化工儀表及自動化第三章檢測儀表與傳感器

化工儀表及自動化第三章檢測儀表與傳感器內(nèi)容提要概述差壓式液位變速器電容式物位傳感器核輻射物位計磁致伸縮式液位計光纖式液位計稱重式液罐計量儀物位測量儀表的選型2內(nèi)容提要概述2一、概論幾個概念液位料位液位計界位計測量物位的兩個目的按其工作原理分為直讀式物位儀表差壓式物位儀表浮力式物位儀表電磁式物位儀表核輻射式物位儀表聲波式物位儀表光學(xué)式物位儀表3一、概論幾個概念液位料位測量物位的兩個目的按其工作二、差壓式液位變送器1.工作原理圖3-39差壓液位變送器原理圖圖3-40壓力表式液位計4二、差壓式液位變送器1.工作原理圖3-39差壓液位變送器原將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此當被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時，只需將差壓變送器的負壓室通大氣即可。若不需要遠傳信號，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖3-40所示。5將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此當被測容器

使用差壓式液位計測量液位時，若安裝位置條件不同，將造成液位H與壓差ΔP之關(guān)系不像式ΔP=ρgH那么簡單，可能存在儀表零點遷移問題。2.零點遷移問題6使用差壓式液位計測量液位時，若安裝位置條件不同圖無遷移測量安裝圖（1）無遷移7圖無遷移測量安裝圖（1）無遷移7在使用差壓變送器測量液位時，差壓計的正壓室取壓口正好與容器的最低位（H=0）處在同一水平位置上。液位H與壓差ΔP之關(guān)系為(1)H=0，ΔP=0，變送器輸出為起點值(2)H=Hmax，ΔP=ΔPmax，變送器輸出為滿量程(3)H=0～Hmax，ΔP在0～ΔPmax之間線性變化此時，無需對差壓變送器的零點進行遷移（1）無遷移8在使用差壓變送器測量液位時，差壓計的正壓室取壓口液位H與壓差（2）正遷移圖正遷移測量安裝圖119（2）正遷移圖正遷移測量安裝圖119當儀表安裝高度與容器最低液位不在同一水平位置時，如圖3-34所示，這時正負壓室的壓力差為：正壓室：負壓室：正、負室壓差為：

式中，—差壓計正壓室到液位起點處的垂直高度。（2）正遷移10當儀表安裝高度與容器最低液位不在同一水平位置時，由式可知，當H=0時，>0。對比無遷移情況，相當于在正壓室多了一項壓力，其固定壓差為，此即為正遷移，這樣在液位在0～變化時，差壓變送器的輸出不再是標準信號。為了使儀表輸出反映被測量液位，必須抵消掉正壓室的固定壓差的作用。（2）正遷移11由式可知，當H=0時，

方法：在變送器中加一調(diào)零遷移彈簧，遷移彈簧的作用是將變送器的測量從起點遷移到某一正數(shù)值，同時改變測量范圍的上下限值，實現(xiàn)測量范圍的平移，但不改變其量程的大小。（2）正遷移12方法：在變送器中加一調(diào)零遷移彈簧，遷移彈簧的作用（3）負遷移在實際測量中，有時為了不讓被測容器內(nèi)的液體或氣體進入變送器而造成導(dǎo)壓管線結(jié)晶、堵塞、腐蝕儀表，或為了保持負壓室凝液高度恒定，常在變送器的正、負壓室與取壓點間分別加裝隔離罐，并充以密度為的中性隔離液，如圖所示。時正負壓室的壓力差為：13（3）負遷移在實際測量中，有時為了不讓被測容器內(nèi)的液圖負遷移測量安裝圖（3）負遷移14圖負遷移測量安裝圖（3）負遷移14（3）負遷移正壓室：負壓室：正、負室壓差為：由式可知，當H=0時，－<0。對比無遷移情況，相當于在負壓室多了一項壓力，其固定壓差為，此即為負遷移，這樣在液位在0～變化時，差壓變送器的輸出不再是標準信號。為了使儀表輸出反映被測量液位，必須抵消掉負壓室的固定壓差的作用15（3）負遷移正壓室：15（3）負遷移

方法：調(diào)整負遷移彈簧，其作用是將變送器的測量從起點遷移到某一負數(shù)值，同時改變測量范圍的上下限值，實現(xiàn)測量范圍的平移，但不改變其量程的大小。16（3）負遷移方法：調(diào)整負遷移彈簧，其作用是將變送器的測量遷移彈簧的作用

改變變送器的零點。遷移和調(diào)零

都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點相對應(yīng)，只不過零點調(diào)整量通常較小，而零點遷移量則比較大。遷移

同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。17遷移彈簧的作用改變變送器的零點。遷移和調(diào)零都是使變送器輸圖3-42正負遷移示意圖舉例

某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa，當壓差由0變化到5000Pa時，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如左圖中曲線a所示。負遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。

18圖3-42正負遷移示意圖舉例某差壓變送器的測量范圍3.用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。

193.用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性毛細管充滿硅油，傳遞壓力信號，將壓力傳遞到壓差變送器單法蘭式

雙法蘭式

法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式圖3-44法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1—法蘭式測量頭；2—毛細管；3—變送器20毛細管充滿硅油，傳遞壓力信單法蘭式雙法蘭式法蘭式差壓三、電容式物位傳感器1.測量原理圖3-45電容器的組成1—內(nèi)電極；2—外電極兩圓筒間的電容量C當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。

通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。

21三、電容式物位傳感器1.測量原理圖3-45電容器的組成1—2.液位的檢測3-46非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量1—內(nèi)電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔當液位為零時，儀表調(diào)整零點，其零點的電容為

對非導(dǎo)電介質(zhì)液位測量的電容式液位傳感器原理如下圖所示。當液位上升為H時，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁?22.液位的檢測3-46非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測量1—內(nèi)電極；2—

電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質(zhì)的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε0不等的原理進行工作，（ε-ε0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。結(jié)論23電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套24棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯3.料位的檢測

用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大，容易“滯留”，可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導(dǎo)電固體料位。1—金屬電極棒；2—容器壁左圖所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。

電容量變化與料位升降的關(guān)系為圖3-47料位檢測253.料位的檢測用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的優(yōu)點

電容物位計的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。

缺點

需借助較復(fù)雜的電子線路。

應(yīng)注意介質(zhì)濃度、溫度變化時，其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這種情況。26優(yōu)點電容物位計的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。缺點需借四、核輻射物位計放射性同位素在蛻變過程中會放射出α、β、γ三種射線。γ射線是一種從原子核中發(fā)出的電磁波，它的波長較短，不帶電荷，它在物質(zhì)中的穿透能力最強。

由于射線的可穿透性，它們常被用于情況特殊或環(huán)境條件惡劣的場合實現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測，物位檢測是其中一個典型的應(yīng)用示例。

27四、核輻射物位計放射性同位素在蛻變過程中會放射出α射線的透射強度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱，具體關(guān)系見式（3-63）。（3-63）圖3-48核輻射物位計示意圖1—輻射源；2—接受器檢測系統(tǒng)組成(1)輻射源在物位檢測中一般需要射線穿透的距離長，因此常采用穿透能力較強的γ射線。（2）探測器射線探測器的作用是將其接收到的射線強度轉(zhuǎn)變成電信號，并輸給下一級電路。（3）電子線路將探測器輸出的脈沖信號進行處理并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標準信號。28射線的透射強度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱，具體關(guān)系見式（

適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)晶或沸騰狀態(tài)的介質(zhì)的物位測量，還可以測量高溫融熔金屬的液位。可在高溫、煙霧等環(huán)境下工作。但由于放射線對人體有害，使用范圍受到一些限制。特點29適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結(jié)五、磁致伸縮式液位計30五、磁致伸縮式液位計30測量原理：測量時液位的頭部（罐的上部）發(fā)出電流“詢問脈沖”，此脈沖同時產(chǎn)生以磁場，沿著波導(dǎo)管內(nèi)的感應(yīng)線向下運行，在液位計管外配有浮子，浮子可隨液位，沿側(cè)桿上下移動，浮子內(nèi)藏有一組磁鐵，并產(chǎn)生一個磁場，兩個磁場相遇時產(chǎn)生一個新的變化磁場，隨之產(chǎn)生新的“返回脈沖”。測出“詢問脈沖”和“返回脈沖”的周期即可知道液體的位置。31測量原理：31優(yōu)點：可動部分只有浮子，維護工作量小、安裝比較簡單、精度比較高，連續(xù)反應(yīng)液位變化缺點：信號微弱，需要特種材料及工藝靈敏的電路，制造難度較大，價格昂貴32優(yōu)點：32六、光纖式液位計1、全反射型光纖液位計光纖傳感器具有高的靈敏度、電絕緣性好、防爆性能。原理：光的全反射結(jié)構(gòu)：液位敏感元件、傳輸光信號的光纖、光源和光電檢測單元圖全反射型光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)原理33六、光纖式液位計1、全反射型光纖液位計光纖傳感器具有高的靈敏光的反射、折射

當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。34光的反射、折射當一束光線以一定的入射角光的全反射當增大入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角大于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。35光的全反射當增大入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與各種裝飾性光導(dǎo)纖維36各種裝飾性光導(dǎo)纖維36光纖的結(jié)構(gòu)37光纖的結(jié)構(gòu)37光纖傳感器外形38光纖傳感器外形38圖光纖中的全反射39圖光纖中的全反射39

全反射型光纖液位計有兩根光纖。一根光纖與光源耦合，稱發(fā)射光纖；另一根光纖與光電元件耦合，稱接受光纖。棱鏡的角度滿足以下條件：當棱鏡外為空氣時，光線全反射；當棱鏡外為液體時，全反射條件被破壞。由于液體和空氣的折射率相差很大，致使反射的光強明顯減弱，因此便可判斷液位的高度。這是一個定點式的光電傳感器。40全反射型光纖液位計有兩根光纖。401.液位計探頭在空氣中發(fā)生全反射：光強度=入射光強度2.探頭在液層Ⅰ中發(fā)生折射：光強度=折射光+反射光反射到光電元件的光強減弱3.探頭在液層Ⅰ-Ⅱ中因折射率不同，臨界角變化：反射到光電元件的光強變化4.探頭進入不同介質(zhì)，送至光電元件的信號發(fā)生變化，由此確定液面的位置411.液位計探頭在空氣中發(fā)生全反射：光強度=入射光強度2.探1.將光纖端部加工成棱形，棱形的角度要保證該傳感元件在空氣中時發(fā)生全反射。2.在實際應(yīng)用中，光源一般采用氦氖激光器，光纖采用粗光纖。3.光纖端頭研磨要陡一些，以利于附著的液體立即落下，便于下次測量。光纖液位計用途易燃易爆液體的液面報警；不同介質(zhì)分界面的測定；監(jiān)控液位，防止液體的泄漏。421.將光纖端部加工成棱形，棱形的角度要保證該傳感元件在空氣中浮沉式光纖液位計是一種復(fù)合型液位測量儀表，由普通的浮沉式液位傳感器和光信號檢測系統(tǒng)組成，主要包括機械轉(zhuǎn)換部分、光纖電路和電子儀表電路等三部分。2、浮沉式光纖液位計圖浮沉式光纖液位計工作原理1-計數(shù)齒盤2-鋼索3-重錘4-浮子5-光源6-光纖7-分束器8-計數(shù)齒盤9-透鏡10-光電元件43浮沉式光纖液位計是一種復(fù)合型液位測量儀表，由普通的浮機械轉(zhuǎn)換部分由浮子4、重錘3、鋼索2及計數(shù)齒盤1組成。其作用是將浮子隨液位上下變動的位移轉(zhuǎn)換成計數(shù)齒盤的轉(zhuǎn)動齒數(shù)。當液位上升時，浮子上升而重錘下降，經(jīng)鋼索帶動計數(shù)齒輪順時針方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的齒數(shù)；反之，液位下降，則計數(shù)齒盤逆時針方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的齒數(shù)。通常液位高度變化一個單位，齒盤轉(zhuǎn)過一個齒。44機械轉(zhuǎn)換部分由浮子4、重錘3、鋼索2及計數(shù)齒盤1組成。其作用光纖光路部分由光源5、光纖6、等強度分束器7、兩組光纖光路和兩個相應(yīng)的光電檢測單元10等組成。兩組光纖分別安裝在齒盤的上下兩邊，每當齒盤轉(zhuǎn)過一個齒，上下光纖光路就被切數(shù)據(jù)一次，各自產(chǎn)生一個相應(yīng)的光脈沖信號。由于兩組光纖光路的光脈沖信號在時間上有一個很小的相位差，這樣，就可辨別齒盤是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。45光纖光路部分由光源5、光纖6、等強度分束器7、兩組光纖光路和電子電路部分由光電轉(zhuǎn)換及放大電路、邏輯控制電路、可逆計數(shù)器及顯示電路等組成。光電轉(zhuǎn)換及放大電路——將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號并加以放大。邏輯控制電路——對兩路信號進行辨別。浮沉式光纖液位計可用于液位的連續(xù)測量，易燃易爆介質(zhì)的液位測量。46電子電路部分由光電轉(zhuǎn)換及放大電路、邏輯控制電路、可逆計數(shù)器及七、稱重式液罐計量儀該計量儀既能將液位測得很準，又能反映出罐中真實的質(zhì)量儲量。稱重儀根據(jù)天平原理設(shè)計。杠桿平衡時由于（3-64）代入（3-64）（3-65）