第6章物位测量物位检测的主要方法
常见的物位检测方法及物位计
常见的物位检测方法及物位计物位检测是指对容器、槽、管道等储存、输送物料的装置进行物位测量的技术方案。
物位检测在工业生产中具有重要的应用价值，可以用于液体、粉体、颗粒体的物位监测。
下面介绍几种常见的物位检测方法及物位计。
1.浮子式物位计：浮子式物位计是利用浮子浮沉的原理来测量液位的高低。
它的工作原理是根据浮子在浮物中的浮力变化来判断物位的高低。
当液位变化时，浮子也会随之上下浮动，通过连杆装置将浮子的位置变化转化为指示装置的运动，从而获得物位信息。
2.压力式物位计：压力式物位计利用液体的压力变化来测量物位的高低。
当液体位于容器中时，液体的重力作用会产生一定的压力，通过测量液体对容器底部的压力，从而得到物位的高度。
压力式物位计通常使用差压变送器来测量液体压力的变化。
3.毛细管测量法：毛细管测量法是利用毛细管现象来测量液体的高度。
当一根细长的管子插入液体中时，液体会上升到管子内部，管内液体的高度与液体的物位高度成正比。
通过测量管内液体的高度，可以得到物位的高低。
4.电容式物位计：电容式物位计利用液体与电介质之间的电容变化来测量物位的高低。
当液体的高度发生变化时，液体与电容传感器之间的电容也会发生变化，通过测量电容的差异，可以获得物位的高度。
5.超声波物位计：超声波物位计是利用超声波的传播速度和回波时间来测量物位的高度。
超声波发送器将超声波信号发射到液体表面，当超声波信号碰到液面时会发生反射，接收器接收到反射的超声波信号后，利用信号的传播时间来计算物位的高度。
6.雷达物位计：雷达物位计是利用雷达波的传播时间来测量物位的高度。
雷达物位计向液体表面发射雷达波信号，当雷达波信号碰到液面时会反射回来，接收器接收到反射的雷达波信号后，利用信号的传播时间来计算物位的高度。
以上是常见的几种物位检测方法及物位计。
每种方法都有其适用的场景和优缺点，选择适合的物位检测方法需要综合考虑物料的性质、储存容器的结构、工艺要求等因素。
物位测量
设动臂转角变化用 Δθ 表示，则：
K
=
Δθ Δθ max
100%
当动臂的短路环转至中舌最左端时，K=0;当动臂的短路环转至中舌的 最右端时，K=1;
由此可得：Φ01=KΦ0，Φ02=(1-K) Φ0;
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由于次级线圈感应的电压与穿过线圈的交流磁通成正比，铁心左右两
臂及两次级线圈完全对称。因此：u1=ZΦ01=KZΦ0,u2=ZΦ02=(1-K)ZΦ0;
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七、微波物位计 一定条件下，微波传播速度一定。 原理与超声波物位计相似：向被测介质发射微波，接收目标反射波，从
而测量探头到目标的距离。 与超声波物位计的差异（P168 表 3.7）
八、射线物位计 九、磁致伸缩式物位计
33
练习： 1．浮力式液位计可分为(
)浮力式液位计和(
)浮力式液位计两
大类。前者是根据(
密闭容器：差压变送器
图 3.99，3.100
工业现场常见形式：法兰式差压变送器
6
用差压变送器实现液位测量的量程迁移问题： 1 产生原因：取压口与压力检测仪表的入口不在同一水平高度，从而产生 附加静压误差。 2 对策：对压力变送器进行零点调整，使它在只受附加静压时输出为“零”， 称为“量程迁移”。 3 量程迁移实质：通过调节迁移弹簧，改变差压变送器的零点，从而改变 变送器测量范围的上、下限，而量程的大小不会改变。
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（2）浮球式液位计 浮球式液位计是一种最典型的利用恒浮力法制作的液位计。它主要由
浮球、连杆、转动轴、平衡重物和杠杆五部分组成。
适用环境: 温度、粘度较高，压力不太高的密闭容器的液位测量。
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分类： 内浮式：用于直径较大的容器液位的测量， 可用于粘稠、易结晶、易凝固的液体液位的 测量。
物位检测
第一节 物位检测的意义及主要类型
物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如 蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅 炉的安全，造成严重事故。 一、物位的基本概念 液位：容器中液体介质的高低 料位：容器中固体物质的堆积高度
界面：两种密度不同液体介质的分界面的高度
测量液位的仪表叫液位计，测量料位
零点迁移的方法是，另加＋ ( h2- h1)2g 信号，抵
消－( h2- h1)2g的影响。使：H =0 时， Δp =0
迁移前 ∆p 迁移后 ∆p
0 20 I/mA
H 0 20 H
I/mA
4
∆p
4
∆p
这种迁移改变了测量范围的上、下限，相当 于测量范围的平移，它不改变量程的大小。
这种迁移是向负方向迁移了一个固定压差值， 故称之为负迁移。
插入式法兰
平法兰
ρ
汽
ρ
ρ
液
冷
差压式物位检测例题
4、如图所示，通过双室平衡容器来测量锅炉汽包水位。已知P1＝ 3.82 MPa ,ρ汽＝19.7 kg/m3,ρ液＝800.4 kg/m3，ρ冷＝915.8 kg/m3， h1＝0.6 m ，h2=1.5 m，求差压变送器的量程及迁移量。 解：差压液位计的量程ΔP ΔP＝ h1（ρ液－ρ汽）g ＝0.6（800.4-19.7）×9.807 ＝4593.8 Pa 当液位最低时，差压液位计的正、负压室的受力为 P+＝P1+ h1ρ汽g+ h2ρ水g ＝3.82×106+0.6×19.6×9.807+ h2ρ水g＝3820115.3+ h2ρ水g P-＝P1+ h1ρ冷g+ h2ρ水g ＝3.82×106+0.6×915.8×9.807+ h2ρ水g ＝3825388.8+ h2ρ水g 于是迁移量P＝P+－P-＝-5273.5 Pa 因P+＜P-，故为负迁移。 仪表的测量范围为-5273.5～-679.7 Pa（-5273.5+4593.8）
物位的测量
七、超声波物位计
• 利用声波在空气中传播速度 不变的原理，通过检测声波 发射和反射全过程的时间间 隔可以计算出物料界面到探 头的距离，从而得到物位的 高低。 • 注意事项：
– 确保反射波能回到探头； – 防止物料对声波的吸收（如表 面泡沫漂浮）。
2.4.1.4
温度的测量
• 温度是化工过程中最普遍而重要的操作 参数。
2.4.3.2
电动执行机构——概念
2.4.3.3
气动执行机构——概念
2.4.3.4
调节机构——概念
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
调节机构——结构
2.4.4
2.4.1.3
物位的测量
• 物位：
– 液位：容器中液体表面的高低； – 料位：容器中固体的堆积高度； – 界面：两相物质的交界面。
物位计的分类
• • • • • • • 直读式物位计 浮力式物位计 压差式物位计 电磁式物位计 核辐射式物位计 超声波物位计 光电式物位计
一、直读式物位计
• 用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻 璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以 直接显示容器内液位的高低。
• 2.气压传动的缺点 气压传动的缺点
• 1)由于空气具有可压缩性,因此工作速度稳定性稍差.但采 用气液联动装置会得到较 满意的效果. • 2)因工作压力低(一般为 0.310MPa),又因结构尺寸不宜过 大,总输出力不宜大于 1 0～40kN. • 3)噪声较大,在高速排气时要加消声器. • 4)气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速 慢,因此,气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路.
物位检测工作原理和方法
物位检测工作原理和方法物位检测是指通过一定的原理和方法，准确测量和确定容器、槽、管道等储存装置中物料的高度或液位，以监控和控制物料的运输、存储和生产过程。
它在工业生产和过程控制中起到了至关重要的作用。
本文将介绍物位检测的工作原理和常用方法。
一、物位检测的工作原理物位检测的工作原理主要包括以下几种：1. 压力原理：此原理适用于液体或气体的物位检测。
通过测量容器底部或其他位置的压力变化来判断物料的高度。
当物料的高度增加时，底部的压力也会相应增加。
基于这个原理，常见的物位检测方法包括差压法、浮子法和静压法。
2. 音频原理：此原理适用于散装物料的物位检测。
通过发送超声波或雷达信号，并测量信号的反射时间来计算物料的高度。
超声波或雷达信号在物料与容器间反射，其往返时间与物料的高度成正比。
这种物位检测方法在实时性和准确性方面具有优势。
3. 电容原理：此原理适用于液体和散装物料的物位检测。
利用物料和容器之间的电容变化来测量物料的高度。
当物料的高度增加时，其与容器壁之间的电容值也会相应增加。
4. 微波原理：此原理适用于液体和散装物料的物位检测。
通过发射微波信号，测量其传播时间和相位变化，从而确定物料的高度。
微波信号在物料和容器之间传播，并被物料吸收、反射或透射。
根据信号的变化，可以准确测量物位。
二、物位检测的常用方法根据不同的工作原理，物位检测的常用方法主要有以下几种：1. 差压法：通过测量容器底部与顶部或容器内外的压力差，来确定物料的物位。
差压法适用于液体和气体的物位检测。
它的优点是测量范围广，且不受物料性质的影响。
2. 浮子法：利用浮子的上浮或下沉来判断物料的高度。
浮子通常与指示器相连，通过浮子的运动来显示物料的物位。
浮子法适用于液体的物位检测，特别是在恶劣的工作环境下，如高温、高压等。
3. 静压法：通过测量容器底部的静水压力，来判断和计算物料的高度。
静压法适用于液体的物位检测，其优点是测量范围广，且不受物料性质的影响。
东电考研大纲841、842、843、844、845、846
（1）841 自动控制原理一、考试形式与试卷结构1、试卷满分及考试时间试卷满分为150分，考试时间为180分钟2、考试方式考试方式为闭卷、笔试3、试卷的题型结构选择填空题，分析计算题，综合设计题二、考察的知识及范围第一章自动控制系统导论内容：（1）自动控制系统的一般性概念和基本工作原理；（2）反馈控制系统的基本组成、分类及对控制系统的基本要求；（3）《自动控制原理》课程研究的主要内容及其发展现状。
重点掌握：自动控制系统的一般性概念和基本工作原理；反馈控制系统的基本组成、分类及对控制系统的基本要求第二章控制系统的数学模型内容：（1）复数和复变函数的基本概念，拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换；（2）控制系统研究中几种主要数学模型：微分方程、传递函数和频率特性的内在联系；（3）典型环节的数学模型；（4）常见电气系统和一般机械系统的数学建模；（5）方块图的化简法则；（6）利用梅逊公式求取系统的传递函数。
重点掌握：传递函数的概念、结构图的建立与等效变换、梅逊公式第三章自动控制系统的时域分析内容：（1）系统阶跃响应性能指标；（2）一阶、二阶系统阶跃响应的特点及一阶、二阶系统动态性能；（3）高阶系统动态性能（4）线性系统稳定的充要条件；（5）利用劳斯判剧判别系统的稳定性；（6）稳态误差的定义；（7）稳态误差系数的求取及减小或消除系统稳态误差的方法；重点掌握：稳定性、稳态误差、系统阶跃响应的特点及动态性能与系统参数间的关系等有关概念，有关的计算方法。
第四章根轨迹法内容：（1）根轨迹的定义、幅值和相角条件；（2）根轨迹的绘制法则；（3）利用根轨迹分析系统的特性。
重点掌握：根轨迹的绘制方法，利用根轨迹分析系统的特性。
第五章线性系统的频域分析法内容：（1）频率特性的定义、求法及性质；（2）线性系统极坐标图画法；Nyquist图稳定判据的应用；（3）线性系统伯德图的画法；最小相位系统的定义及性质；（4）利用Bode图求取系统稳态误差；增益裕量和相位裕量的定义、物理意义和求取；重点掌握：正确理解频率响应、频率特性的概念及特点，明确频率特性的物理意义；熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法；熟练掌握计算稳定裕度的方法。
物位检测
四．量程迁移：
为了使变送器的 输出不受固定压 差的影响，采用 零点迁移法，进 行负迁移，迁移 量为Pg。
• 例如：已知 h1 1.0m ，
3 1 1200 kg / m3 ， 2 950kg / m，
h2 5.0m ， Lm 0 3.0m，
四．量程迁移：
液位高度变化形成的 差压值为：
一．恒浮力式液位检测： 基本原理：浮于液面上的浮 子随着液位上升或下降， 根据浮子的位置实现液位 的检测。 例如：浮球式水位控制器：
上限 水银 开关 调整箱 组件
磁钢
下限 水银 开关 非导 磁管
连杆
浮球 浮筒
二．变浮力式液位检测（浮筒式液位计）
将一质量为 m的浮筒悬挂在弹簧 上，弹簧的下端被固定，当测量 桶内无水时，浮筒的重力与弹簧 力达到平衡时，有：
2、超声波的应用 超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz之间，对钢等金属材料 的检验，常用的频率为1-5MHz。 (1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波， 在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具 有良好的方向性，可以定向发射。 (2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强) 与频率平方成正比。
主要分类
静压式物位检测
浮力式液位检测
电气式物位检测
声学式物位检理
若液位的高度位h，则液 体底部的压力为：
P B gh
p P B gh p h g
h
所以测得表压力p即可求得液位高度h。
二．压力式液位计 （开口容器的液位测量） 1．用压力表测量液位：
(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。
(4)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大， 穿透能力强。
物位检测讲义
３ 、界位指相界面位置。容器中两种互不相 溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为 液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固 体之间的分界面，为液-固相界面。液-液、 液-固相界面的位置简称界位。 －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。
２ 物位检测分类
图2.12
2.4.3电容式液位计
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。 电容式液位计的结构形式很多，有平极板 式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛， 对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格， 对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能 测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不 仅可作液位控制器。还能用于连续测量。
为了使仪表的输出能正确反映出液位的数值，也就 是使液位的零值与满量程能与变送器输出的上、下 限值相对应，必须设法抵消固定压差 (h2 一 h1)ρ2g 的作用，使得当 H ＝ 0 时，变送器的输出仍然回到 4mA ，而当 H ＝ Hmax 时，、变送器的输出能为 20mA。采用零点迁移的办法就能够达到此目的， 即调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差 (h2 一 h1)ρ2g的作用。这里迁移弹簧的作用，其实质是改 变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输出的 起始位与被测量起始点相对应，只不过零点调整量 通常较小，而零点迁移量则比较大。
P H g
式(2.1)
下面图2.2为用于测量开口容器液位高度的三种压 力式液位计。
图2.2 (a) 压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计
2.2.1差压式液位变送器 对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种 液位计外，还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2.3示出差压式液位计测量原理。
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静压法液位检测原理
实现方法
压力检测 压差检测
6.2 静压式物位检测
压力计式液位计
差压式液位计
法兰式液位计
量程迁移
产生的背景
取压口和压力检测仪表实际安装中不能处于同一高度 腐蚀性介质需用不同介质进行隔离
6.2 静压式物位检测
分类 无迁移 负迁移 正迁移
∆P = P+ − P− = ρ1gH
无迁移 负迁移 正迁移
6.1 物位检测的主要方法
物位检测的主要方法
声学式物位检测 声学式 利用超声波在介质中的传播速度及在不同界面之间 的反射特性来检测物位 射线式物位检测 射线式 射线穿过介质被吸收的程度与距离有关
6.2 静压式物位检测
检测原理
A
密闭容器
∆P = PB − PA = ρgH
H
开口容器
B
′ PB = PB − P0 = ρgH
6.6 射线式物位检测
检测原理
射线穿过一定厚度的介质时，射 线强度随介质厚度的增加而减弱
I = I0e− µ H
使用场合
可实现完全的非接触测量；
射线式物位检测原理图
适用于低温、高温、高压容器的高黏度、高腐蚀性、 易燃、易爆等特殊对象的物位检测； 射线对人体有害，选用时应慎重
将物位的变化转换为由插入电极 所构成的电容器的电容量的改变
电容式液位计原理图
使用场合
既可用于非导电液体的液位检测，也可用于固体颗粒 的液位检测
6.5 声学式物位检测
超声波物位计
检测原理
测量声波从发射至被接收到被 测界面所反射回波的时间间隔
H = 1 υt 2
超声波液位计原理图
特点
优点：使用范围广，液位、粉末、块状的物位都可测量， 且实现非接触测量 缺点：电路复杂，价格高，且检测精度与介质温度、介质 成分有关
6.3 浮力式物位检测
变浮力式物位检测
构造与原理
弹簧下端被固定，并达到平衡 液位与浮筒的位移成正比 测量位移，推算液面位置
H= C ∆x Aρ
使用场合
既可检测液位，也可检测界面
变浮力式液位计原理图
6.4 电气式物位检测
电容式物位计
构造与原理
C = C1 + C2 = 2πε 1 ( L − H ) 2πε 2 H + R R ln ln r r
物位检测的基本原理
基于力学原理
敏感元件所受到的力的大小与物位成正比
基于相对变化原理 物位变化时，物位与容器底部或顶部的距离发生变化， 通过测量距离的变化获取物位 基于某强度性物理量随物位升高而增加的原理
6.1 物位检测的主要方法
物位检测的主要方法
静压式物位检测 静压式 静止介质内某点的静压力与介质上方自由空间的压 差与该点上方的介质高度成正比 浮力式物位检测 浮力式 漂浮于液面上浮子随液面变化的位置，或部分浸没于 物质的浮力随液位变化 电气式物位检测 电气式 电极之间的电气参数（电阻、电容）随物位的变化而 变化
第6章 章
物位测量
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
物位检测的主要方法 静压式物位检测 浮力式物位检测 电气式物位检测 声学式物位检测 射线式物位检测
6.1 物位检测的主要方法
物位的定义
液位：容器中液体介质液面的高低 界面：两种液体介质分界面的高低 料位：固体块、散粒状物质的堆积高度
∆P = P+ − P− = ρ1 gH
∆P = ρ1 gH + ρ 2 gh1 − ρ 2 gh2
∆P = ρ1 gH + ρ1 gh1
6.3 浮力式物位检测
恒浮力式物位检测（浮球式水位控制器） 恒浮力式物位检测（浮球式水位控制器）
构造与原理
使用场合
开口水箱或密闭容器的水位控制仪表
浮球式水位控制器结构图