第14章物位測量14.1浮力式液位檢測14.2差壓式液位計14.3電容式物位計14.4超聲波物位傳感器2021/10/101

物位是容器中液體的液位、粉狀或顆粒狀固體物料的料位及兩種介質(zhì)相界面位置的總稱。液位是指開口容器或密封容器中液體介質(zhì)液面的高低，用來測量液位的儀表稱為液位計；料位是指固體粉狀或顆粒物在容器中堆積的高度，用來測量料位的儀表稱為料位計；相界面是指兩種液體介質(zhì)的分界面，用來測量分界面的儀表稱為界面計。

物位檢測在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中具有重要地位。一方面通過物位檢測可確定容器里的原料、半成品或成品的數(shù)量，以保證能連續(xù)供應(yīng)生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)所需的物料或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；另一方面是通過檢測，連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器內(nèi)流入和流出物料的平衡，使之保持在一定的高度，使生產(chǎn)正常進(jìn)行，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和安全。一旦物位超出允許的上、下限則報警，以便采取應(yīng)急措施。為滿足生產(chǎn)過程物位檢測的要求，目前已建立起各種各樣的物位檢測方法，如直讀法、浮力法、靜壓法、電容法、核輻射法、超聲波法以及激光法、微波法等。2021/10/102圖14-1恒浮力式物位測量原理圖返回課程2021/10/10314.1浮力式液位檢測

浮力式液位檢測主要分為通過測量漂浮于被測液面上的浮子隨液面變化而產(chǎn)生的位移來檢測液位的恒浮力式檢測和利用沉浸在被測液體中的浮筒所受的浮力與液面位置的關(guān)系來檢測液位的變浮力式檢測。2021/10/10414.1.1恒浮力式液位檢測

測量原理如圖14-1所示，將浮子由繩索經(jīng)滑輪與容器外的平衡重物相連。利用浮子所受重力與浮力之差與平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上，則平衡關(guān)系為(14-1)W-F=G

式中，W—浮子所受重力；F—浮子所受浮力；G—平衡重物的重力。返回課程2021/10/105當(dāng)液位上升時，浮子所受浮力增加，則，使原有平衡關(guān)系被破壞，浮子向上移動。但浮子向上移動的同時，浮力下降，增加，直到又重新等于時，浮子將停留在新的液位上，反之亦然。因而實(shí)現(xiàn)了浮子對液位的跟蹤。式（14-1）中的與可認(rèn)為是常數(shù)，因此浮子停留在任何高度的液面上時，值不變，故稱此法為恒浮力法。這種方法實(shí)質(zhì)上是通過浮子把液位的變化轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動指針對液位進(jìn)行指示，還可以通過電或氣的轉(zhuǎn)換器把機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號或氣信號。圖14-2(a)所示為浮子式液位計。在密閉容器中設(shè)置一個測量液位的通道，在通道的外側(cè)裝有浮標(biāo)1和磁鐵2，通道內(nèi)側(cè)裝有鐵心3。當(dāng)浮子隨液位上下移動時，鐵心被磁鐵吸引而同步移動，通過繩索帶動指針指示液位變化。圖14-2(b)為適用于高溫、粘度大的液體的液位計，浮球6是不銹鋼的空心球，通過標(biāo)桿7和轉(zhuǎn)運(yùn)軸8連接，配合9用來調(diào)節(jié)液位計的靈敏度，使浮球剛好一半浸沒在液體中。浮球隨液位升降而帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，指針就在標(biāo)尺上指示出液位值。2021/10/1061—浮標(biāo)；2—磁鐵；3—鐵心；4—導(dǎo)輪；5—非導(dǎo)磁管；6—浮球；7—連桿；8—轉(zhuǎn)運(yùn)軸；9—稱錘；10—標(biāo)桿圖14-2浮子式液位計示意圖返回課程2021/10/107圖14-3變浮力式液位計原理圖返回課程2021/10/10814.1.2變浮力式液位檢測

變浮力式(沉筒式)液位計工作原理如圖14-3所示，它是利用浮筒在被測液體中浸沒高度不同以致所受浮力不同來實(shí)現(xiàn)液位檢測的。將一橫截面積為，質(zhì)量為的空心金屬圓筒(浮筒)懸掛在彈簧上，彈簧的下端固定，當(dāng)浮筒的重力與彈簧力達(dá)到平衡時，則有(14-2)

式中，C—彈簧的剛度；—彈簧由于浮筒重力產(chǎn)生的位移。2021/10/109當(dāng)液位高度為H時，浮筒受到液體的浮力作用而向上移動，設(shè)浮筒實(shí)際浸沒在液體中的長度為h，浮筒移動的距離即彈簧的位移變化量為，即。當(dāng)浮筒受到的浮力與彈簧力和浮筒的重力相平衡時，有(14-3)

式中，為浸沒浮筒的液體密度將式(14-2)代入上式并整理得(14-4)一般情況下，，所以，從而被測液位可表示為

(14-5)2021/10/1010由上式可知，當(dāng)液位變化時，浮筒產(chǎn)生的位移變化量與液位高度成正比關(guān)系。變浮力式液位計實(shí)際上是將液位轉(zhuǎn)換成浮筒的位移。如在浮筒的連桿上安裝鐵心，可隨浮筒一起上下移動，通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系。沉筒式液位計適應(yīng)性能好，對粘度較高的介質(zhì)、高壓介質(zhì)及溫度較高的敞口或密閉容器的液位都能測量。液位信號可遠(yuǎn)傳，用于顯示、報警和自動控制。2021/10/101114.2差壓式液位計

差壓式液位計是利用容器內(nèi)的液位改變時，由液位產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的。將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相。容器上部空間為干燥氣體，其壓力為，則

(14-6)(14-7)可得

(14-8)式中，、—

分別為差壓變送器正、負(fù)壓室的壓力

—

液位高度；

—

介質(zhì)密度。2021/10/1012通常，介質(zhì)的密度是已知的，測得的差壓與液位高度成正比，把測量液位轉(zhuǎn)換為測量差壓的總量了。當(dāng)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(fù)壓室通大氣即可。如不需遠(yuǎn)傳信號，也可在容器底部安裝壓力表，可直接在壓力表上按液位進(jìn)行刻度。2021/10/1013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，不改變量程的大小。例如某差壓變送器的測量范圍為,當(dāng)壓差由0變化到5000時，變送器的輸出將由變化到,這是無遷移的情況。當(dāng)有遷移時，假定固定壓差為=20002021/10/101414.3電容式物位計

電容式物位傳感器是利用被測物的介電常數(shù)與空氣(或真空)不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測，電容式物位計由電容式物位傳感器和檢測電容的測量電路組成。適合于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位和粉狀料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示，也可與其它儀表配套使用，實(shí)現(xiàn)物位的自動記錄、控制和調(diào)節(jié)。由于它的傳感器結(jié)構(gòu)簡單