物位测量及仪表

(c)固介式
由上图看出，超声波传播距离为L，波的 传播速度为C，传播时间为Δt ，则： 1 L C t 2
L是与液位有关的量，故测出L便可知 液位， L的测量一般是用接收到的信号触发门 电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。
测量原理
声波遇到两相界面时会 发生反射
测量方法 （1）基本测量方法
高出最高 液位
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2. 转换部分
K 100% max
Φ01=KΦ0 Φ02 =（1-K）Φ0
作用：将Δθ→Δu→ I0
K —比例系数，K=0～100%
短路环转至中舌最左端时，K=0；最右端时，K=100%。
u u1 u2
( 2 K 1) Z0
Z —磁通-电压转换系数。
Δu与K成正比，则Δu与Δθ成正比。
物位测量及仪表
物位测量： 液位—气体和液体间的分界面。 界位—两种不同液体间的接触面；液体与固体间的 接触面。 料位—气体与固体颗粒或粉末的分界面。
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1、液位检测方法
液位检测总体上可分为直接检测和间接检测 两种方法。 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法， 它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有 标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。 间接测量，是将液位信号转化为其它相关信 号进行测量，如压力法、浮力法、电学法等。
当H为零时，差压输 出为零。
差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准 信号输出。
负迁移
形成原因：加隔离罐或采 用法兰式测压差。
正压室：
P P0 1 gH 2 gh1
负压室：
P P0 2 gh2
差压：
P P P 1gH 2 g (h2 h1 ) 1gH B
电接点式水位传感器的结构
电接点水位计 1－汽包 2－测量筒 3－下接管 4－电接点
• 电接点15,17,19个，正常水位附近 要安装密一些。
共有3竖行 夹角120°
显示仪表： 氖气显示仪表
并联分 流电阻 限流电 阻
显示电路
特点：
• 但指示不连续，两电极间的距离就是仪表 的不灵敏区。 • 接点之间在高度上的间距不是均匀的，在 正常水位附近要密一些。
差动变压器 返回
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（三）轴封膜片式结构
1. 位移检测放大器 作用：将衔铁微小位移 S 转换成直流电流 I0。
2．电磁反馈机构
作用：I0→Ff
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3. 工作原理 力矩平衡(力平衡) ↓ Fx =W-F
I0 K tan H W
Fx ↓
K—变送器结构常数。
改变W或矢量角θ 可改变量程。
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被测液位的变化引 起内筒位置的变化， 该变化被传递到扭力 管组件上，使扭力管 与芯轴同步转动。同 时固定在扭力管芯轴 上的磁铁发生旋转位 移，改变了由霍尔效 应传感器检测的磁场。 该传感器将磁场信号 转换为电信号。
变浮力法液位测量——浮筒液位计
测量原理
液位变化扭力矩变化扭转角变化角位移传感器电信号
W—浮球的重力； G—重锤的重力； OA—转轴到浮球中心垂直距离； OB—转轴到重锤中心垂直距离。
内浮球液位计
H ↑→ F ↑→ (W-F) ↓→ 杠杆顺时针转动→F ↓ 2. 特点 （1）量程小，受连杆长度和角度限制； （2）精度低，最高0.5级左右； （3）适用于温度、粘度较高，压力不 高的液位测量。
1.1直接测量法
直接测量是一种最为简单、直观的测量方 法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体 引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位 高度。下图所示的是玻璃管液位计。
玻璃管液位计
电接点水位计的水位传感器原理
原理：带若干电接点的连通容器，因汽、水导电性能差
别，被水淹没的电接点所在电路处于低电阻(相当于开 关闭合)，因此被水接通的电接点位置可表示水位。 电接点导通的显示方法：灯泡闪亮，带放大器的发光二 极管等。 测量筒和汽包相连，据连通器力平衡原理从汽包内 取出测量水柱。传感器是水柱中组成测量标尺的系列电 极，将水柱分成若干区间。电极在水中对应点呈绿色， 在汽中对应点呈红色，红绿灯光柱界面显示水位。
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1.3.3磁浮子液位计
磁性浮子、浮球式液位计主 要由本体部分、就地指示器、远 传变送器以及上、下限液位报警 器等几部分组成。磁性浮子式液 位计通过与工艺容器相连的筒体 内浮子随液面（或界面）的上下 移动，由浮子内的磁钢利用磁耦 合原理驱动磁性翻板指示器，用 红蓝两色（液红气蓝）明显直观 地指示出工艺容器内的液位或界 位。
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，压缩位移为 x0，被测液体密度为 入液体高度为H ，浮筒没
起始位置弹性力与重力、浮力相平衡，有：
弹性力
重力
浮力
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。
1.2 压力法液位
压力法依据液体重量所产生的压力进行测 量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位 高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即 可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度H与液体静压 力P之间有如下关系：
P H g
下图为用于测量开口容器液位高度的三种 压力式液位计。
(a) 压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计
因此，在容器底部或顶部安装超声 波发射器和接收器，发射出的超声波在 相界面被反射。并由接收器接收，测出 超声波从发射到接收的时间差，便可测 出液位高低。
工作原理
所谓超声波一般是指频率高于 可听频率极限(20kHz以上频段)的弹 性振动，这种振动以波动的形式在 介质中的传播过程就形成超声波。
超声波在穿过不同介质的分界面时
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。
2h t v
t h h0 t0
1.7导波雷达液位计
导波雷达液（界）位变送器运用了 TDR （时域反射原理）技术，发射的电磁波脉冲沿 着杆或缆传送当遇到比先前传导介质（空气或 蒸发汽）介电常数大的介质表面时，脉冲波被 反射回来。用超高速计来计算脉冲波的传导时 间，从而达到精确的液位测量。
会产生反射，根据超声波从发射至 接收到反射回波的时间间隔与物位 高度之间的关系，就可以进行物位 的测量。
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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；
按探头的工作方式可分为自发自收的 单探头方式和收发分开的双探头方式。 相互组合可以得到六种液位计的方案。
(a)气介式
(b) 液介式 单探头超声波液位计
正压室： 正迁移
P h1 g H1g p0
负压室：
P p0
压差： 当H=0时，差压输出并不为 零，其值为 其迁移量为正值，所以称为正迁移。 综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改 变量程的上下限，而量程范围不变。
P P P h1 g H 1g C h1 g
法兰式压力（差压）变送器
量程迁移
无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表 在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。
处理方法 对压力变送器进行零点 调整，使在只受附加静 压力时输出为“零”。 量程迁移 无迁移 h 量程 迁移 负迁移
H
正迁移
无迁移
保证正压室与零液位等高
P 1 gH
对于密闭容器中的液位测量，可用差压法 进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气 压及气压波动对示值的影响，下图示出差压式 液位计测量原理。
对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质 引压导管易被腐蚀或堵塞，影响 测量精度，应用法兰式压力（差 压）变送器。
敏感元件为金属膜盒，它直接与 被测介质接触，省去引压导管， 从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。 膜盒经毛细管与变送器的测量室 相通，它们所组成的密闭系统内 充以硅油，作为传压介质。为了 毛细管经久耐用，其外部均套有 金属蛇皮保护管。
测量盲区 约1m 气介声速
单探头气介式
测量方法
（２）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℃ = 331 m/s；V100 ℃= 387 m/s
带温度探头的超声波液位计
带有声速校正杆的超声波液位计
t0
t h0 h
2h0 t0 v
（四）特点 1. 量程由浮筒长度决定。 国产：300、500、800、1200、1600、2000mm 2. 只能用于测量轻、净介质。 3. 当被测介质密度变化时，必须进行密度修正。 4. 精度0.5～1.0级，可测液位、界位。
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1.6 超声波法 超声波液位计利用波在介质中的传播 特性。
磁浮子式液位计——磁翻板 小 磁 针 白 色 S 罐外
红 色 轻、薄
N
水 平 轴
10ｍｍ
N NS N N
径向充磁
翻板式液位计工作原理动画演示
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1.3.4 浮筒式液位计
浮筒式液位计属于变 浮力液位计，当被测液面 位置变化时，浮筒浸没体 积变化，所受浮力也变化， 通过测量浮力变化确定出 液位的变化量。 图中： 1-浮筒；2-弹簧； 3-差动变送器 。
当H=0时，差压的输出并不为零，而是-B。为使H=0时， 差变的输出为4mA，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。 由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。
量程迁移实例
kg / m • 例如：已知 1 1200
3
2 950kg / m3
Lm 0 3.0m
h1 1.0m
h2 5.0m
1.3 浮力法
• 浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。 恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液 面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。 变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也 称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位 。
1.3.1 钢带浮子式液位计
右图为直读式钢 带浮子式液位计，这 是一种最简单的液位 计，一般只能就地显 示。
1.3.2浮球液位计
电动浮球液位变送器的测量部分由浮球与平衡杆和平衡锤组成力矩平 衡机构，因此浮球可以自由地随液位的变化而升降。当液位改变时，浮球 的位置发生相应的变化，通过球杆带动主轴转动，表头内角位移传感器与 主轴通过齿轮啮合，将液位的变化转换成相应的电信号
浮球液位计
浮球式液位计
1. 工作原理 （W F ) OA G OB
电动浮筒液位计
杠杆的末端吊有内筒，浮筒随介质的浮力F1变化而 升降，这个浮力作用在杠杆1上，使杠杆系统以轴封膜 片为支点而产生微小偏转（轴封膜片一方面作为杠杆的 支点，另一方面起密封作用）。带动杠杆2转动 ，传感 器将偏移量经信号处理及转换电路转换成4～20mA标准 信号输出，即完成变换过程。
智能浮筒液位（界位）变送器
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• 液位高度变化形成的差压值为：
1 gH 1200 9.8 3 35280 Pa
• 所以可选择差压变送器量程为 40kPa
B (h2 h1 ) 2 g (5 1) 950 9.8 37240 Pa
• 所以负迁 移量为 37.240kPa ， 即将差压变 送器的零点调为 37.240kPa。迁移后差变的测量范围为-37.24~2.76kPa。
液位高度变化H 假设 弹簧变形变化x（即浮筒位移变化） 达到新的力平衡时则有以下关系：
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。
H x H H H x H H
扭力管式结构 1.测量元件
作用：ΔH →Δθ
测量部分
H=0时：杠杆作用力为 Ｆ x =Ｗ 扭力管产生扭角△θmax(约7°)。 H = Hmax时：杠杆作用力为
Fx ↓
Fx W AH max g
A —浮筒截面积； ρ —被测液体密度。
扭力管产生最小扭角为△θmin (约2°)。 H↑→ 浮力↑→ Fx↓→扭角Δθ↓