零点负迁移示意图,三、特殊介质液体液位测量,某些特殊液体，如腐蚀性、含固体颗粒、易结晶、易沉淀或粘度大等液体的液位测量，不能采用普通差压变送器而只能采用法兰式差压变送器【因为容易造成堵塞或差变损坏】。法兰测头是一不锈钢膜盒，膜盒内充以硅油，用毛细管引到差压变送器的测量室。,法兰式差变测量液位1-平法兰接头，2-毛细管，3-差变，4-插入法兰接头,第三节 电容式物位计,一、检测原理 圆筒形电容器的电容量C为：C=2L/ln(D/d
6、)=kL 可见当将电容传感器插入被测介质中，电极浸入介质中的深度随物位高低而变化，电极间介质的升降，必然改变两极板间的电容量，从而可以测出物位。,圆筒形电容器1-内电极；2-外电极,二、电容物位传感器,(一)导电液体电容传感器水、酸、碱、盐及各种水溶液等导电液体电容液位传感器一般用直径为d的不锈钢或紫铜棒做电极，外套聚四氟乙烯塑料绝缘管或涂以搪瓷绝缘，如图。电容传感器插在直径为D0容器内的液体中，通过检测传感器电容变化量即可知液位的高低。,导电液体液位测量1-内电极；2-绝缘套管；3-容器,由图可知当液位由零变化到H时，电容传感器的电容变化量CX为,式中，为绝缘套管或陶瓷涂层的介电系数；0为绝
7、缘套管和空气共同组成电容的等效介电系数；S为传感器灵敏度系数。,(二)非导体液体电容传感器,非导电液体，不要求电极表面绝缘，可以用裸电极作内电极，外套以开有液体流通孔的金属外电极，通过绝缘环装配成电容传感器。,1-内电极；2-外电极；3-绝缘环,(三)粉粒状物料电容传感器,在测量粉粒状非导电介质如矿石、合金、石灰、干燥水泥、粮食等的料位，是长期困扰的难题，至今还没有一个准确可靠的测量方法。,电容式料位计原理a)金属料仓；(b)水泥料仓1-内电极;2-金属容器壁电极;3-钢丝绳内电极;4-钢筋;5-绝缘体,三、射频导纳电容物位计,射频导纳电容物位计是上世纪90年代发展起来的，是电容物位计的换代产
8、品，它是由检测与变送两部分组成，检测部分由探头作为电容器的一极，容器壁(或辅助电极)构成电容传感器。它的电路和传感器独特，克服了一般电容传感器单纯测量电容所引起的误差。几乎可测量生产过程中所有介质的物位或液位，不受温度、湿度、流体粘度与密度变化的影响。,第四节电导物位传感器,一、电接点液位传感器最简单的位式传感器，是在容器上方垂直伸入适当长度的导体电极。若容器本身导电，则电极A与器壁C构成的电路，其通断与否取决于液位高低；若容器是绝缘的，则用电极 B代替C。,(a)位式(b)套筒连续式(c)电阻(左)或氖泡(右)分段式,二、超导液位计,超导液位计利用低温下某些金属的超导现象来测量。图中1为钽丝
9、，2为锰铜丝，锰铜丝通以电流。浸在液氦中的钽丝处于超导状态，其电阻为零，但在液面以上的部分仍有电阻。电压表V和电流表A连续测出电压和电流，两者的读数相除即为电阻值，经标定后可以液位值表示。,1-钽丝;2-锰铜丝,三、电感式液位传感器,(一)电涡流液位开关 平面螺旋纹线圈(盘香形)通以交流电。当导电液体表面接近线圈时，液体出现涡流，将使线圈的电感量改变。在线圈两端并联一个电容，并联回路的谐振频率，会因液面向盘形线圈接近或离开而发生明显变化。利用这一原理可构成电涡流液位开关，结构简单，应用方便，但不适合连续液位检测。,(二)电感式液位计,交流电流通过线圈时，线圈具有一定的感抗，容器内无导电液体时感
10、抗最大。当液位升高时涡流加大，相当于变压器副边接近短路，这时原边感抗就越来越小，原边电流就会逐渐加大。只需在线圈上通以频率恒定的交流电压，便可根据电流的大小测定液位。,连通管1将被测导电液体引至容器 2内，在容器中央有口字形铁心3 穿过，铁心另一端上绕有线圈 4。,四、阻力式料位传感器,(一)重锤探测法 在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢缆，重锤下降探测。当探测到料面时，钢缆受到的重力突然减小，力传感器发出脉冲。此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向将重锤提升，同时开始脉冲计数。待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数，根据
11、计数脉冲计算得出料位。开始探测的触发信号由定时电路周期性地供给，也可以人为地随时启动。,(二)旋转叶片或推板法,在容器壁的某一高度处装一个小功率电动机，其末端带有旋转叶片，在适当部位伸入容器内。叶片不接触物料时，处于空载旋转状态下，电动机的电流很小，当液位上升到与叶片接触时，叶片转动阻力增大，甚至停止转动，电动机的电流显著加大，使继电器的接点动作，发出料位报警或位式控制信号。如果电机轴经过曲柄或连杆机构变为往复运动，则可带动活塞或平板在容器中或前或后的推拉动作，即成推板法。当然不一定都要靠电机电流的大小使继电器接点动作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时改变电接点的通断
12、状态。,第五节 音叉物位计,音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，当外加交变力的频率与其固有频率一致，叉体产生共振状态。当粉、粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振。音叉物位计就是根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，此法不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。,第六节微波物位计,微波物位计也称雷达物位计。利用回波测距原理，由喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射，并被天线所接收。发射波与接收波的时间差与物料面与天线的距离成正比，测出传播时间
13、即可得知距离。由于微波以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度，压力，蒸汽等场合，其它物位计不能正常工作，而微波物位计可以使用。,一、脉冲微波物位计,雷达天线面对物料发射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脉冲雷达天线接收。那么距离物料表面的距离D可通过脉冲的时间行程T来测得：D=cT/2(c是光速)因空罐的距离E已知，则物位L为：L=E-D,检测原理,微波发射天线,二、调频微波物位计,调频微波物位计天线发射的微波是调频连续波【FMCW(Frequency Modulated Contin-uous Wave)，频率随一定时间间隔(即扫描频率)线性增加】。当回波被天线接收到时，天线发射频
14、率已经改变。根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。,三、导波式微波物位计,导波式微波物位测量采用时域反射法(TDR，Time Domain Reflectometry)，通常称导波雷达，采用脉冲波方式工作。与微波物位计不同点在于雷达发射的高频脉冲不是通过空间传播，而是沿一根(或两根)从罐顶伸入直达罐底的导波体传导。导波体可以是金属杆或柔性金属缆绳。,第七节 核辐射物位检测,一、检测原理 核辐射强度随穿透物质厚度H而变的规律为I=I0e-H(朗伯-比尔定律)式中，I、I0 射线透过介质后与射入介质前的强度；介质对射线的吸收系数。当放射源强度、被测介质一定时，则介质厚度H与射线强度I的关
15、系为:H=(lnI0-lnI)/上式表明，测出透过介质后的射线强度，便可求出被测介质的厚度H。,放射性物位计原理框图,放射性物位计主要由放射源、接收器和显示仪表组成：,二、物位检测方法,放射性物位计检测物位的方法，一般为有定点检测和自动跟踪等方式。根据被测对象的实际需要，放射源可有多种安装方式，以适应不同的物位检测和控制的要求。(一)定点放射源检测法 点状放射源与接收器固定在设备的一定位置上。,1-放射源2-接收器,(二)跟踪检测法,跟踪式放射性物位计既保持了定点检测方式的优点，又可实现连续测量，并且量程可以很宽，但仪表的结构较复杂。,跟踪式放射性物位计原理图1-放射源，2-接收器，3-导轨，
16、4-放大器，5-执行器，6，7-自整角机发送接收器，8-显示仪表，9-远传指示仪表,第八节 磁致伸缩液位计,磁致伸缩液位计主要由电子头、探测杆、浮子三部分组成。探测杆由3条同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成，以提供保护作用；中间圆管可根据要求装配一个或多个测温传感器；最中心的是波导管，其内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝；在液位仪探测杆外配有内含磁铁随液位变化的浮子。,工作原理,工作时，电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号(亦称询问脉冲，初始脉冲)，此电脉冲同时伴随一个环形磁场，以光速沿波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成
17、一个螺旋形的磁场。导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波(或称返回脉冲)。返回脉冲以固定音速(2830m/s，几乎不受温度、冲击、污染等环境因素的影响)沿波导丝传回，通过测量询问脉冲与返回脉冲的时间差可以精确地算出磁铁(浮子)的位置，从而确定被测液位。,结构原理与工作波形图,磁致伸缩液位计结构精巧，安装简单方便，环境适应性强，不需定期重标和维护，具有精度高、稳定性好、使用寿命长、安全可靠等优点。,第九节 超声波液位计,超声波液位计是利用回声测距原理工作的，与前述雷达物位计有许多相似之处。根据超声波传播介质的不同，超声波液位计分为液介式、气介式和固介式三种。,(a)液介式(b)气介式(c)固介式1-换能器；2-容器；3-金属波导棒,超声波物位计特点,超声波物位计是不接触测量法，避免了被测介质的种种干扰和影响，适用于有毒、腐蚀性强、粘度高等介质的液位测量或报警。超声物位计的缺点是声速受介质的温度和压力的影响，介质的翻腾、气泡和浪涌也会使声波乱反射而产生测量误差，使其应用受到限制。,
