化工仪表自动化【第三章】物位检测及仪表(液位计、料位计、界面计)

化工仪表自动化 （Instruments & Automatics of Chemical Engineering） 第三章 检测仪表及传感器,主讲人：孙行衍,第三章 检测仪表及传感器 3.4 物位检测及仪表,图1 火电厂生产流程,空气,给水泵,去烟囱,凝汽器,空预器,空气,空气,燃料,汽包,省煤器,再热器,过热器,水冷壁,汽轮机,锅炉,灰斗,发电机,爆管,水位过低,3.4 物位检测及仪表,3.4 物位检测及仪表,3.4 物位检测及仪表,一、概述 1.物位仪表分类,物位仪表,液位计,料位计,界面计,3.4 物位检测及仪表,2.物位测量的目的 （1）获得容器内物质的体积或质量； （2）监视/控制容器内介质物位，满足工艺要求； （3）对容器内介质物位的上下限位置报警； （4）监视/调节容器中出入物料的平衡。,物位测量的绝对值,物位测量的相对值,3.4 物位检测及仪表,2.按工作原理划分的物位仪表类型 （1）直读式利用连通器原理工作 ；,3.4 物位检测及仪表,（2）差压式利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理工作；,3.4 物位检测及仪表,（3）浮力式利用浮子高度随液位变化而改变的原理工作；,3.4 物位检测及仪表,（4）电磁式使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量这些电量的变化间接的测知物位；,3.4 物位检测及仪表,（5）辐射式利用辐射透过物料强度发生变化的原理；,3.4 物位检测及仪表,（6）声波式是利用声波的声阻抗、声遮断、声反射距离差异进行测量；,3.4 物位检测及仪表,（7）光学式利用物位对光波的遮断和反射原理工作。,3.4 物位检测及仪表,二.差压式液位变送器,1.工作原理,容器内液位改变时，由液柱产生的静压力也发生相应变化。,根据流体力学的原理： PPBPAHg 式中：PA、B两点的差压； H液位高度； 介质密度； g重力加速度。,3.4 物位检测及仪表,帕斯卡用一个密闭的装满水的桶，在桶盖上插入一根细长的管子，从楼房的阳台上向细管子里灌水。结果只用了一杯水，就把桶压裂了，桶里的水就从裂缝中流了出来。 帕斯卡“桶裂”实验很好地证明了液体压强与液体的深度有关,而与液体的重力无关。,3.4 物位检测及仪表,当测量敞口容器的液位如下图所示，差压变送器的负压通大气即可，这时作用在正压室的压力就是液位高度所产生的静压力Hg。,3.4 物位检测及仪表,当测量受压容器的液位如下图所示，将差压变送器的负压室与容器的气相空间相连，以平衡气相压力的静压作用。 PP气HgP气Hg 差压的大小同样代表了液位高度的大小。,3.4 物位检测及仪表,2.零点迁移,在使用差压变送器或差压计来测量液位高度时，一般说其压差P与液位高度H之间有如下关系： PHg 这是最简单的情况，称为“无迁移”。当H0时，作用在正、负压室的压力是相等的。 在实际应用中，往往H与P之间的对应关系不那么简单。,3.4 物位检测及仪表,当液面上的介质是可凝气体（如蒸汽）时，或为了防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保证负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。 若被测介质的密度为1，隔离液的密度为0 ，这时，正、负压室的压力分别为：,P1h10g H1g P0 P2h20gP0,正、负压室间的压力差为,PH1g （h2h1）0g,3.4 物位检测及仪表,对比两式可以发现，此时压差减少了(h2h1)0g一项， 即H0时，P(h2h1)0g。 对比无迁移的情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定数值为:（h2h1）0g。,PH1g （h2h1）0g,PP气HgP气Hg,3.4 物位检测及仪表,如何抵消固定压差（h2h1）0g的作用？ 使液位的零值和满量程 与 变送器输出的上下限对应。 仪表中的迁移弹簧 实质： 改变变送器的零点。 迁移同时改变了测量范围的上下限，但不改变量程的大小，相当于测量范围的平移。,3.4 物位检测及仪表,某仪表的测量范围为05000Pa，无迁移时，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA。如图3-40中曲线a所示。,当有迁移时，假定固定压差为2000Pa，那么当H0时，根据前式有： P(h2h1)0g 即P2000Pa，这时变送器输出应为0.02MPa，H为最大时，P500020003000Pa，这时变送器输出应为0.1MPa，如图3-40中的曲线b所示。,I0/mA,p/Pa,3.4 物位检测及仪表,3.用法兰式差压变送器测量液位,单法兰式差压变送器,双法兰式差压变送器,3.4 物位检测及仪表,三.电容式物位传感器,1.工作原理,电容器极板间所充介质的差异，会导致电容量的不同。可利用此原理测量液位、料位和分界面。,两圆筒间的电容量表达式：,3.4 物位检测及仪表,2.液位的检测,（1）液位为0时，零点电容为：,（2）液位为H时，电容为：,（3）电容变化量为：,3.4 物位检测及仪表,3.料位的检测,电容量变化与料位升降关系为：,3.4 物位检测及仪表,三.核辐射物位计,射线的投射强度随着通过介质层 厚度的增加而减弱。,特点：,穿透力强，无接触， 适用于各种恶劣环境,3.4 物位检测及仪表,四.磁致伸缩式液位计（浮子式液位计） 磁致伸缩原理： 某些磁性材料，在周围 磁场作用下内部磁畴取 向改变，因而引起尺寸 伸缩。,1.工作原理,适用于高精度要求的清洁液体的液位测量。,3.4 物位检测及仪表,舌簧管：是一种有触点的开关元件，利用磁场控制舌簧管内触点通断的原理。,磁浮子舌簧管液位计,环形永磁体的两面分别为N和S极，磁力线将使管内的舌簧闭合。因此处于浮子中央的舌簧管吸合导通，其它呈断开状态。,3.4 物位检测及仪表,五.光纤式液位计,1.全反射型光纤液位计,组成： 液位敏感元件（棱镜）； 传输光信号的光纤； 光源； 光检测元件。 只要检测出裸露在空气中 和淹没在液体中的 输出光功率差值，即可判断。,3.4 物位检测及仪表,2.浮沉式光纤液位计,1.机械转换部分,2.光纤光路部分,3.电子电路部分,图3-49 称重式液罐计量仪,1下波纹管；2上波纹管；3液相引压管；4气相引压管；5砝码；6丝杠；7可逆电机；8编码盘；9发讯器,3.4 物位检测及仪表,六.称重式液罐计量仪,该计量仪既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。,称重仪根据天平原理设计。,杠杆平衡时,由于,（3-57）,代入（3-57）,（3-58）,3.4 物位检测及仪表,式中,如果液罐的横截面积A为常数，得,将式（3-60）代入式（3-58），得,（3-61）,如果液罐是均匀截面,（3-59）,（3-60）,即,3.4 物位检测及仪表,八.物位仪表的选型 （1）液面和界面测量应选用差压式、浮筒式和浮子式仪表。 （2）仪表的结构形式及材质，应根据被测介质的特性决定。 （3）仪表的显示方式和功能，应根据工艺操作及系统组成要求确定。 （4）仪表量程应根据工艺对象实际需要显示的范围或实际变化范围确定。 （5）仪表精确度应根据工艺要求选择。 （6）用于可燃气体、蒸汽机可燃性粉尘等爆炸危险场所的电子式物位仪表，应危险程度选择合适的防爆结构和措施。,END,