第二编　 过程参数检测技术 第7章　物位检测　.

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1 第二编　 过程参数检测技术 第7章　物位检测　

2 §7-1、物位定义及其检测仪表分类： 　　物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量。物位检测为保证生产过程的正常运行，如调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确定产品产量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过程监测中物位检测占有重要的地位。 一、定义： 　　指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同 性质的物料又有以下的定义。 　　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。

3 §7-1、物位定义及其检测仪表分类： 一、定义： 二、检测仪表分类： 1、测量方式分类： 2、工作原理分类：
　　物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。

4 §7-1、物位定义及其检测仪表分类： 一、定义： 二、检测仪表分类： 1、测量方式分类： 2、工作原理分类：
①. 直读式：采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用液位检测和压力较低的场合。 ②.静压式： ③.浮子式：

5 §7-1、物位定义及其检测仪表分类： 一、定义： 二、检测仪表分类： 1、测量方式分类： 2、工作原理分类： ④.机械接触式：
　　通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。 ⑤.电气式： 　　 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 §7-1、物位定义及其检测仪表分类：

7 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 1、检测原理： 基于液体静力学。将液位的检测转换为 静压力检测。如图：
　　基于液体静力学。将液位的检测转换为 静压力检测。如图： 自零液位至液面的液柱高H所产生的静压差△p为:

8 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计：
①.凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程，合适的安装形式，经重新标定后，均可用于检测液位。 　　这种仪表测量范围大，无可动部件，安装方便，工作可靠。 　　其测量原理图： 敞口容器： 容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映相应的液柱静压。 压力式仪表

9 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计：
①.凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程，合适的安装形式，经重新标定后，均可用于检测液位。 　　这种仪表测量范围大，无可动部件，安装方便，工作可靠。 　　其测量原理图： 密闭容器： 　　差压计的正压侧与容器底部相通，负压侧连接容器上部的大气空间。由式 可求液位高度 差压式仪表

10 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ②.压力信号引出方式：

11 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 由于测压仪表的安装位置一般难以
　　由于测压仪表的安装位置一般难以 和被测容器的零位（取压点）处在同一 高度（水平位置）上，因此在测量液位 时，会产生一个不变的附加值。对于这种情况，要根据安装高度差对其位置高度差带来的固定压力进行修正。即采取量程迁移法，以修正静压误差。 　　这种“量程迁移”主要采取“零点调整”方式，使它在只受安装位置高度带来的静压差对应的输出为零。

12 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 正迁移：如图。
　正迁移：如图。 　　差压计安装在最低液面以下，和零位的高度差为h。 则差压变送器正、负压室所受压力为：

13 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 正迁移：如图。
　正迁移：如图。 　　为此，在一般的差压计中，均有调整零点的位置机构，通过调整迁移弹簧，改变变送器的零点即可实现。 　　由于要迁移c值为正，　　正迁移

14 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 负迁移：如图。
　负迁移：如图。 　　当容器中液体上方气体是可凝性的（如水蒸汽），为保持负压室所受的液柱高度恒定，或者被测介质有腐蚀性，为了引压管防腐，常常在差压变送器的正负压室与限压点之间装有隔离罐，并充以隔离液。设隔离液密度为

15 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 　负迁移：如图。

16 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 2、压力、差压式液位计： ③.量程迁移： 总结：
　总结： 　　量程迁移一般通过调整仪表上上的迁移弹簧即可实现，这种调整同时改变了量程的上、下限，而不改变量程大小。 ④.举例： 　　用差压变送器检测液位，已知　　　　　、 　　　　　　　　、　　　　　　　液位变化范围为0~3m，重力加速度　　　　　　　　，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-Ⅲ型仪表，其测量范围是多少？

17 §7-2、常用物位检测仪表 ④.举例：用差压变送器检测液位，已知 、
④.举例：用差压变送器检测液位，已知　　　　　、 　　　　　　　　、　　　　　　　液位变化范围为0~3m，重力加速度　　　　　　　　，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-Ⅲ型仪表，其测量范围是多少？ 解：当液位在0~3m变化时， 差压变化量为： 根据差压变送器量程系列，选择量程为：40KPa。

18 §7-2、常用物位检测仪表 ④.举例：用差压变送器检测液位，已知 、
④.举例：用差压变送器检测液位，已知　　　　　、 　　　　　　　　、　　　　　　　液位变化范围为0~3m，重力加速度　　　　　　　　，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-Ⅲ型仪表，其测量范围是多少？ 解：因此需进行负迁移，其迁移量为：37.24kPa。迁移后的测量范围为： 若选用DDZ-Ⅲ型仪表，输出为4~20mA电流，则有：

19 §7-2、常用物位检测仪表 ④.举例：用差压变送器检测液位，已知 、
④.举例：用差压变送器检测液位，已知　　　　　、 　　　　　　　　、　　　　　　　液位变化范围为0~3m，重力加速度　　　　　　　　，求差压变送器的量程和迁移量，若选用DDZ-Ⅲ型仪表，其测量范围是多少？ 实际可测液位范围为0~3.4m。

20 §7-2、常用物位检测仪表 一、静压式液位检测仪表： 3、吹气式液位计： ①.原理图： ②.原理： 将一根吹气管插入至被测
②.原理：　将一根吹气管插入至被测 液体的最低位（液面零位），使吹气管 通入一定量的气体（ 空气或惰性气体）, 使吹气管中的压力与管口处液柱静压力 相等。用压力计测量吹气管上端压力，就可测得液位。 ③.特点： 　　由于吹气式液位计将压力检测点移至顶部，其使用维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合。

21 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例（直接显示式）。
②.基本原理： 　　通过测量漂浮于被测液面上的浮子（浮 标）随着液面的变化而上下移动而产生的位 移来检测液位高低，其所受浮力的大小一定。 即检测浮子所在位置可知液面高低。 　　浮子形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等。下面以圆柱形为例来作分析。如图： 　　浮子通过滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力相平衡，以维持浮子处于平衡状态而漂在液面上，平衡重锤位置即反映浮子的位置，从而测知液位。

22 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： 　　理想情况下，浮子浸入液体的高度h是不变的，将来液位变化时，浮子随液位上、下移动，通过滑轮使悬锤上、下移动，指示液位高低。　　

23 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： 　　但由于液体的黏性、传动系统的摩擦 等因素，液位变化△H只有达到一定的值时 （即浮子浸入液体深度h变化到一定值时△h ），造成浮力发生△F的变化时，浮子才会动作，才可能带动悬锤指示变化。这表明了液位计存在不灵敏区。

24 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： 　　浮力变化△F和液位变化△H的关系： 　　当△F等于系统的摩擦力时，浮力才开始移动，该式表明了液位计的不灵敏区为： 　　从此式可知，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。

25 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： ③.舌簧管式液位计：（信号远传式） 如图

26 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： ③.舌簧管式液位计：（信号远传式） 　　液位变化，浮子移动（即磁体移动），对 应磁体位置的舌簧管闭合，电阻变化，使电路 可以输出与液位相对应的信号。 　　通常采用两个舌簧管同时吸合以提高其可 靠性。 　　缺点：由于舌簧管尺寸及排列的限制，液 位信号的连续性较差，且量程不能很大。　　

27 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 1、浮子式液位计：是一种恒浮力式液位计。 ①.原理图：以重锤式为例。 （直接显示式）。
②.基本原理： ③.舌簧管式液位计：（信号远传式） ④.伺服平衡式浮子液位计： 自学

28 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。 ①.原理图： 结构：圆柱形的检测元件的浮筒部分沉浸于
　　结构：圆柱形的检测元件的浮筒部分沉浸于 液体中，由弹簧悬挂，弹簧下端固定，上端受浮 筒重力而压缩。 ②.基本原理： 　　利用浮筒（敏感元件）由于被液体浸没高度 不同，以至所受浮力不同来检测液位。

29 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。 ①.原理图： ②.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 ，浮筒没 入液体高度为H 　　起始位置弹性力与重力、浮力相平衡，有： 弹性力 重力 浮力

30 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。 ①.原理图： ②.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。 　　　　达到新的力平衡时则有以下关系：

31 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。 ①.原理图： ②.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。

32 §7-2、常用物位检测仪表 二、浮力式液位计 2、浮筒式液位计：是一种变浮力式液位计。 ①.原理图： ②.基本原理： ③.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。 ④.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。

33 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 1、结构： 如图， 两个同轴圆筒电极组成的电容器。
　　如图， 两个同轴圆筒电极组成的电容器。 2、原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。 　　当液位变化，园筒形电极一部份被物料浸没，浸没深度H， 极板间存在两种介质的介电常数ε1 (原设有中间介质介电常数)、ε2 (被测物料的介电常数) ,将引起电容量的变化。　　

34 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 1、结构： 2、原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。

35 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 1、结构： 2、原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。 3、实现形式：
3、实现形式：　 ①.测量不导电介质的物位：　 采用同心套筒电极 构成同心电容器 容器中心设内电极，而由金属容器壁做为外电极，构成同心电容器

36 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 1、结构： 2、原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。 3、实现形式：
3、实现形式：　 ①.测量不导电介质的物位：　 ②.测量导电液体液位时： 分析

37 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 c11 c12 c2 3、实现形式：　 ②.测量导电液体液位时： 等效电路如图。

38 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 c11 c12 c2 3、实现形式：　 ②.测量导电液体液位时： 等效电路如图。

39 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 4、检测电路：
4、检测电路：　 　　电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。 　　常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。 　　注意： 　　电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反而不利于检测。 　　以单臂桥式电路为例：

40 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 4、检测电路：　 　　如图：

41 §7-2、常用物位检测仪表 三、电容式液位计 3、特点：
3、特点：　 　　电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。 　　但是不适合于以下介质：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等情况。

42 §7-2、常用物位检测仪表 四、超声式液位计 1、原理：
　　 超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗（声速与介质密度的乘积） 差别较大的相界面，几乎为全反射。从发射超声波至收到反射回波的时间间隔与分界面位置有关，利用这一比例关系可以进行物位测量。 　　回波反射式超声波物位计的工作原理，就是利用发射的超声波脉冲将由被测物料的表面反射，测量从发射超声波到接收回波所需的时间，可以求出从探头到分界面的距离，进而测得物位。

43 §7-2、常用物位检测仪表 四、超声式液位计 2、分类： 根据超声波传播介质的不同，超声式物位计可以分为固介式、液介式和气介式。 3、结构：
　　根据超声波传播介质的不同，超声式物位计可以分为固介式、液介式和气介式。 3、结构： 　　它的组成主要有超声换能器和电子装置，超声换能器由压电材料制成，它完成电能和超声能的可逆转换，超声换能器可以采用接、收分开的双探头方式，也可以只用一个自发自收的单探头。电子装置用于产生电信号激励超声换能器发射超声波，并接收和处理经超声换能器转换的电信号。

44 §7-2、常用物位检测仪表 四、超声式液位计 4、实例分析： 液介式超声波物位计的测量原理如图。 置于容器底部的超声波换能器向液面发射
　　 液介式超声波物位计的测量原理如图。 　　置于容器底部的超声波换能器向液面发射 短促的超声波脉冲，经时间t后，液面处产生的 反射回波又被超声波换能器接收。则由超声波 换能器到液面的距离H 可用下式求出： 说明： 　　式中c 为超声波在被测介质中的传播速度。只要声速已知， 可以精确测量时间t，求得液位。

45 §7-2、常用物位检测仪表 四、超声式液位计 5、温度补偿：
　超声波在介质中的传播速度易受介质的温度、成分等变化的影响，是影响物位测量的主要因素，需要进行补偿。通常可在超声换能器附近安装温度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响。还可使用校正器，定期校正声速。 6、特点： 超声式物位计的构成型式多样，还可以实现物位的定点测量。这类仪表无机械可动部件，安装维修方便； 超声液位图 超声换能器寿命长；可以实现非接触测量，适合于有 检测原理 毒、高粘度及密封容器的物位测量；能实现防爆。由于其对环境的适应性较强，应用广泛。

46 §7-2、常用物位检测仪表 五、物位开关 　　进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，并发出相应的开关量信号。针对不同的被测对象，物位开关有多种型式，可以测量液位、料位、固-液分界面、液-液分界面，以及判断物料的有无等。 　　物位开关的特点是简单、可靠、使用方便，适用范围广。 　　物位开关的工作原理与相应的连续测量仪表相同，下表列出几种物位开关的特点及示意图。

47 §7-2、常用物位检测仪表 五、物位开关 　　物位开关的工作原理与相应的连续测量仪表相同，下表列出几种物位开关的特点及示意图。

48 §7-3、影响物位检测的因素 　　在实际生产过程中，被测对象很少有静止不动的情况，因此会影响物位测量的准确性。各种影响物位测量的因素对于不同介质各有不同，这些影响因素表现在如下方面。 一、液位测量特点： 1、 稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。 2、 大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。 3、容器中的液体呈高温、高压或高粘度，或含有大量杂质、悬浮 物等。

49 §7-3、影响物位检测的因素 一、液位测量特点： 二、料位测量特点： 1、 料面不规则，存在自然堆积的角度。 2、 物料排出后存在滞留区。
3、物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储量的计量。 三、界位测量特点： 　　界位测量的特点则是在界面处可能存在浑浊段。

50 §7-4、物位检测方法小结 1、 液位检测中： 静压式、浮力式检测方法常用，具有结构简单、工作可靠、精度较高等优点，
　　静压式、浮力式检测方法常用，具有结构简单、工作可靠、精度较高等优点， 　　缺点：需要在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此，不适用于高粘度介质，或易燃、易爆等危害性大的介质。

51 §7-4、物位检测方法小结 2、 电容式、超声波式液位计：用于液位或料位的检测 电容式： 　　超声式：