化工儀表及自動化第4章2024/3/24化工儀表及自動化第4章內(nèi)容提要物位檢測的意義及主要類型壓差式液位計工作原理零點(diǎn)遷移問題用法蘭式差壓變送器測量液位其他物位計電容式物位計核輻射物位計雷達(dá)式液位計稱重式液罐計量儀1化工儀表及自動化第4章第一節(jié)物位檢測的意義及主要類型2幾個概念液位料位液位計料位計界面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)式物位儀表化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此3一、工作原理圖4-1差壓式液位計原理圖化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計當(dāng)用差壓式液位計來測量液位時,若被測容器是敞口的,氣相壓力為大氣壓,則差壓計的負(fù)壓室通大氣就可以了,這時也可以用壓力計來直接測量液位的高低。若容器是受壓的,則需將差壓計的負(fù)壓室與容器的氣相相連接。以平衡氣相壓力pA的靜壓作用。結(jié)論4化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計5二、零點(diǎn)遷移問題在使用差壓變送器測量液位時，一般來說實際應(yīng)用中，正、負(fù)室壓力p1、p2分別為則圖4-2負(fù)遷移示意圖化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計遷移彈簧的作用

改變變送器的零點(diǎn)。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(diǎn)相對應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。遷移

同時改變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。6化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計圖4-3正負(fù)遷移示意圖圖4-4正遷移示意圖舉例某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa，當(dāng)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(fù)遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。

7一般型號后面加“A”的為正遷移；加“B”的為負(fù)遷移?；x表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計三、用法蘭式差壓變送器測量液位

單法蘭式

雙法蘭式

法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式8

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)使用法蘭式差壓變送器，如下圖所示。圖4-5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(xì)管；3—變送器化工儀表及自動化第4章第二節(jié)差壓式液位計圖4-6單法蘭插入式差壓變送器1—擋板；2—噴嘴；3—彈簧；4—反饋波紋管；5—主杠桿；6—密封片；7—?dú)んw；8—連桿；9—插入筒；10—膜盒圖4-7雙法蘭式差壓變送器1—擋板；2—噴嘴；3—杠桿；4—反饋波紋管；5—密封片；6—插入式法蘭；7—負(fù)壓室；8—測量波紋管；9—正壓室；10—硅油；11—毛細(xì)管；12—密封環(huán)；13—膜片；14—平法蘭9化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計一、電容式物位計1.測量原理圖4-8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(dāng)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。10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。

化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計2.液位的檢測4-9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(dāng)液位為零時，儀表調(diào)整零點(diǎn)，其零點(diǎn)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(dāng)液位上升為H時，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁?1化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計

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(jìn)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12化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計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。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131—金屬電極棒；2—容器壁圖4-10料位檢測化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計優(yōu)點(diǎn)

電容物位計的傳感部分結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。

缺點(diǎn)

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。14化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計二、核輻射物位計射線的透射強(qiáng)度隨著通過介質(zhì)層厚度的增加而減弱，具體關(guān)系見式（4-9）。（4-9）圖4-10核輻射物位計示意圖1—輻射源；2—接受器特點(diǎn)適用于高溫、高壓容器、強(qiáng)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。15化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計三、雷達(dá)式液位計雷達(dá)式液位計是一種采用微波技術(shù)的液位檢測儀表?？梢杂脕磉B續(xù)測量腐蝕性液體、高黏度液體和有毒液體的液位。它沒有可動部件、不接觸介質(zhì)、沒有測量盲區(qū),而且測量精度幾乎不受被測介質(zhì)的溫度、壓力、相對介電常數(shù)的影響,在易燃易爆等惡劣工況下仍能應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)16化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計圖4-12雷達(dá)式液位計示意圖雷達(dá)波由天線發(fā)出到接收到由液面來的反射波的時間t由下式確定由于故

雷達(dá)探測器對時間的測量有微波脈沖法及連續(xù)波調(diào)頻法兩種方式。17化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計圖4-13微波脈沖法原理示意圖要使用導(dǎo)波管？18化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計四、稱重式液罐計量儀既能將液位測得很準(zhǔn)，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。由于杠桿平衡時（3-64）代入（3-64）（3-65）如果液罐是均勻截面（3-66）（3-67）19化工儀表及自動化第4章第三節(jié)其他物位計圖4-14稱重式液罐計量儀1—下波紋管；2—上波紋管；3—液相引壓管；4—?dú)庀嘁龎汗埽?—砝碼；6—絲杠；7—可逆電機(jī)；8—編碼盤；9—發(fā)訊器式中如果液罐的橫截面積A為常數(shù)，得將式（3-67）代入式（3-65），得（3-68）20化工儀表及自動化第4章例題分析舉例1.某貯罐內(nèi)的壓力變化范圍為12~15MPa，要求遠(yuǎn)傳顯示，試選擇一臺DDZ-Ⅱ型壓力變送器(包括準(zhǔn)確度等級和量程)。如果壓力由12MPa變化到15MPa，問這時壓力變送器的輸出變化了多少?如果附加遷移機(jī)構(gòu),問是否可以提高儀表的準(zhǔn)確度和靈敏度?試舉例說明之。

解：如果已知某廠生產(chǎn)的DDZ-Ⅱ型壓力變送器的規(guī)格有：0～10，16，25，60，100（MPa）精度等級均為0.5級。輸出信號范圍為0～10mA。21化工儀表及自動化第4章例題分析由已知條件，最高壓力為15MPa，若貯罐內(nèi)的壓力是比較平穩(wěn)的，取壓力變送器的測量上限為若選擇測量范圍為0～25MPa、準(zhǔn)確度等級為0.5級,這時允許的最大絕對誤差為

由于變送器的測量范圍為0～25MPa，輸出信號范圍為0～10mA,故壓力為12MPa時,輸出電流信號為

22化工儀表及自動化第4章例題分析壓力為15MPa時，輸出電流信號為

這就是說,當(dāng)貯罐內(nèi)的壓力由12MPa變化到15MPa時,變送器的輸出電流只變化了1.2mA。在用差壓變送器來測量液位時，由于在液位H=0時,差壓變送器的輸入差壓信號Δp并不一定等于0，故要考慮零點(diǎn)的遷移。實際上遷移問題不僅在液位測量中遇到，在其他參數(shù)的測量中也可能遇到。加上遷移機(jī)構(gòu)，可以改變測量的起始點(diǎn)，提高儀表的靈敏度(只不過這時儀表量程也要作相應(yīng)改變)。23化工儀表及自動化第4章例題分析由本例題可知，如果確定正遷移量為7MPa，則變送器的量程規(guī)格可選為16MPa。那么此時變送器的實際測量范圍為7～23MPa，即輸入壓力為7MPa時，輸出電流為0mA；輸入壓力為23MPa時，輸出電流為10mA。這時如果輸入壓力為12MPa，則輸出電流為輸入壓力為15MPa時,輸出電流為

24化工儀表及自動化第4章例題分析由此可知，當(dāng)輸入壓力由12MPa變化到15MPa時，輸出電流變化了1.875mA，比不帶遷移機(jī)構(gòu)的變送器靈敏度提高了。變送器的準(zhǔn)確度等級仍為0.5級，此時儀表的最大允許絕對誤差為(23-7)×0.5%=0.08MPa，所以，由于加了遷移機(jī)構(gòu)，使儀表的測量誤差減少了。25化工儀表及自動化第4章例題分析圖4-15法蘭式差壓變送器測液位262.用一臺雙法蘭式差壓變送器測量某容器的液位,如圖4-15所示。已知被測液位的變化范圍為0~3m,被測介質(zhì)密度ρ=900kg/m3,毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度ρ0=950kg/m3。變送器的安裝尺寸為h1=1m,h2=4m。求變送器的測量范圍,并判斷零點(diǎn)遷移方向,計算遷移量,當(dāng)法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時,問對測量有何影響?化工儀表及自動化第4章例題分析解：當(dāng)不考慮遷移量時,變送器的測量范圍應(yīng)根據(jù)液位的最大變化范圍來計算。液位為3m時,其壓差為這里值得一提的是壓力單位Pa用SI基本單位時就相當(dāng)于m-1·kg·s-2，即27化工儀表及自動化第4章例題分析所以液柱壓力用Hρg計算時,只要H用m,ρ用kg/m3，g用m/s2為單位時,相乘結(jié)果的單位就是Pa。上述計算結(jié)果Δpmax為26.487kPa,經(jīng)過圓整后,測量范圍可選0～30kPa。根據(jù)圖示,當(dāng)液位高度為H時,差壓變送器正壓室所受的壓力p1為負(fù)壓室所受的壓力p2為28化工儀表及自動化第4章例題分析因此，差壓變送器所受的壓差為由上式可知,該差壓變送器應(yīng)進(jìn)行負(fù)遷移,其遷移量為h2ρ0g。當(dāng)差壓變送器安裝的高度改變時,只要兩個取壓法蘭間的尺寸h2不變,其遷移量是不變的。29化工儀表及自動化第4章例題分析3.用單法蘭電動差壓變送器來測量敞口罐中硫酸的密度,利用溢流來保持罐內(nèi)液位H恒為1m。如圖4-16所示。已知差壓變送器的輸出信號為0~10mA,硫酸的最小和最大密度分別為ρmin=1.32(g/cm3),ρmax=1.82(g/cm3)圖4-16流體密度測量示意圖ρmin=1.32(g/cm3),ρmax=1.82(g/cm3)要求:(1)計算差壓變送器的測量范圍；(2)如加遷移裝置,請計算遷移量；(3)如不加遷移裝置,可在負(fù)壓側(cè)加裝水恒壓器(如圖中虛線所示)，以抵消正壓室附加壓力的影響,請計算出水恒壓器所需高度h。30化工儀表及自動化第4章例題分析解：（1）若不考慮零點(diǎn)遷移,那么就要以ρmax來計算差壓變送器的測量范圍。當(dāng)ρ=ρmax=1.82g/cm3時,差壓變送器所承受的差壓為將H=1m,ρmax=1820kg/m3，g=9.81m/s2代入上式,得如果選擇差壓變送器的測量范圍為0～2×104Pa,則當(dāng)ρ=ρmax=1.82g/cm3時,對應(yīng)的變送器輸出為31化工儀表及自動化第4章例題分析當(dāng)ρ=ρmin=1.32g/cm3時,其差壓為

這時差壓變送器的輸出為

由上可知，當(dāng)硫酸密度由最小值變化到最大值時，輸出電流由6.475mA變化到8.925mA，僅變化了2.45mA，靈敏度是很低的。32化工儀表及自動化第4章例題分析（2）為了提高靈敏度，可以考慮進(jìn)行零點(diǎn)遷移，提高測量的起始點(diǎn)?？紤]到ρ=ρmax時，這時所對應(yīng)的壓差仍為1.785×104Pa，所以在提高測量起始點(diǎn)的同時，測量上限卻可以不改變，這樣一來，實際量程壓縮了。當(dāng)ρ=ρmin=1.32g/cm3時,Δpmin=1.295×104Pa。因此可以選擇遷移量為1×104Pa,測量范圍為1×104～2×104Pa的差壓變送器。這時,若ρ