第 3 章物位检测

第3章物位检测

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

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

◆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。◆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。 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 . ◆容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。

物位测量仪表主要有下列几种类型: • 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

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。

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。

W G F 3.3.1恒浮力式液位计平衡时液面上升时 F增大 G下降例如：钢带液位计或变送器 F减小,再达到新的平衡

磁浮子式液位计——磁翻板

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。

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：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； F=W-F浮 2—芯轴； F浮=AHρg 3—扭力管； 4—杠杆 5—浮筒

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。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。

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。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。

（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：

式中FH-----液面在被校点H处时浮筒所受的浮力，N；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

测液面高度时， ρ1>> ρ2，所以上式可简化为：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。

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？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：

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：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：故此时应加的砝码量为： m1+m2-m3-m100 =1.47+0.047-0.264-0.519=0.734kg

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: 用水校验时,所加水位高度h为

变浮力法液位检测 cx +W = AHρg c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg 初态：末态：

初态：cx+W = AHρg 末态：c(x + Δx) +W = A(H + ΔH − Δx)ρg

线圈线圈铁心线圈（螺线管）铁心气隙机械量：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 δ：气隙的宽度 L：自感衔铁铁心衔铁

u x 0 ωL1 ωL1 R R R R ωL2 ωL2 差动自感衔铁上移：L1增大、L2减小 L1 衔铁下移：L2增大、L1减小 L2 x （2）、测量电路 - + + - + - u u u u - +

u22 u1 x t u2 u21 u22 u2 u21 x t 0 u u2 x 0 t （1）、工作原理 1、差动变压器（互感传感器）有效值 u21 u22 相敏整流 X=0 X>0 X<0

3.3.3磁浮子式液位计——磁浮子舌簧管液位变送器3.3.3磁浮子式液位计——磁浮子舌簧管液位变送器

pA ρ H H ρ p pB 压力表 p1 p2 差压式变送器 3.4 差压式液位变送器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。 3.4.1差压式液位变送器的测量原理差压变送器的负压室与大气“相通”，就是一般的压力表了

pA ρ H H ρ pB 压力表 p1 p2 差压变送器 3.4.2液位测量的零点迁移问题无迁移当差压变送器的正压室（或压力表进压口）与被侧液位的零位在一个水平线上时即：

冷凝罐 H ρ 蒸汽 pv 水 p h H0 压力表 ρ 差压变送器 H 水 p1 p2 正迁移当H=0时即：负迁移当H=0时, 有一个很大的固定负压即：目前差压变送器的迁移量,可达量程的5～6倍。

3.4.3法兰式压差变送器 双法兰式单法兰式

双法兰式压差变送器现场安装

不锈钢棒 聚四氟乙烯套管 D d 容器 L 被测导电液体 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 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，金属容器外壳是另一个电极。当被测液体的高度H=0时即电容器内实际液位低于h（非测量区）时，传感器的电容（不锈钢棒与金属容器外壳之间的分布电容）为C0。

不锈钢棒 聚四氟乙烯套管 D d L H h D0 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 通常，D0>>D，因此只要测得电容量，就可求得液体的高度

D d ε 0 L H ——被测液体的介电常数 ——空气的介电常数 3.5.2不导电液体的液位测量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。 ε 适合测量电导率小于10-2S/m的液体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，传感器的电容CH为当测量液位为H=0时，两个电极之间介质是空气，这时传感器的初始电容C0为

3.6 超声波物位传感器

脉冲回波式超声波测量液位

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：为入射角，和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。

当声波垂直入射时（ ），其反射率为：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：

t 容器液体 H 探头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 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

探头探头 H H H 探头 (a) (b) (c) 收发收发 H H d S H 发收 2a (e) (f) (d)

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 测量方法

带有声速校正杆的超声波液位计

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。

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；

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。

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 。

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。

1.计数法测时

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。

第 3 章 物位检测