测 控 基 础(3)1物位new

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,在生产过程中，常需要对一些设备和容器内的液体、固体颗粒或粉末、气体之间的分界面位置进行测量等，我们统称为物位的测量。,物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。现代大规模的工业生产，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。,第三章 物位测量及变送,1,物位测量的目的是：,（1）正确测知容器中储藏物质的容量或重量。,（2）监视容器内物位，使之保持在一定高度，对物位允 许的上下限发出报警。,（3）连续监视或调节容器中流入流出物料的平衡。,如合成氨生产中铜洗塔塔底液位的控制，如液位过高，精炼气就会带液，导致合成塔触媒中毒；反之如液位过低时，会失去液封作用，发生高压气冲入再生系统，造成严重的事故。生产钻井过程中对泥浆池液面高度检测。,物位测量及变送（续）,2,物位测量及变送（续）,由于工业生产中对液位高度的要求不一，物位仪表是多种多样的，按基本原理分，主要有下列几种类型：,（一）直读式物位仪表,利用连通器原理工作。这类仪表中主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。,（二）浮力式液位计,此类仪表是利用浮子高度随液位变化而改变的原理工作的。如浮标式、浮球式等。,（三）差压式物位仪表,是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。它又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。,3,（四）声波式物位计,是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减程度、穿透能力等各不相同的性质进行物位测量的。,（五）电磁式物位仪表,使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量这些电量的变化间接的测知物位。如电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等。,物位测量及变送（续）,4,物位测量及变送（续）,一、直读式物位仪表,直读式物位仪表观察密闭容器里的液位简单、方便，但往往很不精确。,5,二、浮力式液位计,浮力式液位计是应用最早的一种液位测量仪表。它结构简单，造价低廉，维护也比较简单。随着变送方法的改造至今仍然为工业生产所广泛采用。,例如现在生产的部分汽车采用此类油箱传感器。它是由浮子带动电位器，通过电位器阻值的变化达到显示油位的目的。,1、浮标式液位计,（1）原理,浮标式液位计是一种恒浮力式液位计。浮标式液位计的结构和工作原理示于图,物位测量及变送（续）,6,浮标式液位计（续）,将浮标用绳索连接并悬挂在滑轮上，绳索的另一端挂有平衡重物，利用浮标所受的重力与浮力之差与平衡重物的拉力相平衡，保持浮标可以随动地停留在任一液面上,7,如果用F表示浮力；W表示浮标的重量；G表示平衡重物的重量，则上述平衡关系的数学式可表示为：,WFG,当液位上升时，浮标所受的浮力F增加，则WFG使原有的平衡关系被破坏，浮标沿着导轨向上移动，移动的同时浮力F下降，WF又增加，直到WF又重新等于G时，浮标将停留在新的液面上。反之亦然。因而实现了浮标对液面的跟踪。,浮标式液位计（续）,8,设计时应满足：,浮标式液位计（续）,装导向杆的目的是在液面有泡沫或波动时，保证浮标垂直起落。浮标的位置通过钢丝绳和滑轮带动指针沿标尺上下移动，便可指示出液位的数值,为使吃水线在浮子中央，应使：,9,影响因素：,绳重,对浮子施加的载荷随液位而变，相当于在恒定的重锤重力G上附加了变动成分；,摩擦阻力,引起的误差最大，且与运动方向有关，无法修正，,唯有加大浮子的定位力以减少其影响,。,浮子的定位力,是指吃水线移动,单位高度所引起的浮力增量，故得出定位力表达式：,浮力式液位计（续）,由上式可知：采用大直径的浮子能显著的增大定位力，这是减少摩擦阻力误差影响的最有效途径。,10,大型储罐多使用钢带液位变送器，它是浮子液位计改进的结果。,为了结构紧凑便于读数，将重锤改用弹簧代替，浮子上的钢丝绳改用中间打孔的薄钢带代替。,浮标式液位计（续）,2、钢带液位变送器：,11,浮标式液位计（续）,浮子经过钢带和滑轮，将升降动作传到钉轮。钉轮周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带直线运动变为转动，由指针和,滚轮计数器,指示液位。,12,在钉轮轴上安装转角传感器或变送器实现液位的远传送,。标准电流信号的和数字通信的浮子钢带液位变送器在应用中。,为保证钢带张紧，绕过钉轮之后的钢带由收带轮收紧，,其收紧力则由恒力弹簧提供,。恒力弹簧在自由状态是卷紧在卷紧轴上的，受力反绕在轴8上以后，其恢复力f8始终保持常数，首端至尾端一样，因而有“恒力”之称。,浮标式液位计（续）,13,3、浮顶罐：,如前所述为了增大定位力，一切恒浮力式液位计都尽量加大浮子直径，极限情况就是整个储罐上全被浮子所掩盖，这就形成浮顶罐。,随着石化工业发展进入一个新的高峰期，从原油运输、储存中转、管道运输、炼油生产到成品油的储存都需要建设大量储罐，,大型储罐多为浮顶罐。如舟山国家石油战略储备基地10万方原油储罐；黄岛国家石油战略储备油库10万方原油罐,一般油罐为拱顶形式，为了进出油时空气能够流通，拱顶上有通气孔。但油品中的宝贵的轻质成分挥发之后，随空气排出，特别进出油时这种呼吸更强烈，损失很大。浮顶罐则是将,罐顶做成中空的大活塞,，漂浮在油面上，将油品与空气隔绝，有效防止挥发。,浮标式液位计（续）,14,罐壁1成为敞开形式，浮顶2内有隔板，形成多个独立舱室3，以免个别舱室漏泄而沉没，周围有柔性密封5，整个浮顶如同圆形船舶浮在油上，直径往往几十米。这一巨大浮子可用钢丝绳与重锤相连，或利用浮子钢带液位计指示传送液位信号。 敞开式浮顶罐的浮顶还应有排雨水的柔性管道，图中未画。,浮标式液位计（续）,浮顶罐结构示意图,15,我国舟山原油贮罐容积10,5,m,3,，直径80m，液位误差每lmm相当于体积误差5m,3,。,浮顶罐也用于贮存气体，例如我国很多城市的天然气贮罐就是用我国自行设计的5X10,4,m,3,浮顶罐，它是用重锤法指示界位的，这里的界位是天然气和空气间的浮顶位置。其浮顶面积1000m,2,，重600t，保持天然气的压力600mmH,2,0。因气体无润滑作用，需在内壁不断供油润滑。,浮子法也可以测密度不等的两种液体间的界位，但密度差应足够大。以重油为例，其密度为0.95g/cm,3，,而水的密度为1，两者相差0.05，浮子直径及摩擦阻力都一样时，比仅测水位的绝对误差要大20倍。但若用来测水和汞的界位，密度差为12.6，比相同直径的浮子测水位时定位力要大十多倍，精确度显然大得多。,浮标式液位计（续）,16,4、磁浮子液位计,中小容器和设备常用磁浮子舌簧管液位变送器。,舌簧管：是一种有触点的开关元件，利用磁场控制舌簧管内触点通断的原理。,浮力式液位计（续）,当外磁场靠近时，舌簧管被磁化而吸合导通,，从而可以测出液位高度的传感器。它具有结构简单、体积小、便于控制等优点。舌簧管与永磁体配合可制成磁控开关。,17,不锈钢管1，管内条形绝缘板2，板上紧密排列舌簧管3和电阻4，外部浮子5，其中有环形永磁铁氧体6。,磁浮子液位计（续）,环形永磁体的两面分别为N和S极，磁力线将使管内的舌簧闭合。因此处于浮子中央的舌簧管吸合导通，其它呈断开状态。,18,将各舌簧管及电阻按图接线，随液位的升降，AC间和AB间得电阻将相继发生改变，再用适当的电路将阻值转变为标准电流信号，就成为液位变送器。也可以在CB间接恒定电压，A端就相当于电位器的滑点，可得到与液位对应的电压信号。,由于受到舌簧管尺寸的限制，总数和排列密度不能很大，所以液位信号的连续性差，此外，量程不能很大，目前一般是6米以下。,浮力式液位计（续）,19,浮力式液位计（续）,测量范围m,0-0.5,0.5-2,2-6,测量精度,2,1.5,1,GSK型磁浮子液位计,插入深度(m)：0.56,控制测量范围(m)：0.085.84,测量精度：,20,5、磁翻板及磁滚柱液位计,自被测容器接出不锈钢管，管内有带磁铁的浮子，管外设置一排轻而薄的翻板，每个翻板都有水平轴，可灵活转动。翻板一面涂粉色，另一面涂白色。翻板上还附有小磁铁，小磁铁彼此吸引，使翻板总保持粉色朝外或白色朝外。当浮子在近旁经过,浮子上的磁铁就会迫使翻板转向以致液面下方的粉色朝外，上方的白色朝外。每块翻板高约10mm,浮力式液位计（续）,21,图中之(b)为磁滚柱液位计。将上述磁翻板改用有水平轴的小柱体代替，一侧涂红色，另一侧涂白色，也附有小磁铁，同样能显示液位。,以上两种磁浮子液位计指示部分都应防止尘沙侵入，所以成排的翻板或滚柱都有密封壳体保护。安装场所附近不可有强磁场。,磁翻板及磁滚柱液位计（续）,22,EC604 系列磁翻板（柱）液位计,以磁性浮子驱动双色磁板（柱）指示液位，可用于各种塔、槽、球形容器的介质液位测量。,磁翻板液位计指示清晰，不受温度剧变的影响。,测量无盲区，读数直观,。,指示部分，不与液体介质直接接触，对高温、高压、高粘度、有毒有害、强腐蚀性介质更显优越性。,浮力式液位计（续）,23,6、浮球式液位计,对于温度、粘度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体介质的液位测量，一般采用浮球式液位计。如下图：,浮球1由铜或不锈钢制成，通过连杆2与转动轴3相连，转动轴3的另一端与容器外侧的杠杆5相连，并在杠杆5上加以平衡重锤4，组成以转动轴3为支点的杠杆系统，而把液位显示出来。一般要求在浮球的一半浸入液体时，实现系统的力矩平衡。,外浮式,浮力式液位计（续）,内浮式,24,当液位升高时，浮球被液体浸没的深度增加，浮球所受的浮力增加，破坏了原有的力矩平衡状态，平衡重物拉动杠杆5作顺时针方向转动，浮球上升，直到浮球的一半浸没在液体时，恢复了杠杆系统的力矩平衡，浮球停留在新的位置上。,如果在转动轴的外端安装一指针，便可以从输出的角位移知道液位的高低。也可以用喷嘴挡板等气动的方法或用差动变压器等电动的方法将信号进行远传，或用差动变压器等电动的方法将信号进行远传或进行液位控制。,浮球式液位计 （续）,25,三、差压式液位计,工作原理,差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压相应变化的原理而工作的,。,如图所示，根据流体力学的原理：,PP,B,P,A,Hg,式中：PA、B两点的差压；,H液位高度；,介质密度；,g重力加速度。,通常被测介质的密度是已知的，由式可知，A、B两点之间的压差与液位高度成正比，,这样就把测量液位高度的问题转换为测量差压的问题了,。因此，各种压力计、差压计和差压变送器都可以根据液位改变时，液柱产生的静压发生改变原理用来测量液位高度。,26,差压式液位计（续）,下图所示的是利用差压变送器来测量液位的示意图,当测量敞口容器的液位图a所示，差压变送器的负压通大气即可，这时作用在正压室的压力就是液位高度所产生的静压力Hg。,敞口容器,图a,27,差压式液位计（续）,下图所示的是利用差压变送器来测量液位的示意图,当测量受压容器的液位如图b所示，将差压变送器的负压室与容器的气相空间相连，以平衡气相压力的静压作用。,PP,气,HgP,气,Hg,差压的大小同样代表了液位高度的大小,密闭容器,图b,28,零点迁移问题,在使用差压变送器或差压计来测量液位高度时，一般说其压差P与液位高度H之间有如下关系：,PHg （1),这是最简单的情况，称为“无迁移”。当H0时，作用在正、负压室的压力是相等的。,在实际应用中，往往H与P之间的对应关系不那么简单。,差压式液位计（续）,29,差压式液位计（续）,例如图所示，当液面上的介质是可凝气体（如蒸汽）时，或为了防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保证负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。若被测介质的密度为,1,，隔离液的密度为,0,，这时，,正、负压室的压力分别为,：,P,1,h,1,0,g H,1,g P,0,P,2,h,2,0,gP,0,30,将式（1）和式（2）相比较，这时压差减少了(h,2,h,1,),0,g,一项，即H0时，P(h,2,h,1,),0,g，对比无迁移的情况，相当于在负压室多了一项压力，其固定数值为:（h,2,h,1,）,0,g。,正、负压室间的压力差为,式中： H被测液位的高度,h,1,正压室隔离罐液位到,变送器的高度；,P 变送器正、负压室的压力差,h,2,负压室隔离罐液位到变送器的高度,图3-8 负迁移,差压式液位计（续）,PH,1,g （h,2,h,1,）,0,（2）,31,假定采用的是气动差压变送器,，其输出范围为0.020.1MPa的气压信号，在无迁移时H0，P0，这时变送器输出为0.02MPa；HH,max,时，PP,max,，这时变送器输出为0.1MPa。,但是有迁移时，根据式（2），由于固定压差的存在，当H0时，变送器的输出必定小于0.02MPa；HH,max,时，变送器的输出必定小于0.1MPa。,为了使仪表能正确反映出液位的数值，必须设法抵消掉固定压差（h,2,h,1,）,0,g的作用，使得当H0时，变送器的输出仍为0.02MPa，而当HH,max,时，变送器的输出仍为0.1MPa。采用的方法一般是在仪表上加一弹簧装置,，,用弹簧的拉力抵消掉固定差压（h,2,h,1,）,0,g的作用，我们称这种方法为“迁移”，用来进行迁移的弹簧称为迁移弹簧。,差压式液位计（续）,32,迁移弹簧的作用实质：,改变差压计测量范围的上、下限，相当于测量范围的迁移，它不改变量程的大小。,例如，某仪表的测量范围为05000Pa，无迁移时，当压差由0变化到5000Pa时，,变送器的输出将由0.02MPa变化到0.1MPa。,如图3-9中曲线a所示。,差压式液位计（续）,33,当有迁移时，假定固定压差为2000Pa，那么当H0时，根据式（2）有：P2000Pa，这时变送器输出应为0.02MPa，H为最大时，P500020003000Pa，这时变送器输出应为0.1MPa，如图3-9中的曲线b所示。,差压式液位计（续）,P从2000Pa到3000Pa变化时变送器的输出应从0.02MPa变化到0.1MPa。它维持原来的量程大小不变，只是向负的方向迁移了一个固定压差（h,2,h,1,）,0,g值。称之为负向迁移,图3-9 正负迁移示意图,34,图3-9 正负迁移示意图,差压式液位计（续）,负向迁移的实质是，用迁移弹簧的拉力，平衡掉负压室中固有的静压，只是改变了差压计的测量范围的上、下限，它的量程不变。,35,由于工作条件的不同，有时会出现正迁移的情况。如图3-10所示。此时变送器输出与输入压差之间的关系如图3-9中的曲线c所示。,在差压变送器的规格中，一般都注意是否带正、负迁移装置。型号后面加“A”的为正迁移，加“B”的为负迁移。必须根据现场要求正确选用,差压式液位计（续）,图3-10 正迁移,36,差压式液位计（续）,三、用法兰式差压变送器测量液位,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体时，引压管线被腐蚀或被堵的问题，现在专门生产了法兰式差压变送器。,变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件的测量头1（金属膜盒），经毛细管2，与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，并使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。,37,差压式液位计（续）,三、用法兰式差压变送器测量液位,法兰式差压变送器的测量部分及气动（或电动）转换部分的动作原理与普通差压变送器相同,且同样存在迁移问题，分析这种迁移量为：,h,2,0,g-h,1,1,g,38,将变送器的位置降低或提高，输入变送器的正、负压室增减的压力变化量仍相等，所以不会影响差压的大小，式中迁移量的大小与差压变送器安装位置的高度无关。,可见，用这种测量方法迁移量的大小决定于两法兰之间的高度差h,2,、最低液位到取压点的高度差h,1,，以及被测介质的密度,1,和硅油密度,0,，而与变送器安装位置的高低无关。,差压式液位计（续）,39,思考,1、,差,压式液位计的工作原理是什么？当测量有压容器的液位时，差压计的负压室一定需要与容器的气相相连接吗？,2、正迁移和负迁移有什么不同？并简要说一下负迁移的实质。,差压式液位计（续）,40,