化工仪表自动化 主讲人: 李鹰 营口职业技术学院环化系

化工仪表及自动化 第四章 物位检测

目录： 物位检测的意义及主要类型 压差式液位计 其他物位计 工作原理 零点迁移问题 用法兰式差压变送器测量液位 电容式物位计 核辐射物位计 雷达式液位计 称重式液罐计量仪 1

第一节 物位检测的意义及主要类型 几个概念 液位 料位 液位计 料位计 界面计 测量物位的两个目的 按其工作原理分为 液位 料位 液位计 料位计 界面计 测量物位的两个目的 按其工作原理分为 直读式物位仪表 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电磁式物位仪表 核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表　 2

第一节 物位检测的意义及主要类型 物位检测仪表 3

磁翻转液位计 分体式超声波液位计－LIT25 差压式液位计 4

法兰式陶瓷液位变送器 射频导纳料位仪 浮球液位变送器 5

6

第二节 差压式液位计 一、工作原理 将差压变送器的一端接液相，另一端接气相 图4-1 差压式液位计原理图 因此 7

第二节 差压式液位计 当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相连接。以平衡气相压力 pA的静压作用。 结论 8

第二节 差压式液位计 二、零点迁移问题 在使用差压变送器测量液位时，一般来说 实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为 则 图4-2 负迁移示意图 实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为 则 9

第二节 差压式液位计 迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值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。 迁移 同时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。 10

第二节 差压式液位计 图4-3 正负迁移示意图 图4-4 正迁移示意图 举例 某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。 一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。 11

第二节 差压式液位计 三、用法兰式差压变送器测量液位 12

第二节 差压式液位计 三、用法兰式差压变送器测量液位 法兰式差压变送器按其结构形式 图4-5 法兰式差压变送器测量液位示意图 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。 图4-5 法兰式差压变送器测量液位示意图 1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器 单法兰式 双法兰式 法兰式差压变送器按其结构形式 13

1—挡板；2—喷嘴；3—弹簧；4—反馈波纹管；5—主杠杆；6—密封片；7—壳体；8—连杆；9—插入筒；10—膜盒 第二节 差压式液位计 图4-7 双法兰式差压变送器 1—挡板；2—喷嘴； 3—杠杆；4—反馈波纹管；5—密封片；6—插入式法兰；7—负压室；8—测量波纹管；9—正压室；10—硅油；11—毛细管；12—密封环；13—膜片；14—平法兰 图4-6 单法兰插入式差压变送器 1—挡板；2—喷嘴；3—弹簧；4—反馈波纹管；5—主杠杆；6—密封片；7—壳体；8—连杆；9—插入筒；10—膜盒 14

第三节 其他物位计 一、电容式物位计 1.测量原理 通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。 两圆筒间的电容量C 图4-8 电容器的组成 1—内电极；2—外电极 两圆筒间的电容量C 当 D 和 d 一定时，电容量 C 的大小与极板的长度 L 和介质的介电常数ε的乘积成比例。 15

1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔 第三节 其他物位计 2.液位的检测 对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。 4-9 非导电介质的液位测量 1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔 当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为 当液位上升为H时，电容量变为 电容量的变化为 16

第三节 其他物位计 电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。 结论 17

第三节 其他物位计 3.料位的检测 左图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 图4-10 料位检测 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。 1—金属电极棒；2—容器壁 图4-10 料位检测 左图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 18

第三节 其他物位计 优点 缺点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。 19

射频电容式液位变送器 20

第三节 其他物位计 二、核辐射物位计 特点 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（4-9）。 图4-10 核辐射物位计示意图 1—辐射源；2—接受器 特点 适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。 21

第三节 其他物位计 优点 三、雷达式液位计 雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。 可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位。 它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。 22

雷达液位计 23

第三节 其他物位计 雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定 由于 故 图4-12 雷达式液位计示意图 雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间t由下式确定 由于 故 雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。 24

第三节 其他物位计 图4-13 微波脉冲法原理示意图 要使用导波管？ 25

第三节 其他物位计 四、称重式液罐计量仪 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 （3-64） 由于 代入（3-64） （3-65） 如果液罐是均匀截面 （3-66） （3-67） 19

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 第三节 其他物位计 将式（3-67）代入式（3-65），得 （3-68） 图4-14 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 式中 如果液罐的横截面积A为常数，得 20

第三节 其他物位计 浮球液位变送器 缆式液位变送器 投入式液位变送器 28

例题分析 举例 1.某贮罐内的压力变化范围为12~15MPa，要求远传显示，试选择一台DDZ-Ⅱ型压力变送器 (包括准确度等级和量程)。如果压力由12MPa变化到15MPa，问这时压力变送器的输出变化了多少?如果附加迁移机构,问是否可以提高仪表的准确度和灵敏度?试举例说明之。 解：如果已知某厂生产的 DDZ-Ⅱ型压力变送器的规格有： 0～10，16，25，60，100 （MPa） 精度等级均为0.5级。 输出信号范围为0～10mA。 29

10 I/mA 6 4.8 25 12 15 30 P/MPa

例题分析 由已知条件，最高压力为15MPa，若贮罐内的压力是比较平稳的，取压力变送器的测量上限为 由于变送器的测量范围为0～25MPa，输出信号范围为0～10mA,故压力为12MPa时,输出电流信号为 31

例题分析 压力为15MPa时，输出电流信号为 这就是说,当贮罐内的压力由12MPa变化到15MPa时,变送器的输出电流只变化了1.2mA。 在用差压变送器来测量液位时，由于在液位H=0时,差压变送器的输入差压信号Δp并不一定等于0，故要考虑零点的迁移。实际上迁移问题不仅在液位测量中遇到，在其他参数的测量中也可能遇到。加上迁移机构，可以改变测量的起始点，提高仪表的灵敏度 (只不过这时仪表量程也要作相应改变)。 32

10 I/mA 5 3.125 7 12 15 16 23 33 P/kPa

例题分析 由本例题可知，如果确定正迁移量为7MPa，则变送器的量程规格可选为16MPa。那么此时变送器的实际测量范围为7～23MPa，即输入压力为7MPa时，输出电流为0mA；输入压力为23MPa时，输出电流为10mA。这时如果输入压力为12MPa，则输出电流为 输入压力为15MPa时,输出电流为 34

例题分析 由此可知，当输入压力由12MPa变化到15MPa时，输出电流变化了1.875mA，比不带迁移机构的变送器灵敏度提高了。 35

例题分析 2.用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位,如图4-15所示。已知被测液位的变化范围为0~3m,被测介质密度ρ=900kg/m3 ,毛细管内工作介质密度ρ0=950kg/m3。变送器的安装尺寸为 h1=1m, h2=4m。求变送器的测量范围,并判断零点迁移方向,计算迁移量,当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时,问对测量有何影响? 图4-15 法兰式差压变送器测液位 36

例题分析 解：当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。 液位为3m时,其压差为 这里值得一提的是压力单位Pa用SI基本单位时就相当于m-1·kg·s-2，即 37

例题分析 所以液柱压力用Hρg计算时,只要H用m,ρ用kg/m3，g用m/s2为单位时,相乘结果的单位就是Pa。上述计算结果Δpmax为26.487kPa,经过圆整后,测量范围可选0～30kPa。 根据图示,当液位高度为H时,差压变送器正压室所受的压力p1为 负压室所受的压力p2为 38

例题分析 因此，差压变送器所受的压差为 由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量为 h2ρ0g。 39

例题分析 3.用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流来保持罐内液位H恒为1m。如图4-16所示。已知差压变送器的输出信号为0~10mA,硫酸的最小和最大密度分别为ρmin = 1.32(g/cm3),ρmax = 1.82(g/cm3) 图4-16 流体密度测量示意图ρmin=1.32(g/cm3),ρmax= 1.82(g/cm3) 要求: (1)计算差压变送器的测量范围； (2)如加迁移装置,请计算迁移量； (3)如不加迁移装置,可在负压侧加装水恒压器 (如图中虚线所示) ，以抵消正压室附加压力的影响,请计算出水恒压器所需高度h。 40

例题分析 解：（1）若不考虑零点迁移,那么就要以ρmax来计算差压变送器的测量范围。当ρ=ρmax = 1.82g/cm3时,差压变送器所承受的差压为 将H=1m,ρmax=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得 如果选择差压变送器的测量范围为0～2×104Pa,则当ρ=ρmax= 1.82g/cm3时,对应的变送器输出为 41

例题分析 当ρ=ρmin=1.32g/cm3时,其差压为 这时差压变送器的输出为 由上可知，当硫酸密度由最小值变化到最大值时，输出电流由6.475mA变化到8.925mA，仅变化了2.45mA，灵敏度是很低的。 42

例题分析 （2）为了提高灵敏度，可以考虑进行零点迁移，提高测量的起始点。考虑到ρ=ρmax时，这时所对应的压差仍为1.785×104Pa，所以在提高测量起始点的同时，测量上限却可以不改变，这样一来，实际量程压缩了。 当ρ=ρmin=1.32g/cm3时,Δpmin=1.295×104Pa。因此可以选择迁移量为1×104Pa ,测量范围为1×104～2×104Pa的差压变送器。这时,若ρ=ρmin时,变送器的输出为 43

例题分析 当ρ=ρmax时,变送器的输出为 这时ρ由ρmin变到ρmax时,输出电流由2.95mA变为7.85mA,变化了4.9mA,大大提高了仪表的灵敏度。 44

例题分析 （3）如果不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压器，而迁移量仍为1×104Pa，根据 以水的密度ρ=1000kg/m3代入,得 45

END