物位测量及仪表
化工仪表及自动化答案--9---物位检测及仪表
三、电容式物位传感器
1.测量原理★ 2.液位的测量★ 3.料位的测量
1.测量原理
【引】电容式物位传感器是利用圆筒形电容器的电容值随物位 变化而变化的原理而工作的。
1.测量原理：在电容器的极板之间充以不同的介质时，由于 介电系数的不同，电容量的大小也会不同。测出电容量的 变化即可检测物位的高低。 H→△C
⇒ 此时，仪表的输出I0不能正确反映出液位的数值H。
⇒ 需要对差压变送器进行零点迁移，使得：
H = 0时，差压变送器输出I0 = 4mA； H = Hmax时，差压变送器输出I0 = 20mA。 即使液位的零值和满量程能与变送器输出的上下限相对应。
2.零点迁移问题
（3）差压变送器零点迁移的方法：可调节变送器上的迁移 弹簧，使得当液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号Δ p≠0，但变送器的输出为最小值（对DDZ Ⅲ型，即 I0=4mA）。 H=0时， 尽管Δp≠0，但仍使I0=4mA
习题
Ex50.思考：
若 H = 2 m， 被 测 液 体 的 密 度 ρ min = 1.0 × 10 3 kg / m 3 , ρ max = 1 .5 × 1 0 3 kg / m 3。 求 差 压 变 送 器 的 差 压 变 化 范 围 。 （ g取 9.8N/kg）
解 ： ∆p min =Hgρ min = 2 × 9.8 × 1.0 × 103 N/m 2 = 19600 Pa ∆p max =Hgρ max = 2 × 9.8 ×1.5 ×103 N/m 2 = 29400 Pa
⇒ 范 围 ：19600 P a ~ 29400 P a。
（6）声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、 声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化即可测 出物位。
物位检测仪表
内容
概述 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电容式物位仪表 辐射式物位仪表 超声波物位计
1 概述
几个概念
在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 测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计 测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计 在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要 测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表 称为物位开关
理 声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波
反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原 理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。 光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作 ……
2 差压式液位计 基本工作原理 Δ P=ρ gH
零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin（如4mA）
Δ P=ρ 1gH Δ P=ρ 1gH -ρ 2g（h2-h1）Δ P=ρ 1gH +ρ 1gh1
无迁移
负迁移
正迁移
迁移量：-ρ 2g（h2-h1） 迁移量：ρ 1gh1
3 浮筒式液位计
输出指示器
弹簧 磁钢
室
浮 筒
F浮 F弹
浮 筒
G
内置式 静井
外置式
基本工作原理 主要由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和输出指示器
6 超声波物位计
利用声波在介质中传播速度 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）。
当电容器的几何尺寸和介电常数保持不变时，电容变化量就与物位高度H成正比。
物位测量仪表简要概述
物 位 测 量物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。
液体介质液面的高低称为液位；液体——液体或液体——固体的分界面成为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。
液位、界位及料位的测量统称为物位测量。
物位测量的目的在于正确的测知容器或设备中储藏物质的容量或质量。
第一章 浮力式液位计第一节 测量原理浮力式液位计是应用浮力原理测量液位的。
它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化；或利用浮子浮力随液位浸没高度而变化。
前者称为恒浮力法，后者称为变浮力法。
1、 恒浮力法液位测量H F∆∆=ρg A （2-1-2）式中ΔH ——浮子高度的变化量；ΔF ——浮力变化量；ρ——被测液体密度；g ——重力加速度；A ——浮子的截面积。
2、 变浮力法液位测量Cx=W-AH ρg （2-1-3）Δx=gA c g A ρρ+ΔH=K ΔH （2-1-5）式中H——浮筒被液体浸没的高度；ΔH——液位的变化量；c——弹簧刚度；x——弹簧压缩位移；Δx——浮筒产生的位移；ρ——被测液体密度；g——重力加速度；A——浮子的截面积。
变浮力法液位测量是通过检测元件把液位的变化转换为力的变化，然后再将力的变化转化为机械位移，并通过转换将机械位移转换为标准信号，以便远传和显示。
第二节恒浮力式液位1、浮球式液位计浮球式液位计平衡关系式为（W-F）l1=Gl2（2-1-6）式中W——浮球的重力；F——浮球所受的浮力；G——平衡重物的重力；l1———转动轴到浮球的垂直距离；l2———转动轴到重物中心的垂直距离；2、磁翻转式液位计磁翻转式液位计在与容器连同的非导磁管内，带有磁铁的浮子随管内液位的升降，利用磁性的吸引，使得带有磁铁的红白两面的翻板产生翻转。
有液体的位置红色朝外，无液体的位置白色朝外，根据红色指示的高度可以读得液位的具体数值。
3、浮子钢带式液位计浮子钢带式液位计整个系统采用了力平衡原理。
当浮子浸没在液体中某一个高度时，液体对浮子产生的浮力为F，若浮子本身的重力为W，恒力弹簧对浮子的拉力为T，整个系统平衡时应满足T=W-F （2-1-7）如果液位升高，则在瞬间会使浮力F增加，恒力弹簧会通过钢带将浮子向上拉升，钢带上的小孔和钉轮上的钉状齿啮合，从而刚带的线位移变为钉轮的角位移。
物位仪表相关定义
一、什么是物位测量？测量两相物料的分界面的位置，叫物位测量（例如测量气相液相间分界面称液体测量），完成这种测量任务的仪表叫做物位计。
二、什么是物位变送器?把物位传感器输出物位信号转换成适合单元组合仪表要求的电信号（例如4～20mA或1~5V)装置，叫物位变送器。
国家标准是这样定义“变送器"的：使输出为规定标准信号的装置称变送器。
三、什么是液位计？测量容器中液体界面（液—气，液—液）高度的测量仪表。
四、什么叫电容式物位计？利用两电极间电容量随被测介质物位高低变化而变化的原理构成的物位测量仪表，叫电容式物位计。
五、什么是传感器?传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。
如果传感器进一步对此输出信号进行处理，转换成标准统一信号（例如：4—20mA或1-5V;0—10mA或0—5V等）时，此时的传感器一般称为变送器。
国家标准是这样定义“传感器"的：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置.通常由敏感元件和转换元件组成。
六、什么是电容式传感器？电容式传感器是将被测物理量变化转换为电容量变化的一种传感器.七、什么叫测量？通过一定的实验方法，求出某个量大小的过程.八、什么叫电导率？电阻率的倒数叫电导率，它的单位是:米/欧姆.平方毫米九、环境温度的变化，对“哲士”仪表有什么影响?电子元件，即使品质很好的元件,在环境温度变化时，它的参数都会有变化，绝对不变是没有的,这就是我们常说的“温度漂移",所以由电子元件组成的仪表的工作状态也一定会受环境温度影响，关键在于人们有多大智慧，掌握多少手段去减少和补偿这种变化,使其限制在可以接受的水平，所以环境温度变化对哲士仪表是有影响,但无碍：连续测量的品种不会因温度变化而丧失精度，物位开关类不会因温度变化而误动作。
但高寒地区使用,换季时最好重新标定一次。
十、为什么哲士仪表在标定、投运前要上电预热30—40分钟?这是一个十分重要的程序！由于仪表刚上电时,电路参数并未稳定，尤其温度参数，上电预热一段时间后，电路元件的温度会从刚上电时的环境温度变成了处于动态平衡状态下的工作温度，就稳定了，就可标定或投运了.十一、探极外套装的聚丙烯、氟塑料管用于食品医药行业是否可以?可以！其实聚丙烯管就是食用自来水管.十二、选用“哲士"物位仪表时要考虑哪些因素?（1）是物位连续测量还是物位高度报警；（2）是检测液态物料还是固态物料；（3）介质温度、压力；（4）物料是否有腐蚀性;(5）用什么电源?是AC220V还是DC24V(6)是否有防爆要求?级别如何?（7）现场是否有剧烈机械振动?.。
常见自控仪表的安装使用要求
常见自控仪表的安装使用要求一、物位测量仪表物位测量仪表一般安排如下：1、物位测量仪表的仪表连接头（管嘴）位置应避开进入设各物流的冲击。
2、仪表的观测面应朝向操作通道，周围不应有妨碍维修仪表的物件。
物位测量仪表宜安装在平台一端，或加宽平台。
3、物位测量仪表的仪表连接头（管嘴）如在设备的底部，应伸入设备Ioomm。
4、测量界位时，物位测量仪表的上部仪表连接头（管嘴）必须位于液相层内。
5、数个液位计组合使用时，宜采用连通管安装型式。
玻璃板（管）液位计的安装要求如下：1、用玻璃板（管）液位计和浮球（浮筒）液位计测量同一液时，玻璃板（管）液位计的测量范围应包括浮球（浮筒）液位计的测量范围。
2、数个液位计组合使用时，相邻的两个液位计在垂直方向应重迭15（Γ250mm,其水平间距宜为200mm o3、数个液位计组合使用时，宜采用外接连通管安装，连通管两端应装切断阀，玻璃板（管）液位计装在此管上，可不另装切断阀。
外浮筒液位计的安装要求如下：1、液位计两端应装切断阀。
2、液位计测量范围的中间位置。
3、顶底式法兰式液位计，上下仪表连接头（管嘴）的间距应至少比测量范围多500mmo内浮筒液位计的安装要求如下:1、正常液位应在浮筒的中间位置。
2、液位波动较大时，应加防波管。
内浮球液位计的安装要求如下：1、液位计安装法兰的水平中心线应与正常液位一致。
2、在浮球活动范围内不应有障碍物，在物流冲击较大的场合应加防冲板。
磁致伸缩式液位计的安装要求如下：1、磁致伸缩式液位计宜安装于容器顶部或容器侧面引出的连通管顶部。
2、安装于拱顶罐或球罐顶部的磁致伸缩液位计宜采用法兰安装方式，法兰式仪表连接头（管嘴）的内径应大于浮子直径。
3、当安装于容器外的连通管上时，连通管内径应大于浮子外径，连通管应采用非导磁材料（如不锈钢、铝或合金）制作。
超声波及微波（雷达）液（料）位计的安装要求如下：1、测量液位的场合，宜垂直向下检测安装。
2、测量料位的场合，超声波或微波的波束宜指向料仓底部的出料口。
常见物位检测仪表PPT
刘玉长
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
CX
CH
C0
2π H
ln(D / d )
2π0 (L H ) 2π0L
ln(D0 / d ) ln(D0 / d )
2π( 0 ) H
ln(D / d )
2π H SH
ln(D / d )
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
刘玉长
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。
刘玉长
Байду номын сангаас
四 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
刘玉长 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。
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 刘室玉。长
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
二 电容式物位计
一、检测原理
圆筒形电容器的电容量 C为：
C=2πεL/ln(D/d)=kL
辽宁石油化工大学化工自动化及仪表第8章 物位检测及仪表
（8-9）
图8-8浮子重锤液位计
1-浮子；2-滑轮；3-平衡重锤
由于液体的黏性及传动系统存在摩擦等阻力，液位变化只有 达到一定值时浮子才能动作。按式(8-9)，若ΔF等于系统的 摩擦力，则式(8-9)给出了液位计的不灵敏区，此时的ΔF为 浮子开始移动时的浮力。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。
图8-9 电容器的组成
1—内电极；2—外电极
液位的检测
当圆筒形电极的一部分被物料浸没时，极板间存在的两种介质 的介电常数将引起电容量的变化。设原有中间介质的介电常数 为ε1，被测物料的介电常数为ε2，电极被浸没深度为H，如图810（b）所示，则电容变化为：
2 2 H 21 ( L H ) C ln(D / d ) ln(D / d ) （8-11）
（5） 电气式物位检测仪表 将电气式物位敏感元 件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如 电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变 化可知物位。 （6） 其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤 式仪表等。
8.2 常用物位检测仪表
静压式物位检测仪表 浮力式物位检测仪表
其他物位检测仪表
L2 Ki M 0
K A1 L1 A AM
L2
式中
Ki
则电容量的变化ΔC为：
C C C0 2 ( 2 1 ) H KH ln(D / d )
(8-12)
测量电容变化量即可得知物位。
(a) (b) 图8-10 电容式物位计的测量原理图
料位的检测
用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间 磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的 两极来测量非导电固体料位。 图8-12所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。 电容量变化与料位升降的关系为 CX 2 0 H
物位检测仪表自动化仪表知识介绍
随着市场的不断发展，越来越多的企业将进入物位检测仪表和自动 化仪表领域，市场竞争将越来越激烈。
品牌影响力成为竞争关键
品牌影响力、技术创新能力和产品质量将成为企业在市场竞争中的 关键因素。
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浮力式物位计
电容式物位计
利用浮力原理，通过测量浮子高度或重量 变化来检测物料位置。
利用电容器原理，通过测量物料对电容器 极板间电场的影响来计算物料位置。
物位检测仪表的应用场景
石油化工
食品制药
环保水处理
用于检测油罐、反应器、 储罐等设备中的液位高
度。用于检测原料、半成品、源自成品等物料的位置或高度。用于检测污水、废水、 饮用水等的水位高度。
物位检测仪表自动化仪表知识介绍
目 录
• 物位检测仪表基础知识 • 自动化仪表基础知识 • 物位检测仪表与自动化仪表的联系与区别 • 物位检测仪表与自动化仪表的发展趋势
01 物位检测仪表基础知识
物位检测仪表的定义与分类
定义
物位检测仪表是一种用于检测固 体、液体或气体物料位置或高度 的自动化仪表。
区别
功能侧重
物位检测仪表主要负责对物位的实时检测，如液位、料位 等，而自动化仪表更侧重于对温度、压力、流量等工艺参 数的自动调节和控制。
系统结构
物位检测仪表通常为独立的系统，只负责某一具体的检测 任务，而自动化仪表则通常集成于更复杂的自动化系统中 ，与其他设备协同工作。
数据处理方式
物位检测仪表通常只对数据进行简单的阈值判断或趋势分 析，而自动化仪表则需要进行更复杂的计算和控制策略。
03 物位检测仪表与自动化仪 表的联系与区别
联系
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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。
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。
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。
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。
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
对压力变送器进行输出为“零”。
H
量程迁移
无迁移
量程 负迁移
h
迁移 正迁移
无迁移
保证正压室与零液位等高
P 1gH
当H为零时，差压输 出为零。
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
量程迁移实例
• 例如：已知 1 1200 kg / m3
2 950 kg / m3
h1 1.0m
h2 5.0m
Lm 0 3.0m
• 液位高度变化形成的差压值为：
1gH 1200 9.83 35280 Pa
• 所以可选择差压变送器量程为 40kPa
B (h2 h1)2g (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。
正迁移
正压室：
P h1g H1g p0
负压室：
P p0
压差：
P P P h1g H1g
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。
浮球液位计
浮球式液位计
1. 工作原理 （W F ) OA G OB
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
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：
H P
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
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。
C h1g
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。
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 。
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。
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。
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。
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 1gH 2 gh1
负压室：
P P0 2 gh2
差压： P P P 1gH 2 g(h2 h1) 1gH B
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。
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。
高的液位测量。
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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。