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第3章检测仪表与传感器-物位检测


青岛科技大学自动化与电子工程学院

化工仪表及自动化
第四章 检测仪表与传感器 之 物位检测

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内容提要
物位检测的意义及主要类型 压差式液位计
工作原理 零点迁移问题 用法兰式差压变送器测量液位

其他物位计
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

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

核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表
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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

pB = p A + Hρg

因此

?p = pB ? p A = Hρg

图4-1 差压式液位计原理图

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第二节 差压式液位计
结论 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。

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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

?p = Hρg
实际应用中,正、负室压力p1、p2分别为

p1 = h1 ρ 2 g + Hρ1 g + p0 p2 = h2 ρ 2 g + p0

图4-2 负迁移示意图

p1 ? p2 = Hρ1 g + h1 ρ 2 g ? h2 ρ 2 g

?p = Hρ1 g ? (h2 ? h1 )ρ 2 g
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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。

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第二节 差压式液位计
举例

图4-3 正负迁移示意图

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“ 的为正 一般型号后面加“A”的为正 迁移;加“B”的为负迁移。 迁移; 的为负迁移。 的为负迁移

图4-4 正迁移示意图
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第二节 差压式液位计
三、用法兰式差压变送器测量液位
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。

法兰式差压变送器 按其结构形式 单法兰式 双法兰式
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
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第二节 差压式液位计

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
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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

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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 两圆筒间的电容量C
C =

2 πε L D ln d

图4-8 电容器的组成 1—内电极;2—外电极

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 电常数ε的乘积成比例。
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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。 当液位为零时,仪表调整零点,其 零点的电容为
C0 = 2πε 0 L D ln d

当液位上升为H时,电容量变为 2πεH 2πε 0 (L ? H ) + C=
ln

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
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D d

ln

D d

电容量的变化为
C X = C ? C0 = 2π (ε ? ε 0 )H = Ki H D ln d

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第三节 其他物位计
结论 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。

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第三节 其他物位计
3.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。 左图所示为用金属电极棒插入容器来测 量料位的示意图。 量料位的示意图。 电容量变化与料位升降的关系为
CX = 2π (ε ? ε 0 )H D ln d

图4-10 料位检测 1—金属电极棒;2—容器壁
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第三节 其他物位计
优点
电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。

缺点
需借助较复杂的电子线路。 需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时, 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。 发生变化这种情况。

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第三节 其他物位计
二、核辐射物位计
射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱 通过介质层厚度的增加而减弱, 具体关系见式(4-9)。

特点

I = I 0 e ? ?H

( 4-9)

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。
图4-10 核辐射物位计示意图 1—辐射源;2—接受器

但由于放射线对人体有害,使用范围 受到一些限制。
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第三节 其他物位计
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。

优点
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。
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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
t= 2H 0 c

由于

H = L ? H0

图4-12 雷达式液位计示意图



c H = L? t 2

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。 法两种方式。
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第三节 其他物位计

要使用导波管? 要使用导波管?

图4-13 微波脉冲法原理示意图

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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 液位测得很准, 真实的质量储量。 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。 称重仪根据天平原理设计。 天平原理设计 杠杆平衡时 由于

( p1 ? p2 )A1L1 = MgL2
p2 ? p1 = Hρg
L2 = A1 L1 ρH = KρH M

(3-64)

代入(3-64)

(3-65)

如果液罐是均匀截面
ρH =

M 0 = ρHA
M0 A
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(3-66) (3-67)

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第三节 其他物位计
将式(3-67)代入式(3-65),得
L2 = K M0 A
(3-68)

如果液罐的横截面积A为常数,得
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

L2 = K i M 0
K A1 L1 Ki = = A AM

式中

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例题分析
举例 1.某贮罐内的压力变化范围为 1.某贮罐内的压力变化范围为12~15MPa,要求远传显 某贮罐内的压力变化范围为 , 试选择一台DDZ-Ⅱ型压力变送器 (包括准确度等 示,试选择一台 Ⅱ 级和量程) 如果压力由12MPa变化到 变化到15MPa,问这时 级和量程)。如果压力由 变化到 , 压力变送器的输出变化了多少?如果附加迁移机构, 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。 否可以提高仪表的准确度和灵敏度?试举例说明之。

DDZ-Ⅱ型压力变送器的规格有: 解:如果已知某厂生产的 DDZ0~10,16,25,60,100 (MPa) 精度等级均为0.5级。 输出信号范围为0~10mA。

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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
15 × 3 = 22.5(MPa ) 2

若选择测量范围为0~25MPa、准确度等级为0.5级, 这时允许的最大绝对误差为

20 × 0.5% = 0.125(MPa )
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
12 ×10 = 4.8(mA) 25
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例题分析
压力为15MPa时,输出电流信号为
15 × 10 = 6(mA) 25

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?p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)。

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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
12 ? 7 × 10 = 3.125(mA) 23 ? 7

输入压力为15MPa时,输出电流为
15 ? 7 ×10 = 5(mA) 23 ? 7
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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。 变送器的准确度等级仍为0.5级,此时仪表的最大 允许绝对误差为(23-7)×0.5% = 0.08MPa,所以,由于 加了迁移机构,使仪表的测量误差减少了。

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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 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 用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位 已知被测液位的变化范围为0 3m,被测介质密度 示。已知被测液位的变化范围为0~3m,被测介质密度 毛细管内工作介质密度ρ ρ=900kg/m3 ,毛细管内工作介质密度ρ0=950kg/m3。变送器的 =4m。求变送器的测量范围, 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, 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? 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
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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
?pmax = Hρg = 3 × 900 × 9.81 = 26487(Pa )

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
1Pa = 1N / m 2 = 1m ?1 ? kg ? s ?2

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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 ?pmax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

p1 = p0 + Hρg ? h1 ρ 0 g
负压室所受的压力p2为

p2 = p0 + (h2 ? h1 )ρ 0 g
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例题分析
因此,差压变送器所受的压差为
?p = p1 ? p2 = Hρg ? h2 ρ 0 g

由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量 为 h2ρ0g。 当差压变送器安装的高度改变时,只要两个取压法 兰间的尺寸h2不变,其迁移量是不变的。

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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。
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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 ?p = Hρ max g 将H=1m,ρmax=1820kg/m3,g=9.81m/s2代入上式,得
?p = 1×1820 × 9.81 = 1.785 × 10 4 (Pa )

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
I max 1.785 ×10 4 = ×10 = 8.925(mA) 4 2 × 10
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例题分析
当ρ=ρmin=1.32g/cm3时,其差压为

?p = 1×1320 × 9.81 = 1.295 ×10 4 (Pa )
这时差压变送器的输出为
I min 1.295 ×10 4 = ×10 = 6.475(mA) 4 2 ×10

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。

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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

(1.295 ? 1)×10 4 ×10 = 2.95(mA) I min = (2 ? 1)×10 4
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例题分析
当ρ=ρmax时,变送器的输出为

(1.785 ? 1)×104 ×10 = 7.85(mA) I max = (2 ? 1)×104

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。

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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

hρg = 1× 10 4 (Pa )
以水的密度ρ=1000kg/m3代入,得

1×10 4 h= ≈ 1.02(m ) 3 1× 10 × 9.81

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