1、3.6 物位的检测物位的检测 物位不仅是物料消耗量或产量计量等物位不仅是物料消耗量或产量计量等进行经济核算的参数，也是判断生产过程进行经济核算的参数，也是判断生产过程的工作状况、保证连续生产和设备安全、的工作状况、保证连续生产和设备安全、提高产品质量的重要过程参数，在现代大提高产品质量的重要过程参数，在现代大工业生产过程对物位的监测占有重要地位，工业生产过程对物位的监测占有重要地位，对物位测量仪表的精确测量、稳定可靠、对物位测量仪表的精确测量、稳定可靠、多功能、智能化的要求也越来越高。多功能、智能化的要求也越来越高。第1页，共41页。3.6.1 物位的概念及检测方法物位的概念及检测方法(一一)
2、物位的基本概念物位的基本概念o物位是液位、料位、及相界面位置的总称。物位是液位、料位、及相界面位置的总称。o液位是液体表面位置的高度液位是液体表面位置的高度_液位计；液位计；o料位是块状、颗粒状和粉料等固体物料堆积料位是块状、颗粒状和粉料等固体物料堆积高度的表面位置高度的表面位置_料位计；料位计；o界面位置一般指固体与液体或两种不相溶、界面位置一般指固体与液体或两种不相溶、密度不同的液体之间存在的分界面，也称密度不同的液体之间存在的分界面，也称界位界位_界位计。界位计。第2页，共41页。(二二)物位的检测方法物位的检测方法 按工作原理分类，物位检测方法按工作原理分类，物位检测方法有直读式、静压
3、式、浮力式、电容式、有直读式、静压式、浮力式、电容式、回波测距（回波测距（TOF）式、核辐射式、）式、核辐射式、光学式等。光学式等。第3页，共41页。1）直读式检测法）直读式检测法o根据连通管原理，从玻璃管或玻璃板根据连通管原理，从玻璃管或玻璃板上的刻度读出物位的高度。直读式检上的刻度读出物位的高度。直读式检测法主要用于液位检测，直读式液位测法主要用于液位检测，直读式液位计结构简单、直观，但只能就地读数，计结构简单、直观，但只能就地读数，不能远传。不能远传。第4页，共41页。2）静压式检测法）静压式检测法o利用容器中液体或固体物料堆积的高利用容器中液体或固体物料堆积的高度与它在某测试点所产生的
4、压力成正度与它在某测试点所产生的压力成正比原理，因而可用测压的方法来测量比原理，因而可用测压的方法来测量物位。物位。第5页，共41页。3）浮力式检测法）浮力式检测法o利用浮子高度随液位变化而改变或液利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子体对浸沉于液体中的浮子(或称沉筒或称沉筒)的浮力随液位高度而变化的原理工作。的浮力随液位高度而变化的原理工作。它又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、它又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种，适用浮球带杠杆的和沉筒式的几种，适用于液位检测。于液位检测。第6页，共41页。4）电学式检测法）电学式检测法o电学法按工作原理不同又可分为电阻电学
5、法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。工作原理是把式、电感式和电容式。工作原理是把物位的变化，变换成相应电阻、电感、物位的变化，变换成相应电阻、电感、电容量的变化，然后测量此量的变化电容量的变化，然后测量此量的变化从而得到物位变化的。用于液体或固从而得到物位变化的。用于液体或固体物料的液位、料位或相界面位置，体物料的液位、料位或相界面位置，可供连续测量和定点监控之用。可供连续测量和定点监控之用。第7页，共41页。5）回波测距（）回波测距（TOF）检测法）检测法o利用能量波从发射探头发射到被测物利用能量波从发射探头发射到被测物料面上，再从这一表面反射回到接收料面上，再从这一表面反射回到
6、接收探头的波的来回传播时间来测出物位探头的波的来回传播时间来测出物位的。相应的物位计有超声物位计、微的。相应的物位计有超声物位计、微波物位计（俗称雷达物位计）及激光波物位计（俗称雷达物位计）及激光物位计。物位计。第8页，共41页。6）核辐射检测法）核辐射检测法o利用物质对核辐射的吸收，使射线强利用物质对核辐射的吸收，使射线强度减弱的原理来测量物位，核辐射透度减弱的原理来测量物位，核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而过物料时，其强度随物质层的厚度而变化。目前应用较多的是变化。目前应用较多的是射线射线,适适用于高压、高温和有毒的密封容器的用于高压、高温和有毒的密封容器的液位或料位测量，且不受周
7、围电磁场、液位或料位测量，且不受周围电磁场、烟气和灰尘等影响。烟气和灰尘等影响。第9页，共41页。3.6.2 超声波物位检测超声波物位检测 o超声波物位计是基于回波测距原理设超声波物位计是基于回波测距原理设计的，根据传声介质的不同可以分为：计的，根据传声介质的不同可以分为：液介式、气介式、固介式三种，一般液介式、气介式、固介式三种，一般最常用的是前两种。最常用的是前两种。o利用超声来测量物位技术发展已很成利用超声来测量物位技术发展已很成熟，液体、浆体、固态物料都能应用熟，液体、浆体、固态物料都能应用 第10页，共41页。o利用超声波发射探头发出超声脉冲，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在
8、料位或液位表面反射形成回发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。定物位的高度。第11页，共41页。超声波物位传感器原理图超声波物位传感器原理图 超声波探头采用双晶直探头超声波探头采用双晶直探头,探头中两个晶探头中两个晶片分别用于发射和接受超声波。片分别用于发射和接受超声波。第12页，共41页。(一一)气介式超声物位计原理气介式超声物位计
9、原理 o设设L为超声波换能器与被测液体容器底部距离，为超声波换能器与被测液体容器底部距离，C为声速，为声速，t为超声波换能器发射超声波到接为超声波换能器发射超声波到接收到反射波的时间间隔，则可确定所测液位收到反射波的时间间隔，则可确定所测液位高度高度H为为1.2HLhLct第13页，共41页。(二二)液介式超声波液位计原理液介式超声波液位计原理 o超声波探头安装于容器底部，所测液超声波探头安装于容器底部，所测液位高度位高度H为为1.2Hct第14页，共41页。(三三)液液液超声波相界面传感器原理液超声波相界面传感器原理 o超声波探头安装于容器底部，超声波探头安装于容器底部，A、B两种液体两种液
10、体相界面在相界面在H处处.o超声波在超声波在A、B两种液体的传播速度为两种液体的传播速度为v1、v2，设超声波在液体，设超声波在液体A中传播并被相界面反中传播并被相界面反射回来的往返时间为射回来的往返时间为t1、超声波在液体、超声波在液体A,B中中传播并被液面反射回来的往返时间为传播并被液面反射回来的往返时间为t2，第15页，共41页。oA、B两种液体相界面位置高度为 11221222HtvhHtvv212()2tt vHLhL1 12t vH 第16页，共41页。3.6.2 微波物位检测微波物位检测o利用微波来检测物位是近年来发展最利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。因为它
11、是雷快的一种物位测量技术。因为它是雷达无线电检测与测距技术衍化而来，达无线电检测与测距技术衍化而来，故俗称雷达物位计。故俗称雷达物位计。o雷达波是一种特殊形式的电磁波，传雷达波是一种特殊形式的电磁波，传播速度相当于光速，其频率为播速度相当于光速，其频率为300MHz-3000GHz。第17页，共41页。o超声波物位测量的测量范围可从毫米数量超声波物位测量的测量范围可从毫米数量级到几十米以上，可进行非接触测量，不级到几十米以上，可进行非接触测量，不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；电导率、热导率等无关；o适合强腐蚀、高压、有毒、高粘
12、度液体的测适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；测量精度受声速且液面不能有很大的波动；测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。的影响（声速受温度影响）。第18页，共41页。(一一)微波物位测量基本原理微波物位测量基本原理o雷达头发射微波探测信号，当遇到被测物料时，雷达头发射微波探测信号，当遇到被测物料时，在物料表面产生反射，反射的微波被雷达头接在物料表面产生反射，反射的微波被雷达头接收，并将其传输给电子线路，微处理器对此信收，并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处理，识别出微波在物料表面所
13、产生的号进行处理，识别出微波在物料表面所产生的回波，正确的回波信号识别由智能软件完成。回波，正确的回波信号识别由智能软件完成。o微波物位计按使用微波的波形分类，可分为调微波物位计按使用微波的波形分类，可分为调频连续波（频连续波（FMCW）、脉冲波（）、脉冲波（PULSE）两）两类。类。第19页，共41页。(1)脉冲微波物位计原理脉冲微波物位计原理 o由雷达天线发射脉冲由雷达天线发射脉冲信号信号,测量出发射和接测量出发射和接收雷达波的时间间隔，收雷达波的时间间隔，即可计算出物料表面即可计算出物料表面与雷达天线之间的距与雷达天线之间的距离。离。12LEDECT第20页，共41页。(2)调频连续波式
14、物位计原理调频连续波式物位计原理 o由雷达头发射连续变化的频率信号，利由雷达头发射连续变化的频率信号，利用回波与信号发射的频率差正比于自雷用回波与信号发射的频率差正比于自雷达头到液面的距离原理达头到液面的距离原理.发射频率与回波频率频差为发射频率与回波频率频差为:被测距离被测距离L为为:2f本振频率；本振频率；FF调制波频率调制波频率0f固态源在调制信号固态源在调制信号1/21/2周期内的频偏范围周期内的频偏范围；固态源初始频率；固态源初始频率；0f回波频率；回波频率；1f0214F ffffLC 04C fLF f第21页，共41页。第22页，共41页。微波物位计应用微波物位计应用 o微波物
15、位计在高炉上物位监测应用微波物位计在高炉上物位监测应用 第23页，共41页。o和超声波（机械波）相比，微波的传播不和超声波（机械波）相比，微波的传播不依赖介质依赖介质;波速不受环境影响，故测量精波速不受环境影响，故测量精度较超声物位计高，它可以解决许多超声度较超声物位计高，它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。波技术难以胜任的工况。o微波物位计应用优势：高温、高压、腐蚀、带微波物位计应用优势：高温、高压、腐蚀、带搅拌等复杂工况；化工、石油化工等行业沥青、搅拌等复杂工况；化工、石油化工等行业沥青、酸碱罐、反应釜等；高炉炉料料位，高温融熔酸碱罐、反应釜等；高炉炉料料位，高温融熔金属液位；大型储罐
16、液位精密测量，如原油、金属液位；大型储罐液位精密测量，如原油、成品油罐、液化气、化工液体等液位测量；粉成品油罐、液化气、化工液体等液位测量；粉状、颗粒状料位，如电厂灰库、水泥厂成品库状、颗粒状料位，如电厂灰库、水泥厂成品库料位等。料位等。第24页，共41页。3.6.3.浮力式物位检测浮力式物位检测 o浮力式物位检测法是依据力平衡原理，利用漂浮力式物位检测法是依据力平衡原理，利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。当液位变化时，只要检测出浮位进行测量的。当液位变化时，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可以标的位移或浮筒所受
17、到的浮力的变化，就可以知道液位的高低。知道液位的高低。o分为浮子式（恒浮力式）和浮筒式（变浮分为浮子式（恒浮力式）和浮筒式（变浮力式）两种型式。前者产生相应的位移，力式）两种型式。前者产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变，后者则发生浮而所受到的浮力维持不变，后者则发生浮力的变化。力的变化。第25页，共41页。(一一)浮筒式液位计浮筒式液位计 o把一个比重比液体大的浮筒用弹簧悬挂在液体中，当液面变化时，浮筒所受浮力随之变化，浮筒产生位移，通过推杆带动铁心移动，使差动变压器输出电压信号与浮筒位移呈正比，即可测量出液位。第26页，共41页。o设初始状态时，液位为零，浮力为零，则设初始状态时，液位为
18、零，浮力为零，则浮筒重量等于弹簧力，即浮筒重量等于弹簧力，即 o液位升高为液位升高为H时，浮筒上升时，浮筒上升X，弹簧被压缩，弹簧被压缩X，弹簧力、浮筒浮力及重力平衡，则有，弹簧力、浮筒浮力及重力平衡，则有:0Wkx0()()WA Hxgk xx(1)kHxA g第27页，共41页。(二二)浮子液位计浮子液位计 o由非磁性的直管、浮子，以由非磁性的直管、浮子，以及直管外的指示器三者组成。及直管外的指示器三者组成。o当液位升降时，管中磁性浮当液位升降时，管中磁性浮子也随之升降，浮子内的永子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动翻柱翻转，翻柱指示器，
19、驱动翻柱翻转，当液位升时翻柱由白色转变当液位升时翻柱由白色转变为红色，当液位降时为红色，当液位降时 翻柱由翻柱由红色转变为白色，红白交界红色转变为白色，红白交界处为容器内部液位的实处为容器内部液位的实 际高际高度。度。第28页，共41页。3.6.4.电容式物位检测电容式物位检测o电容式液位计利用液位高低变化影响电容器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、同心圆柱式的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。等等。o特点特点:适用范围非常广泛，对导电介质和非适用范围非常广泛，对导电介质和非导电
20、介质都能测量，可测量液位、粉状料导电介质都能测量，可测量液位、粉状料位、也可测界位。电容液位计具有结构简位、也可测界位。电容液位计具有结构简单体积小，安装要求低等特点，容易实现单体积小，安装要求低等特点，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。介质的液位测量。第29页，共41页。同心圆筒式电极液位计同心圆筒式电极液位计 o当电极间无被测物时:002lnLCDdo当电极间有被测物时，设其介电常数为1，高度为H 0122()CLHHDDLnLndd第30页，共41页。o电容的变化量为电容的变化量为:1002()(/)CCCHLn D d o可
21、见，被测介质物位与电容量的变化呈可见，被测介质物位与电容量的变化呈正比，只须通过测量电路对电容的检测正比，只须通过测量电路对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出，与转换将其变为标准的电流信号输出，即可求出被测介质物位即可求出被测介质物位H。第31页，共41页。o用于测量导电性物位用于测量导电性物位电容式液位计，它是电容式液位计，它是一根金属棒插入盛液一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为容器内，金属棒作为电容的一个极（包有电容的一个极（包有绝缘材料），导电液绝缘材料），导电液体和容器壁构成电容体和容器壁构成电容器的外电极。器的外电极。第32页，共41页。3.6.5 静压式物位检测静压式物位
22、检测o静压法依据液体重量所产生的压力进静压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测容器中液体的压力即可测算出液位高度。高度。第33页，共41页。(1)常压开口容器液位测量常压开口容器液位测量o液位高度液位高度H与与液体静压力液体静压力P之间有如下关之间有如下关系：系：PHgP测压仪表指示值测压仪表指示值 H液位的高度液位的高度液体的密度液体的密度 g重力加速度重力加速度 第34页，共41页。(2)密闭容器中的液位测量密闭容器中的液位测量o采用测量
23、压差的方法采用测量压差的方法,消除液面上上部气压及消除液面上上部气压及气压波动对示值的影响气压波动对示值的影响.o将容器底部与差压变将容器底部与差压变送器正压室相连，液送器正压室相连，液面上的空间与负压室面上的空间与负压室相连，就可以测量出相连，就可以测量出液面的高低。液面的高低。第35页，共41页。o设液位高度为设液位高度为H，h1、h2为容器底部和工作面距差为容器底部和工作面距差压计的高度。则差压变送器的正、负压室的压力压计的高度。则差压变送器的正、负压室的压力P1、P2分别为分别为:1112PPHghg气222PPhg气121212()PPPHghhg用差压计的读数用差压计的读数P，可间
24、接反映液面高度，可间接反映液面高度H 第36页，共41页。3.6.6 物位开关物位开关o物位开关是以测量物位状态为目标，只检测物物位开关是以测量物位状态为目标，只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，属于位是否达到上限、下限或某个特定位置，属于定点测量方式。当物位达到某一预定高度时传定点测量方式。当物位达到某一预定高度时传感器发出信号并转换为开关信号输出，开关信感器发出信号并转换为开关信号输出，开关信号可以用作启停一个进料装置的控制信号或被号可以用作启停一个进料装置的控制信号或被送到系统其它环节联动联锁，参与系统的调节送到系统其它环节联动联锁，参与系统的调节与控制。与控制。o目前常用的的物
25、位开关有浮球式、音叉式、目前常用的的物位开关有浮球式、音叉式、电容式，阻旋式、射频导纳式电容式，阻旋式、射频导纳式(电容式电容式)和超和超声波式等。声波式等。第37页，共41页。(1)阻旋式物位开关阻旋式物位开关 o低速运行的同步电机带动桨叶低速运行的同步电机带动桨叶在不接触被测材料时自由运转，在不接触被测材料时自由运转，当物料接触到叶片时，马达停当物料接触到叶片时，马达停止转动，机构同时输出一接点止转动，机构同时输出一接点信号供报警指示或控制用。当信号供报警指示或控制用。当被测材料高度下降时，加载的被测材料高度下降时，加载的弹簧伸展、马达返回它的原始弹簧伸展、马达返回它的原始位置并恢复运转。
26、阻旋式物位位置并恢复运转。阻旋式物位开关是一种用于固态物料（包开关是一种用于固态物料（包括粉状、粒状、块状、胶状等）括粉状、粒状、块状、胶状等）的物位控制器。的物位控制器。第38页，共41页。(2)音叉式物位开关音叉式物位开关 o其工作原理根据其工作原理根据物料对振动中的物料对振动中的音叉有无阻力，音叉有无阻力，探知料位是否到探知料位是否到达或超过某高度，达或超过某高度，并发出通断信号。并发出通断信号。第39页，共41页。o传感器的音叉由弹性良好的金属制成，材料一传感器的音叉由弹性良好的金属制成，材料一般使用不绣钢，金属本身具有确定的固有频率，般使用不绣钢，金属本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。体处于共振状态。o传感器的音叉以固有的频率振动；当音叉传感器的音叉以固有的频率振动；当音叉触及液体或其他物料时，其固有的振动频触及液体或其他物料时，其固有的振动频率降低，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，率降低，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振，这个频率变化迫使振幅急剧衰减而停振，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量，由电子线路检测出来并输出一个开关量，产生通断信号。产生通断信号。第40页，共41页。音叉式物位开关的方框图音叉式物位开关的方框图 第41页，共41页。
