第2章檢測(cè)儀表過程控制及自動(dòng)化儀表電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院王紅一

授課專業(yè)：自動(dòng)化液位：容器中液體介質(zhì)的高低料位：容器中固體物質(zhì)的堆積高度界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度2.5物位檢測(cè)及儀表物位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，如果汽包水位過低，就會(huì)危及鍋爐的安全，造成嚴(yán)重事故。2.5.1概述物位的含義包括：物位測(cè)量?jī)x表可分為下列幾種類型。1.靜壓式物位測(cè)量利用液體或物料對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生的壓力隨液位高度而變化的原理而工作。2．浮力式物位測(cè)量利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。3.電氣式物位測(cè)量利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)的變化，而得知物位。4.核輻射式物位測(cè)量利用核輻射線穿透物料時(shí)，核輻射線的透射強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理進(jìn)行測(cè)量。5.聲學(xué)式物位測(cè)量測(cè)量超聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)間的長(zhǎng)短，據(jù)此可測(cè)出物位。6.光學(xué)式物位測(cè)量利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷和反射的原理測(cè)量物位。靜壓式液位變送器浮球液位變送器浮球液位變送器靜壓式液位變送器電容式物位變送器超聲波物位變送器

p1=H

g+p2

Δp=p1-p2=H

g式中：H—液位高度；—介質(zhì)密度；g—重力加速度。p2p12.5.2差壓式液位變送器利用測(cè)量容器底部和頂部的壓差測(cè)液位。2.5.2.1測(cè)量原理設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下部取壓點(diǎn)壓力為p2，則：若被測(cè)容器是敞口的，則氣相壓力為大氣壓，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣，或用壓力變送器、或用壓力表即可測(cè)量。因?yàn)閴毫ψ兯推骱蛪毫Ρ矶际菧y(cè)量與大氣壓之差。2.5.2.2零點(diǎn)遷移理想測(cè)量條件下，液位H=0時(shí)，變送器的輸入壓差信號(hào)?P=0，差壓變送器的輸出為零點(diǎn)信號(hào)4mA。零點(diǎn)是對(duì)齊的：H＝0時(shí)，Δp=H

g=0，I0=4mA應(yīng)用時(shí)，由于差壓變送器安裝的實(shí)際情況限制，測(cè)量零點(diǎn)很難對(duì)齊，需要對(duì)差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。Δp=p1-p2=(h1

2g+H1g+p0)－(h2

2g+p0)=H1g-(h2-

h1)

2g1、負(fù)遷移如圖所示，變送器和容器之間用隔離罐隔離時(shí)：當(dāng)H=0時(shí)，

Δp=-(h2-

h1)

2g此時(shí)，變送器應(yīng)輸出4mA以下，但變送器的輸出只能是4~20mA

零點(diǎn)遷移的方法是，另加＋

(h2-

h1)

2g信號(hào)，抵消－(h2-

h1)

2g的影響。使：H=0時(shí)，Δp=0H?p0I/mA?p420I/mA?p420H?p0遷移前遷移后2、正遷移有時(shí)變送器不能和容器底部安裝在同一水平面上。如圖所示，有：?P=Hρg＋hρg

H=0時(shí)，?P=＋hρgH?p0I/mA?p420遷移的目的：使變送器輸出的起點(diǎn)與被測(cè)量起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍向正方向或負(fù)方向的平移。此時(shí)需要遷移＋hρgH?p0H?p0例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為0～50MPa，對(duì)應(yīng)輸出從4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖2.57中曲線a所示。若因安裝的原因：H=0時(shí)，?P=－10MPa，則需負(fù)遷移。H=0時(shí)，?P=10MPa，則需正遷移。無遷移負(fù)遷移正遷移-1050cab2040I0/mA?P/MPa-102.5.2.3用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位在測(cè)量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝固等液體液位時(shí)，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞?？墒褂眉痈綦x膜盒的法蘭式差壓變送器。

插入式法蘭平法蘭2.5.3電容式物位變送器利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也相應(yīng)變化的原理測(cè)物位?？蓽y(cè)量液位、料位和兩種不同液體的分界面。測(cè)量原理圓柱形電容器的電容量為L(zhǎng)Ddε為介電系數(shù)H=0時(shí)：H＞0時(shí)：C=dD2πHεlndD2π(L-H)ε0ln＋dD2πH(ε-ε0)?C=C－C0ln=設(shè)空氣的介電系數(shù)為ε0，被測(cè)物料的介電系數(shù)為εdD2πLε0C0ln==kHLDdε0εH電容的變化量與液位成正比。εε02.5.3.1液位的檢測(cè)對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測(cè)量，用雙電極式。對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量，金屬容器的外壁即是電容的外電極。2.5.3.2料位的檢測(cè)和導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量一樣，用單電極式。測(cè)量電容量可用交流電橋，也可用其他方法測(cè)定。例如充放電法。如圖所示，用振蕩器給液位電容Cx加上幅度和頻率恒定的矩形波。若矩形波的周期T遠(yuǎn)大于充放電回路的時(shí)間常數(shù)，則每個(gè)周期都有電荷Q=CxΔE對(duì)Cx

充放電，二極管將充電和放電電流檢波，可用微安表測(cè)得平均電流。

可見，充電(或放電)的平均電流與液位電容成正比，微安表的讀數(shù)可反映液面的高低。

流過微安表的平均電流為：式中，?E—矩形波電壓幅度，f—矩形波頻率2.5.4超聲波液位計(jì)利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能反射的特性，可用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來的時(shí)間，以確定液面的高度。若速度v為已知常數(shù)，便可測(cè)時(shí)間t算出液面高度H。

v—超聲波在液體中的傳播速度若測(cè)料位，則超聲波物位計(jì)安裝在容器頂部。2.6成分檢測(cè)及儀表所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一種物質(zhì)所占的比例。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線實(shí)時(shí)檢測(cè)物料的成分。例如在鍋爐燃燒控制中，必須根據(jù)煙道氣的含氧量變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。成分檢測(cè)項(xiàng)目繁雜，此處只介紹幾種在過程控制中常用的成分檢測(cè)儀表。2.6.1氧化鋯氧量計(jì)氧化鋯氧量計(jì)廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測(cè)量，以控制燃燒效率。2.6.1.1工作原理

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣鉑電極ZrO2O2-O2-O2-O2-O2-EE在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯（ZrO2）中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）時(shí)，四價(jià)鋯的電子被二價(jià)鈣或三價(jià)釔所置換，形成氧離子空穴。在氧化鋯兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電極，就構(gòu)成氧濃差電池。

氧化鋯測(cè)氧原理可歸結(jié)為“氧濃差電池”的形成過程。氧化鋯外側(cè)為被測(cè)煙氣，氧含量約為4~6％，其氧分壓為P1，氧濃度為φ1；內(nèi)側(cè)為參比氣體，如空氣，氧含量20.8％，其氧分壓為P2，氧濃度為φ2。E

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-當(dāng)溫度達(dá)600℃以上時(shí)，空穴型氧化鋯就成為良好的氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠以離子形式從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散。氧分子從鉑電極處得到電子成為氧離子進(jìn)入氧化鋯空穴，高氧側(cè)鉑電極失去電子而帶正電。O2+4e→2O2-

還原反應(yīng)當(dāng)氧離子通過氧化鋯到達(dá)低氧側(cè)時(shí)，氧離子將電子還給鉑電極變成氧分子進(jìn)入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶負(fù)電。2O2-→O2+4e

氧化反應(yīng)

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E式中：R—?dú)怏w常數(shù)；F—法拉弟常數(shù)；n—一個(gè)氧分子攜帶電子數(shù)（n＝4）；T—?dú)怏w絕對(duì)溫度；P1、P2—被測(cè)氣體與參比氣體的氧分壓。

根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢(shì)E可以表示為：

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正比，有：

代入Nernst方程，氧濃差電勢(shì)E為

Φ2P2空氣

Φ1P1煙氣O2-O2-O2-O2-O2-E可見，氧濃差電勢(shì)是煙氣含氧量Φ1的單值函數(shù)。

1、溫度T恒定在600℃以上。為此，可在氧化鋯探頭內(nèi)安裝加熱器。2、空氣的氧含量恒定。為此，探頭空氣口可安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8％3、參比氣體與被測(cè)氣體壓力相等，才能用濃度來代替氧分壓。此外，E與Φ1呈非線性關(guān)系，必須經(jīng)線性化電路處理。

關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是：2.6.1.2傳感器結(jié)構(gòu)1、抽吸定溫式氧化鋯探頭帶有加熱裝置和測(cè)溫元件。將被測(cè)氣體加熱到定值溫度，以便準(zhǔn)確測(cè)量。煙氣2、直插補(bǔ)償式如果被測(cè)氣體溫度達(dá)560℃以上，則氧化鋯探頭不設(shè)加熱裝置，直接安裝在煙道內(nèi)。但要裝測(cè)溫元件，測(cè)被測(cè)氣體溫度，以便在后級(jí)電路中對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。2.6.2氣相色譜分析儀色譜分析法是近年來獲得迅速發(fā)展的一種分離分析技術(shù)，其特點(diǎn)是分離能力強(qiáng)，分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。例如分析石油產(chǎn)品時(shí)，一次可分離分析一百多種組分；在分析超純氣體時(shí)，可鑒定出1ppm（ppm為濃度單位，表示百萬(wàn)分之—），甚至0．1ppb（ppb表示十億分之一）的組分；因此，目前被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)及科研中。植物色素+石油醚石油醚色譜分析法得名于1906年把溶有植物色素的石油醚倒入裝有碳酸鈣吸附劑豎直玻璃管中再倒入純的石油醚幫助它自由流下

看到分離開的一層層不同顏色的譜帶碳酸鈣對(duì)不同的植物色素吸附能力不同固定相移動(dòng)相碳酸鈣吸附劑2.6.2.1色譜分析原理這種分離分析方法被稱為色層分析法或色譜分析法。凡移動(dòng)相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動(dòng)相是氣態(tài)的稱為氣相色譜。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，色譜分析法被擴(kuò)展到無色物質(zhì)的分離，分離后各組分的檢測(cè)也不再限于用肉眼觀察顏色，所以“色譜”這個(gè)名字漸漸失去了它原來的含義。因?yàn)榉蛛x方法仍是原來的原理，所以至今仍使用這個(gè)歷史名稱。實(shí)用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測(cè)器及載氣、采樣等輔助裝置組成。色譜柱一般的色譜柱，是在直徑約3~6mm、長(zhǎng)約1～4m的玻璃或金屬細(xì)管中，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu)成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等。用氫、氮、空氣等作“載氣”，運(yùn)載被分析樣氣通過固定相。載氣和被分析樣氣稱為移動(dòng)相。分離過程設(shè)樣氣中有A、B、C三種不同的成分。從色譜柱分離原理可知，被分析的樣氣應(yīng)當(dāng)是脈沖式輸入，在載氣的推動(dòng)下通過色譜柱。在流動(dòng)的過程中，吸附性小的成分前進(jìn)速度快，C、B、A各組分依次從色譜柱流出。樣氣中A、B、C三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離后，依次進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器輸出隨時(shí)間變化的曲線稱為色譜流出