物位测量课件

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第5章物位的测量本章介绍了物位的基本概念，以及物位测量的特点，详细分析了一些典型物位计的工作原理，介绍了它们的优缺点、应用场合及使用的注意事项。

15.1.1物位测量的一般概念物位:储物在容器中的积存高度。即液位、料位和界位的位置统称为物位。对物位进行测量、报警和自动调节的仪表叫做物位测量仪表。其中，测量液位的仪表叫液位计；测量料位的仪表叫料位计.

25.1.2物位测量的工艺特点和主要问题1.液位测量的工艺特点液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或起泡沫的现象。大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大，或含有大量杂质、悬浮物等。

32.料位测量的工艺特点物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因此料面是不平的,难以确定料位高度。物料进出时，又存在着滞留区（由于容器结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区），影响到物位最低位置的测准。储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响对物料储量的计算，而后者则在振动或压力、湿度变化时物位也随之变化。3.界位测量中最常见的问题是界面位置不明显，浑浊段的存在也影响测准。5.1.2物位测量的工艺特点和主要问题

45.1.3物位测量仪表的分类物位测量仪表的种类很多，而且还在不断发展。按其工作原理可归纳为以下几种：直读式物位测量仪表、浮力式物位测量仪表、静压式物位测量仪表、电磁式物位测量仪表、电容式物位测量仪表、超声波式物位测量仪表核辐射式物位测量仪表等。此外，还有声学式、称重式、重锤式、旋翼式等。

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65.2直读式液位计玻璃液位计的工作原理：按照连通器液柱静压平衡的原理工作的。优点：结构简单、价格便宜，一般用在温度及压力不太高的场合就地指示液位的高低。缺点：不能测量深色或粘稠的介质的液位，另外玻璃易碎，且信号不能远传和自动记录。玻璃液位计按照结构可以分为玻璃管式和玻璃板式液位计两种。

7当用玻璃液位计进行精确测量时应注意：应使容器和仪器中的介质具有相同的温度，以免因密度不同而引起示值误差。玻璃液位计管径不宜太小，以免因毛细现象而引起示值误差。应尽量减小连通管上的流动阻力，以减小液位快速变化时产生的动态误差。为了改善仪表的动态性能，也不能把连通管上的阀门省掉。当玻璃管或玻璃板一旦发生损坏时，可利用连通管上的阀门进行切断，以免事故扩大。5.2直读式液位计

85.3浮力式液位计工作原理：基于液体浮力原理而工作的。浮力式液位计分为浮子式和浮筒式液位计两种。优点：不容易受到外界环境的影响；浮子或浮筒直接受浮力推动，比较直观、可靠，结构简单、维修方便等。缺点：由于具有可动部件，故容易受摩擦而影响它的灵敏度和增大误差，而且可动部件易被污垢、锈蚀卡死而影响可靠性。另外，由于浮筒或浮子要垂直或横伸于容器中，故所占空间较大。

9浮子式液位计浮子式液位计的特点：它的浮子由于受到液体浮力作用而漂浮于液面上，并随液位的变化而升降，即浮子的位移正确地跟随液位而变化。浮子式液位计中的浮子始终漂浮在液面上，其所受浮力为恒定值。

101.钢丝绳（或钢带）式浮子液位计浮子式液位计

11浮子式液位计杠杆浮球式液位计分为内浮式和外浮式。使用时若有沉淀物或凝结物附在浮球上，要重新调整平衡锤的位置，校正零位。这类仪表变化灵活，容易适应介质的温度、压力、粘度等条件。但受机械杠杆长度的限制，测量范围较小。2.杠杆浮球式液位计

125.3.1浮子式液位计翻板由极薄的导磁金属制成，每片宽10mm，垂直排列，并各自能绕框架上的小轴旋转。翻板的一面涂有红漆，另一面涂银灰漆。3.翻板式液位计

135.4静压式液位计静压式液位计：通过测静压力或静压差来测量液位的仪表。静压式液位计的工作原理：容器中盛有液体或固体物料时，物体对容器的底部或侧壁会产生一定的静压力。当液体的密度均匀，或固体颗粒及物料的密度与疏密程度均匀时，此静压力与物料的物位高度成正比。测出这个静压力的变化就可知道物位的变化。在测量液面上部空间气相压力有波动的密闭容器的液位时，则采用测量差压的方法。

145.4静压式液位计静压式液位计是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的。如图所示，根据流体静力学原理可得A、B两点之间的压力差为Δp＝pB－pA＝ρgH

155.4.1压力计式液位计压力计式液位计是根据测压仪表测量液位的原理制成的，用来测量敞口容器中的液位高度。测压仪表通过取压导管与容器底部相连，当液体密度ρ为常数，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。

165.4.1压力计式液位计压力计式液位计的特点：优点：比较简单，而且测量范围不受限制，信号可以远传。缺点：精度受到压力表精度的限制，而且只适用于敞口容器的测量，当液体密度发生变化时，会引入一定的误差。如果被测介质具有腐蚀性，应在仪表与被测液体之间加装隔离罐。但是应注意隔离液与被测液体之间不能发生互溶现象。注意：当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高度差引起的固定压力进行修正。

175.4.2差压式液位计用压力式液位计测量密闭容器的液位时，压力表的示值包含了液面上部的气相压力，而此压力不一定是定值，所以用这种液位计测量液位时会引起较大的误差。为消除气相压力的影响，需采用差压式液位计。

185.4.3法兰式压力变送器的应用法兰式差压变送器的法兰直接与容器上的法兰相连接，作为敏感元件的测量头（金属膜盒）经毛细管与变送器的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的密闭系统内充有硅油，作为传压介质，毛细管外套以金属蛇皮管保护，法兰测头的结构形式分为平法兰和插入式法兰两种。

19法兰式差压变送器适宜于测量腐蚀性、结晶性、粘稠性和含有悬浮物的液体的液位和界位测量。法兰式差压变送器缺点：比普通的差压变送器贵，而且有的毛细管内的充灌液很容易渗漏掉。反应比普通的差压变送器迟缓，特别是天冷的时候，仪表的灵敏度更低。法兰式液位计的测量范围还受毛细管长度的限制。因此，使用哪一种液位计进行测量，要视具体的情况而定。5.4.3法兰式压力变送器的应用

205.4.4静压式液位计的零点迁移无论是压力检测法还是差压检测法都要求取压口（零液位）与压力（差压）检测仪表的入口在同一水平高度上，否则就会产生附加静压误差。1.无迁移两个不同形式的液位测量系统中，将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，作为测量仪表的差压变送器的输入差压Δp和液位H之间的关系都可以用Δp＝pB－pA＝ρgH表示。当H＝0时，差压变送器的输入Δp=0，差压变送器的输出也为0（下限值），相应地显示仪表指示为0，这时不存在零点迁移问题。

215.4.4静压式液位计的零点迁移无迁移液位测量系统1－容器2－变送器3－液位零面

225.4.4静压式液位计的零点迁移2.正迁移差压变送器在液位基准面下方h处，这时，作用在差压变送器正、负压室的压力分别为p1＝ρg(H+h)+p0p2＝p0差压变送器的差压输入为Δp＝p1－p2＝ρg(H+h)H=0时，Δp=ρgh>0

233.负迁移如图所示的液位测量系统，气相导压管中充满的不是气体而是冷凝水（其密度与容器中的水的密度近似相等）。这时，差压变送器差压输入为5.4.4静压式液位计的零点迁移Δp＝p1－p2＝ρg(H－H0)H=0时，Δp=－ρgH0<0

245.4.5静压式液位计的特点及选型1.静压式液位计的特点差压式仪表的性能稳定、精度高，是应用最广泛的一种仪表。利用差压式液位计测量液位具有如下特点：检测元件不占容器空间，而只需在容器侧壁上开两个引压孔。检测元件无可动部件，安装方便，使用可靠。采用法兰式结构还可以解决黏度大、易结晶、有悬浮物的介质液位的测量。在冬季使用时，须采用保温措施，以防止隔离罐、导压管及仪表内的液体冻结，影响正常的测量。

255.4.5静压式液位计的特点及选型2.静压式液位计的选型腐蚀性、结晶性、粘稠性、易汽化和含悬浮物的液体，宜选用平法兰式差压式液位计。高结晶、高粘性、结胶性和沉淀性液体，宜选用插入式法兰差压式液位计。对于在环境温度下，气相可能冷凝，液相可能汽化，或气相有液体分离的对象，在使用普通差压式液位计进行测量时，应视具体情况分别设置隔离器、分离器、汽化器、平衡容器等部件，或对测量管线保温、伴热。用差压式液位计测量锅炉汽包液面时，所采用的双室平衡容器应为温度补偿型的。

26导电式液位计是利用某些液体的导电特性制成的。导电式液位计的被测介质必须是导电的，在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。5.5导电式液位计

275.6超声波式物位计5.6.1超声波的特性5.6.2超声波物位计的特点及其分类

285.6.1超声波的特性1.超声波的分类纵波：横波：表面波：2.超声波的传播速度超声波可以在气体、液体及固体中传播，传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，而且还与介质所处的状态有关。3.声波的反射与折射

295.6.2超声波物位计的特点及其分类超声波物位计的优点：可以定点和连续测量，能很方便地提供遥测或遥控所需要的信号；测量装置不需要防护；超声波测量技术可选用气体、液体或固体作为传声媒质，有较大的适应性；没有可动部件，安装维护较方便；超声波不受光线、粘度的影响等；超声波物位计可以做到非接触测量，可测范围广；超声波换能器寿命长。超声波物位计的缺点：换能器本身不能承受高温；声速受到介质的温度、压力等影响；电路复杂、造价较高；超声波物位计不能测量有气泡和悬浮物的液位，被测液面有很大波浪时，在测量上会引起超声波反射混乱，产生测量误差。

305.6.2超声波物位计的特点及其分类1.定点式超声波物位计常用的定点式超声波物位计有声阻尼式、液介穿透式和气介穿透式三种。（1）声阻尼式液位计工作原理：利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著差别这一特性来判断测量对象是液体还是气体，从而测定是否到达检测换能器的安装高度。

31工作原理：利用超声换能器在液体中和气体中发射系数的显著差别来判断被测液面是否到达换能器的安装高度。优点：结构简单，不受被测介质物理性质的影响，工作安全可靠。5.6.2超声波物位计的特点及其分类（2）液体介质穿透式超声波液位计

32（3）气体介质穿透式超声波物位计将两换能器相对安装在预定高度的一直线上，使其声路保持畅通。当被测物位升高遮断声路时，接收换能器收不到超声波，控制器内继电器动作，发出相应的控制信号。由于超声波在空气中传播，故频率选择得较低（20kHz～40kHz）。适用场合：粉状、颗粒状、块状或其他固体料位的发讯和报警。优点：结构简单、安全可靠、不受被测介质物理性质的影响，适用范围广。5.6.2超声波物位计的特点及其分类

332.连续式超声波物位计（1）液体介质超声波液位计（2）气体介质超声波物位计5.6.2超声波物位计的特点及其分类原理：以被测介质上方的气体为导声介质，利用回声测距测量物位。原理与液介式超声波物位计相似。

34（3）超声波界位计工作原理：利用超声波反射时间差法可以检测液液相界面位置。两种不同的液体A、B的相界面在h处，液面高度已知为h1，超声波在A、B两种液体中的传播速度分别为v1和v2。超声波换能器安装在容器的底部。5.6.2超声波物位计的特点及其分类

355.7核辐射式物位计5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点5.7.2利用核辐射式物位计测量物位的方法5.7.3核辐射式物位计的使用与防护

365.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点核辐射：放射性同位素的原子核在核衰变中放出各种带有一定能量的粒子或射线的现象。核辐射放射出的射线有α、β、γ三种射线。其中，α射线由带正电的α粒子组成，β射线由带负电的β粒子组成，γ射线由中性的光子所组成。γ射线与α射线和β射线相比受物质的吸收较小，能穿过几十厘米厚的钢板或其他固体物质，所以γ射线在物位检测中的应用较多。

375.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点只要能测知穿过介质后的射线强度I，那么介质的厚度即物位的高度H就可求出。不同的介质吸收射线的能力是不同的，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。当射线穿过物质时，会被物质的原子散射和吸收而损失掉一部分能量。射线在穿过物质层后，其能量强度随物质层的厚度呈指数规律衰减，可表示为

38核辐射物位计组成：放射源、接收器和显示仪表。核辐射物位计原理框图5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点

39γ射线物位计具有如下重要特点：可以从容器、罐等密闭装置的外部以非接触的方式进行测量。不受温度、湿度、压力、粘度和流速等被测介质性质和状态的限制，特别适用于高温、高压容器，强腐蚀、剧毒、易爆、易结晶、沸腾状态介质以及高温熔体等物位的测量。不受温度、压力、湿度以及电磁场等环境因素的影响，故此物位计可用于恶劣环境下，且不常有人到的地方。不仅可以测量液位，还可以测量料位。可以测量密度相差很小的两层介质的分界面位置。放射线对人体有害，所以对它的剂量及使用范围要加以控制和限制，而且在使用中必须进行防护。5.7.1核辐射式物位计的工作原理与特点

405.7.2利用核辐射式物位计测量物位的方法定点测量法。将辐射源和接收器安装在容器的相对两面，处于同一水平面。这种方法测量射线的有无，受外界条件和被测物质的性质、形状以及内壁的附着物的影响小，工作稳定、可靠。

41在使用工业核仪表时，应该注意以下几点：接收器一般在50℃～60℃就不能正常工作，因此在高温环境下，必须进行冷却。对放射源必须采取严格的防护措施，遵守安全操作规程，确保人身安全。仪表到货后应单独妥善保管，不得与易燃、易爆、腐蚀性等物品放在一起。安装地点除从工艺核仪表要求考虑外，尽量置于其他人员很少接近的地方，并设置有关标志，安装地点应远离人行过道。5.7.3核辐射式物位计的使用与防护

42安装时，应先安装有关机械部件和探测器并初步调校正常，然后再安装放射源，安装时应将放射源容器关闭，使用时再打开。检修时应关闭放射源容器，需要带源检修时，应事先制定操作步骤，动作准确迅速，尽量缩短时间，防止不必要的照射。放射源半衰期以后，需要更换，否则会影响测量精度，更换放射源时，一般请仪表制造厂家或专业单位进行，有条件的单位也可自行更换。废旧放射源的处置，应与当地卫生防护部门联系，交由专门的放射性废物处理单位处理，用户不得将其作一般废旧物资处理，更不能随意乱丢。5.7.3核辐射式物位计的使用与防护