第二篇物位测量

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,*,第二篇物位测量,概述,第四章静压式液位计,第五章浮筒式液位计,第六章电容式液位计,1,概述,物位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低（液位），两种液体介质的分界,面（界面）和固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度（料面）。,物位测量的目的在于正确地测知容器中所贮藏物质的容量或质量；随时知道容器内物位的高低，对物位上、下限进行报警；连续地监视生产和进行调节，使物位保持在所要求的高度。物位测量对于保证设备的安全运行亦十分重要。例如锅炉汽包水位太高，将使蒸汽带液增加，蒸汽品质变坏；日久还将导致过热器结垢。,2,在生产过程的物位测量中，不仅有常温、常压、一般性介质的液位、料面、界面的测量，而且还常常会遇到高温、低温、高压、易燃易爆、粘性及多泡沫沸腾状介质的物位测量问题。为满足生产过程物位测量的要求，目前已建立起各种各样的物位测量方法，如直读法、浮力法、静压法、电容法、放射性同位素法、超声波法以及激光法、微波法等。在上述方法中，直读法是直接用与被测容器旁通的玻璃管或带夹缝的玻璃板显示容器中的液位高度，此法直观，结构简单。除此之外，生产过程中应用较广泛的方法是静压法、浮力法和电容法。,3,第四章静压式液位计,第一节静压法测量液位原理,第二节压力计式液位计,第三节差压式液位计,4,第一节静压法测量液位原理,图4l静压法液位测量原理,5,式中PB点的表压。,在测量中，如果为常数，则在密闭容器中A、B两点的压差与液位高度H成正比；而在敞口容器中则P与H成正比。也就是说测出P或P就可以知道敞口容器或密闭容器中的液位高度。因此，凡是能够测量压力或差压的仪表，只要量程合适，皆可测量液位。同时还可以看出，根据上述原理还可以直接求出容器内储存液体的质量。因为式（ 4-2）、式（ 4-1）中 P或P代表了单位面积上一段高为H的液柱所具有的质量，所以，测出P或P也就可以知道敞口容器或密闭容器中单位面积上的液体质量，再乘以容器的截面积，就可以得到容器中全部液体的质量了。这种方法可以大大减小温度、容器内垂直方向上的温度场及密度的变化对测量的影响,6,第二节压力计式液位计,7,在测量具有腐蚀性、高黏度或含有悬浮颗粒的液体的液位时，也可用吹气法进行测量，如图4-4所示。在敞口容器中插入一根导管，压缩空气经过滤器，减压阀，节流元件，转子流量计，最后从导管下端敞口处逸出，当导管下端有微量气泡逸出时，导管内的气压几乎与液封静压相等。因此，由压力表所指示的压力值即可反映出液位高度H。当液位上升或下降时，液封压力随之升高或降低，致使从导管逸出的气量也要随之减少或增加。由于节流元件的稳流作用，供气量是恒定不变的，则导管内的压力势必随液封压力的升降而升降。因此压力计5可以随时指示出液位的变化。如果需要将信号远传，可以采用压力或差压变送器代替压力计进行检测发讯。,图43法兰式压力变送器测量 图4-4吹气法液位测量原理,8,在气路中，选择阻力较大的节流元件，只要节流元件前的压力P；变化不大，根据流体力学原理，当满足PZ0528P1的条件时，就可以达到气源流量恒定不变的要求,图吹气法液位测量原理,1过滤器；减压阀；节流元件；转子流量计；压力计,H,P,2,P,1,P,5,3,2,1,4,9,第三节差压式液位计,一,、气动差压变送器的简单工作原理,二、迁移问题,三、对特殊液体介质液位的测量,四 、流化床床层高度、藏量测量,10,在对密闭容器液位进行测量时，由于容器内气相压力对压力计指示有影响，因此一般压力计无法测液位只能用差压计测量气、液两相之间差压值来得知液位的高低。,由测量原理可知，凡是能够测量差压的仪表都可以用于密闭容器液位的测量。而在实际生产中，应用最多的是电动或气动差压变送器，下面仅以气动差压变送器为例，就液位测量中的一些特殊问题进行讨论。,11,一、气动差压变进器的简单工作原理,如图 4-5所示，被测压差P=P1-P2作用在膜盒,22上并产生一个作用力 F测，此力在杠杆4上产生一个以密封片17为支点的力矩M，使挡板5靠近喷嘴9，喷嘴背压升高，放大器1的输出压力随之升高。这个输出压力同时进入反馈波纹管11并产生一个反馈力F反。作用在杠杆4上，形成反馈力矩M2，当M2 与M1平衡时，放大器就有一个与被测差压PI成比例的输出气压P。对应于差压变送器的量程范围（P的变化范围）的输出气压范围为0.020MPa。,附加在变送器上的拉伸弹簧15、16可改变变送器的零点，使之往负方向移动或正方向移动，即称为负迁移或正迁移。,12,13,利用差压变送器测量密闭容器液位时存在着无迁移、负迁移及正迁移三种情况，如图4-6所示,二、迁移问题,14,无迁移,如图（a,)所示，将差压变送器的正负压室分别与容器下部的取压点相连通，如果被测液体的密度为，则作用于变送器正负压室的差压为Hg。,当液位H由零变化到最高液位时，由零变化到最大差压，变送器输出从0.02MPa变化到0.1MPa假如对液位变化所要求的仪表量程P为 a，则变送器的特性曲线如图中的曲线所示,负迁移,在实际应用中，为了防止容器内液体和气体进入变送器的取压室造成管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正或负压室与取压点之间分别装有隔离罐（如图（b）所示），并充以隔离液,（通常, ,），这时正或负压室的压力分别为,15,式中P1 ,P2分别为正、负压室的压力，a；,， ,-被测液体及隔离液的密度，kg/m ;,h1 , h2最低液位及最高液位至变送器的高度，m；,P容器中气相压力，a；,B-固定压差；B=（h2 一h1）p2g.,根据式（）可知，当H=0时， P= （h2 一h1）p2g，,势必使差压变送器的挡板远离喷嘴，输出压力远小于MPa，因实际工作中，往往, ,，,所以当最高液位时，,3,气,16,负压室的压力也要大于正压室的压力，使变送器的输出仍小于外0.022MPa。这样就破坏了变送器输出与液位之间的正常关系。调整变送器上的迁移弹簧16（图4-5），使变送器在H= 0，P= （h,2,一h,1,）p,2,g时,输出气压为0.02MPa,在变送器量程符合要求的条件下，当H=Hmax。 （最高液位），最大差压Pmax=Hmax *1g（ h,2, h,1,） ,2,g时，变送器输出为0.1MPa，这样就实现了变送器输出与液位之间的正常关系。,假如一B= （h,2,一h,1,）,2,g= 7 000Pa，对应液位变化范围所要求的仪表量程和无迁移时相同，为 5 000Pa，则当 H= 0时，P = 7 000Pa，变送器输出为 002MPa；,17,时，最大压差Pmax=Hmaxlghplg，变送器输出大于0.1MPS，调整变送器的迁移弹簧15（图4-5）使变送器在H= 0，P= h1g时，变送器输出为002MPa，在变送器量程符合要求的条件下，当 H=Hmax,Pmax=Hmax1g+ h1g时，变送器输出为0。1MPa便实现了变送器输出与液位之间的正常关系。,假如 hp1 G= 2 000Pa，仪表的量程仍为 5 000Pa，则当 H= 0时，P= 2 000Pa，变送器输出为 0。02MPa；当 H= Hma x时，Pmax= 5000 2000=7000Pa，变送器输出为0。1MPa变送器的特性曲线如图 4-7中 c线 。,从以上所述可知，正、负迁移的实质是通过迁移弹簧改变变送器的零点，即同时改变量程的上、下限，而量程的大小不变。,通常在差压变送器的规格中注有是否带正、负迁移装置和迁移量。一般用A表示正迁移（图 47中 c线表示正迁移量A= 2000Pa），用 B表示负迁移（图 47中 b线表示负迁移量 B= 7000Pa）。,18,当测量具有腐蚀或含有结晶颗粒，以及税度大，易凝固等液体液位时，为了解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可采用法兰式差压变送器，如图4-8所示 作为敏感元件的金属膜盒经毛细管与变送器的测量室相连通，在脱盒、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。毛细管外套以金属蛇皮管保护。,这种变送器测量液位的原理与上述相同。,三、对特殊液体介质法位的测量,19,四、硫化床床层高度、藏量测量,用差压法可测量流态化粉末状催化剂在反应器内床层高度、密度、藏量等操作参数，因为流态化的粉末状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的密度、床层高度、藏量时，可把它们看作流体对待，测量的原理也是把测密度、床高、藏量的问题变成测差压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末存在，测压点和引压管线很容易被堵塞，因此必须采用反吹气系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。,20,流化床内测压点的反吹气方式如图4-9所示，在有反吹气存在的条件下，设被测压力为P，测量引线至变送器的压力为P2（即限流孔板后的反吹气压力），反吹管线压力降为P，则有P 2= P十P，看来仪表显示压力较被测压力高P ，但实际测量证明，当采用限流孔板只满足测压点及引压管线不堵的条件，反吹气量可以很小，因而P值可以忽略，即P2。P。为保证测量准确，必须保证反吹气系统中的气量是恒流的，适当的设计限流孔板，使几P20528P，并维持儿不发生大的变化，便可以实现上述要求。,当密度一定时，P与床层高度和藏量有单值函数关系，故P的大小能反映床层高度和藏量的大小。,21,图4-8法兰式差压变送器,1一法兰式测量头；2一毛细管；,3一变送器主机,图4-9流化床取压系统反吹气示意,l，2，3一针间；4墙头；5一眼流,孔板,22,第五章浮筒式液位计,第一节浮力法测量液位原理,第二节电动浮筒式液位计,第三节浮筒式液位计调校,23,目前在生产过程中用得比较多的浮筒式液位计有气动和电动的浮筒液位变送器两种。它们可对液位进行连续测量，远传指示，并分别能与QDZ气动单元组合仪表及DDZ电动单元组合仪表配套使用，实现液位的自动记录、控制和调节。因为它们的构成原理基本相同，所以本章只对电动浮筒液位变送器进行介绍。,24,第一节浮力法测量液位原理,一 恒浮力法液位测,二变浮力法液位测量,25,应用浮力原理测量液位是利用漂浮于液位上的浮标或浸沉于液体中的浮筒对液位进行测量的。当液位变化时，前者产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变，后者则发生浮力的变化。因此，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力变化，就可以知道液位的高低。,26,测量原理如图5-1所示，将浮标用绳索联结并悬挂在滑,轮上,绳索的另那样端挂有平衡重物,利用浮标所受重力,和浮力之差与平衡重物的重力相平衡，便漂浮在液面上。,如果用 F表示浮力，W表示浮标所受的重力，G表示平,衡重物所受的重力，则上述平衡关系的数学式可表示为,WF= G （51）,图恒浮力法液位测量示意图,一 恒浮力法液位测,27,当液位上升时，浮标所受浮力,F,增加，则,W,FG ,使原有平衡关系被破坏，浮标向上移动。但浮标向上移动的图,5,l,恒浮力法液位测量原理同时，浮力,F,又下降，,W,F,又增加，直到,W,F,又重新等于,G,时，浮标将停留在新的液位上。反之亦然。因而实现了浮标对液位的跟踪。由于式,28,测量原理如图52所示，将一截面积相同，重量为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重量被弹簧力所平衡。当浮筒的一部分被液体浸没时，由于受到液体的浮力作用而使浮筒向上移动，当与弹簧力达到平衡时，浮筒才停止移动。在其平衡时存在着如下关系,CxWAhg （52）,式中 C弹簧刚度； kgms2 ；,x弹簧压缩的位移； m；,A浮筒的截面积； m2 ；,h浮筒被液体浸没的深度； m；,p液体的密度； Kgm3 。,二、变浮力法液位测量,29,当液位变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，浮筒的位置也要发生变化，例如液位升高h，则浮简要向上移动x ，此时平衡关系为,C(x-x)=W-A(h+h-x)g (53),将上述二式相减便得到,C*x=Ar(h-x),h=(1+CAr)x=kx (5-4),由式（54）可知，浮筒产生的位移 x与液位变化h成比例。如果在浮筒的连杆上安装铁芯（参看图52），通过差动变压器便可输出相应的电信号，指示出液位的数值。,从以上所述可知，变浮力法测量液位是通过检测元件把液位的变化转换为力的变化，然后再把力的变化转换为机械位移（线位移或角位移），并通过转换器把机械位移转换为电或气的信号，以便进行远传和显示。,30,第二节 电动浮筒式液位计,一液位传感器,二差动变压器式转换器,三电子线路,31,一液位传感器,32,当液位为零时，浮筒浸入液体中的深度为零，浮筒作用在杠杆上的力为,Fo=W (55),式中 W浮筒所受的重力。,作用在扭力管上的扭力矩为,Mo= Fol (56),式中l浮筒中心到扭力管中心的距离。,此时扭力管产生的扭角最大（一般为50左右），用0表示。o 与Mo的关系为,式中M0作用在扭力管上扭力矩；,dl，d2分别为扭力管的内径和外径；,l浮筒中心到扭力管中心的距离；,F0杠杆左端受到的力；,K扭力管的横向弹性系数；,L扭力管的长度。,33,当液位为H时，浮筒的浸没深度为H -x（x为浮筒上移的距离），作用在杠杆上的力为,F1= W -A(H-x)g (5-8）,式中 液体的密度；,A浮筒的截面积；,W浮筒所受的重力。,根据前面所述的变浮力法液位测量可知，x正比于H，即,x= KH （59）,所以式（58）可变为,F1= WAH（1K）g （510）,式中K比例常数。,作用在扭力管上的扭力矩为,M1= F1 （511）,扭力管产生的扭角,32LM1 32L,1= = F1l （512）,（d2-d1）K （d2-d1）K,4,4,4,4,34,随着液位的升高，扭力管产生的扭角将减小，在最高液位时，扭角最小（约为2o）。 由式（512）减去式（57）得,32L(F1-F2) 32LF,1-0= l = l（513）,（d2-d1）K （d2-d1）K,式中=1 -0 ，为液位从零升高到H时扭力管扭角的变化量（也即芯轴角位移变化量）。,由式（510）减去式（55）得,即 F= A（1K）gh (514）,4,4,4,4,35,将式（514）代人式（513 ）得,式中 KI转换系数，当不变时，,32LlA(1-K )r,K1= 为常数 。,（d2-d1）K,由式（515）可看出：,与液位H成比例关系，即液位愈高，扭角愈小。,通过差动变压器便可将0转换成电信号进行远传,。,4,4,36,二差压变送器式转换器,差动变压器式转换器由横杆、四连杆机构连杆组件、铁芯差动变压器组成，它的作用是将传感器扭力管芯轴输出的角位移变化转换成电压的变化。,在扭力管输出芯轴上固定有一横杆，通过浮筒，扭力管组件的变换作用，液位变化H就变成了横杆的位移X。再通过四连杆机构传递和放大，改变了铁芯在差动变压器中的相对位置，从而改变了差动变压器输出信号电压。UTD型浮筒液位计具有二套四连杆机构，其主要作用是将芯轴的转角转换成差动变压器铁芯的位移，并在转换过程中进行放大。,37,1四连杆机构A,设芯轴转角为，横杆长度为a，连杆长度为d，外铰链支点到连杆距离为b，外铰链支点到铁芯距离为C，铁芯位移为h.,在角比较小的情况下：,a= b,式中 比例杆绕O点的转角。,K,1,:为比例杆转换系数；K,1,=C/b,38,从上式可见，液位变化讯号已转换成差动变压器的铁芯位移量，且二者成线性关系。,2.四连杆机构B,四连杆机构B（图5 -5） 是一个平行四边形的四连杆机构，转角的传递完全是线性的。由于OK= OJ和KJ= OO因此主动角0和被动角0的传动比为,i= =1 (517),由于实际上平行四边形的四连杆机构的转角传递很难达到完全线性，因此为了尽量减少非线性，就需要在输入信号为50时，传动角0和0尽可能呈直角。故在调试时应严格遵守。,3铁芯差动变压器,铁芯差动变压器是UTD型液位计变送部分的关键。依靠差动变压器和四连杆机构的共同作用来实现位移一电量的转换。,39,图5-4四连杆机构A示意 图55四连杆示意1一横杆；2一连杆3一比例杆；1一外较链组件；2外铰链组件3铁芯 4一差动变压器,40,差动变压器（图56）是一组初级线圈和二组匝数相同而反相串联的次级线圈组成，初次级线圈间放入可沿垂直方向移动的铁芯。由于铁芯是由导磁材料制成的，故当铁芯在差动变压器线圈中移动时，就会引起初级线圈对二个反相串联的次级线圈的耦合情况的变化。当铁芯下移时，初级线圈对次级线圈34耦合程度由于铁芯伸入长度的增加而得到加强，而对次级线圈12的耦合程度则被削弱。因此，次级输出,三电子线路,41,2振荡线路,UTD型液位计振荡器是一个正弦波振荡器；BG4 和BG5构成一个多谐振荡器，它有二个状态；不是BG4 导通而BG5 截止，便是BG5导通而BG4 截止；每隔一定时间之后，两个状态自相转变。这样偶合变压器T的初级线圈n,1,和n2中交替通过反向电流，因而形成了多谐振荡，在每一管子集电极上得到一个矩形波电压。改变C7、C8和R6、R7的大小就可以改变方波振荡频率。当C7= C8=0.47F，R6 = R7= 10k时，振荡器可产生频率为13kH幅度约为12V的矩形波。耦合变压器T初级回路中并联二个电容C9=C10=0.47 F，是与初级绕组实现并联谐振。此时初级谐振回路中电 流为激磁电流的Q倍，使次级感生电动势也增大。R8是BG4 、BG5负反馈偏流电阻，R8越大，负反馈越大，稳定性越好。,D1 、D2 为锥位二极管，R9 为提供钳位电压的电阻。锥位二极管的作用是改善集电极输出波形的前沿上升时间，即BG4 、BG5 二个管子由饱和变为截止过程更为迅速。,42,43,因为差动变压器处于表头部分即安全火花部分，故R1、R11 电阻的作用是使流过差动变压器初级线圈电流限制在安全范围内。变压器次级回路中并入四只齐纳管进行双重保护，防止万一变压器T初级高能量串到次级。这样即使发生事故情况下，变动变压器初、次级能量都限制在安全范围内，以达到安全火花的目的。,3相敏整流线路,相敏整流器的作用是将差动变压器次级输出的交流差动电压经过对管BG6 的半波整流又通过C11、C12的滤波作用在A点产生一个大小正比于交流的差动电压的幅度，而极性取决于差动电压的相位的直流信号电压UA。该电压与液位变化量h成线性关系。,W2 作调整电气零点用，R12 、R13构成整流线路负载。,44,4直流放大线路,直流放大线路是由中增益集成运算放大器和一级功率放大器组成。5G23C属于中增益运算放大器，它输入阻抗较高，输出摆幅较大，由相敏整流线路来的输入电压经R14 进入 5G23C的反相输入端 2，输出端电压UB随液位变化而变化。,功率放大级由晶体管BGs、R20、D3 、D4 2DH5C及电源组成，即构成一共射极电流负反馈直流放大器。RH 为负载电阻，R21、W3 、R17 组成直流放大线路的负反馈网络，调节凡可改变直流放大线路的放大倍数，使仪表输出符合要求。,由于硅晶体管BG8的输入特性是非线性的，为了使BG8工作在线性段即避免在不灵敏区和非线性区，在线路中加了恒流二极管2DH5C以产生1.5mA的恒定电流，这样不仅消除了不灵敏区与非线性段的影响，而且又保证仪表有真正的零点，以便仪表的调整。,BG8的射极电阻R2。形成电流负反馈，使输出稳定。,45,第三节浮筒式液位计调校,一初步检查,二变送部分的调校,46,仪表在出厂前，已经性能调试。但经长途运输、长期库存、检修或运行一段时间后，仍应对仪表各项主要技术采用图28所示的开环校验法。规范作全面的检查和校验。在室内校验时，一般宜以水为介质并采用图所示的开环校验法。,47,一,、,初步检查,（1）按图2-8接好管道和设备后，首先应检查浮筒组件位置是否正常，轻按浮筒，浮简应能自由振动十次以上。,（2）打开表盖，检查零部件有无缺损，接线是否断开，初始位置是否正常。,（3）接通电源220V50HZ，然后，徐徐向浮筒室通水。,（4）旋动调零转盘（即改变铁芯在差动变压器线圈中位置），输出电信号应能平滑快速地上升到最大值或下降到最小值。,48,图开环校验法示意,49,二,、,变送部分的调校,1零位调整,将比例度调节连杆置于横杆和比例杆上相应于比密度为“10”的孔位内。仪表接通电源后，使浮筒底部有5毫米左右浸在液体中，设此点为液位的0处然后进行仪表的零位调整。,仪表的零位调整由粗调和细调二部分组成，粗调、细调均在表头部分。粗调是机械调零，它的原理是调节差动变压器线圈和铁芯之间的相对位置，使铁芯置于差动变压器的中心。零位细调是电气调零，利用电位器W2可使相敏整流后输出电压为零。在调零时，应先将调零电位器置于中间位置，然后旋动调零转盘（机械调零）使输出尽量为零，若尚有少量偏差则可调整电位器调节到零点。,50,2满度调整,在零位调整毕使液位处于100，旋动满度电位器从使仪表输出为满刻度值，再将 液位下降到0观察仪表零点是否改变，如果变动，需将零位和满度重新调整一遍，直至零位和满度都基本调好，再检查仪表的指示精度；在液位分别在0、50、100处，各测量值的误差不应超过上025mA。,若用户的被测介质密度并非 1000，而是在 500和 1500之间，则可由用户根据被测介质实际密度，比例度调节连杆置于横杆和比例杆的相应孔位内，再进行反复调试，直至符合精度要求。,浮筒式液位计的量程取决于浮筒的长度，UTD型浮筒液位变送器的量程（mm）范围为 300， 500， 800， 1200， 1600， 2 000。所适应的介质密度范围为 5001500kgm3 ，变送器精度为25级。,51,第六章电容式液位计,第一节 电容法测量物位原理,第二节 电容式物位传感器,第三节检测电容量的充发电法,第四节 UYZ-50型电容物位计的电子线路,第五节 UYZ-50型电容物位计调校,52,电容式液位计,电容式物位计由电容物位传感器和检测电容的测量线路组成。它适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的传感器结构简单，没有可动部分，应用范围较广，基本上不需要专门维护。它的动态响应很快约数十微秒），能及时反应瞬态变化。,53,第一节电容法测量物位原理,应用电容法测量物位首先是通过电容传感器把物位转换成电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求知物位的数值。,电容传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，结构形式如图6l所示，由两个长度为L，半径分别为R和r 的圆筒形金属导体，中间隔以绝缘物质便构成圆筒形电容器。当中间所充介质是介电常数为1 的气体时，则两圆筒间的电容量为,C1= (6-1),21L,In,R,r,54,55,式中 R，r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极的外半径。,由于式（64）中的3 为常数，所以C与l成正比。由C的大小便可知道l的数值。,由于许多工厂中，金属容器的形状大多数是圆筒形的，因此在其中插入一圆筒金属电极，以被测介质或其它介质为绝缘介质，就可以构成圆筒形电容传感器，对物位进行测量。,56,第二节 电容式物位传感器,一、测量导电液体的电容物位传感器,二、测量非导电液体的电容物位传感器,57,由于被测介质的不同，电容式物位传感器也有不同的型式，现将最常用的几种电容物位传感器介绍如下。,58,一、测量导电液体的电容物位传感器,如图62所示，在液体中插入一根带绝缘套管的电极。由于液体是导电的，容器和液体可看作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管为中间介质，三者组成圆筒形电容器。,当液位变化时，就改变了电容器两极覆盖面积的大小，液位越高覆盖面积就越大，电容器的电容量就越大。其关系式已在上节进行了推导，详见式（64）。,当容器为非导电体时，必须引入一辅助电极（金属棒），其下端浸至被测容器底部，,上端与电极安装法兰有可靠的导电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表的正常测量。,必须指出，如液体是黏滞性介质，当液体下降时，由于电极套管上仍粘附一层被测介质，会造成虚假的液位示值，使仪表所显示的液位比实际液位为高。,59,图6-2导电液体液位测量示意 图63非导电液体液位测量示意,60,二、测量非导电液体的电容物位传感器,当测量较稀的非导电液体，如轻油、某些有机液体以及液态气体的液位时，可采用一个光电极，外部套上一根金属管（如不锈钢），两者彼此绝缘，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器，如图6-3所示。绝缘垫上有小孔，外套管上也有孔和槽，以便被测液体自由地流进或流出。测量原理表达式同式（63）。,当测量粉状非导电固体料位和黏滞性非导电液体液位时，可采用光电极直接插入圆筒形容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘物质构成圆筒形电容器，其测量原理与上述相同。,61,电容物位计可用于导电和非导电液体之间及二种介电常数不同的非导电液体之间的界面测量。,UYZ-51型传感器的内芯是ICrl8Ni9棒，外套是聚四氟乙烯护套，适用于测量不黏,滞导电介质的液位。UYZ52型传感器内芯和外套管都用ICr18Nig管，适用于测量较稀的绝缘介质的液位。,62,第三节检测电容量的充放电法,在生产过程中应用的电容物位计，其电容数值很小（一般在皮法数量级），直接地测量电容变化量有困难，因此需要通过电子线路的转换和放大才能作显示和远传。测量电容的方法很多，如电桥法、谐振法、充放电法等，这里以UYZ50型电容物位计测量电容的充放电法为例进行介绍。,充放电法测量电容的基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对电容物位传感器所反映的被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。线路原理如图6-4所示，输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，C为滤波电容，M为直流电流表。在设计时，由于方波脉冲宽度足以使电容器Cx和Cd充、放电过程在方波平顶部分结束，因此，电桥将发生如下的过程。,63,当输入的方波由民跃变到E2 时，电容Cx和Cd 两端的电压皆由民充电到E2。对电容Cx充电的电流如i1 所示的方向，对Cd充电的电流如i3 所示的方向。在充电过程中（T1 这段时间），D2 、D4 一直处于截止状态。在入这段时间内由A点向C点流过的电荷量为 q1 = Cd（E2 一E1）。,当输入的方波由E2返回到E1时，Cx、Cd放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流所经过的路径为i2、i4所示的方向，在放电过程中（T2时间内），D1、D止。在这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2= Cx（E2 -E1 ）,设方波的频率f=1/T0（即每秒钟要发生的充放电过程的次数）则由C点流向A的平均电流为I2= Cxf（E2-E1），而从A点流向C点的平均电流为I3=Cd f(E2-E1），流过此支路的瞬时电流的平均值为,ICxf（E2-E1）Cdf（E2-E1）=fE（CxCd）（65）,式中E 方波的幅值，E= E-E。,64,流过电流表M的直流电流正是等于此平均值（因流过滤波电容C的平均电流总等于零）。,令Cx 的起始值（即对应于起始液位时）为C0 ，Cx 为Cx 的增量，则Cx=C0十Cx,调节Cd= CO则,I= fE（Cx一Cd）= fECx（）,由式（6-6）可以看出，I正比于Cx，即正比于液位的变化。因为正常时Cx0，所以I的方向是由C流向A。,由于上述环行二极管电桥输入端没有接地，这就会出现两个问题：一是把桥路输,65,流，即,I,L2,=I,D2,-I,D3,（）,同理，对节点A则有,IL1ID4一ID1（6-8）,66,式中I,D1,、I,D2,对Cx充电和Cx放电的平均电流；,I,D3,、 I,D4,对Cd充电和 Cd放电的平均电流。,在稳态情况（Cx和Cd的充电平均电流等于各自的放电平均电流，即,I,D1, I,D2,I,D3, I,D4,所以,I,L2,I,L1,-I,L3,=I,D2,-I,D4,-（I,D4,-I,D1,）-I,L1,（6-9）,因此，这个电路输出的电流（即流过表头微安表或其他负载的电流）和图中流过微安表的电流数值上完全相等，仅仅是电流流过的途径不同而已此外，还可以看到，IL1和IL2 大小相，而方向相反因此，这个电路即可以从输入（正信号），也可以从输出（负信号）,又由于微安表有一定内阻，使输出电流线性受到影响为了尽量减小输出电流的非线性，就要使输出电路的负载尽可能小，也就是要求直流放大器的输入阻抗要低,67,第四节,UYZ-50型电容物位计的电子线路,一、克莱普振荡器和整形电路,二、直流放大器和负反馈电路,68,UYZ50型电容物位计的线路原理如图6-6所示。它包括振荡器和整形线路及直流放大器。,69,一、克莱普振荡器和整形线路,图中晶体管T、小型电感器L,1,和电容器C,2,、C,3,、C,4,等元件组成电容反馈改进型振荡器（或称clapp振荡器）。而普通型电容反馈三点振荡器的振荡回路中只有两个电容器（相当于图66中的C,2,和C,5,），由于这两个电容器是和晶体管T1的极间电容相并联（ C,2,并联在 T1的集电极和发射极之间，因为 C,1,远大于C,2,和C,3,，它对高频信号来说可视作短路，而又基极交流接地，因此C3和T1的基被及发射极并联），而电压的波动、温度的变化以及管子的老化都会使晶体管极间电容变化，以致频率稳定性不高。本振荡器则多了一个与 L,1,串联的 C,4,，而且 C,4,的电容量远比 C,2,和 C,3,的电容量为小，所以等效电容实际由C,4,决定。这就大大减小了晶体管极间电容的影响，振荡频率的稳定性可达,1010左右。,70,图6 UYZ50型电容物位计线路原理,71,这个振荡器的振荡频率由下式决定,由式（ 66）已知 二极管环形电桥的输出电流 I= fECx，因此较高的频率或较大的脉冲幅度都可得到较高的灵敏度。,由于二极管环形电桥需要的是频率和幅度都稳定的矩形波，而电容反馈改进型振荡器输出的只是频率稳定的正弦波，因此需要经过T,2,等元件组成的交流放大器和T,3,T,6,等元件组成的交流功率放大器将正弦波信号放大并削波，从而得到频率稳定和波顶、波谷都具有平坦部分的矩形波。电容器C,9,和稳压管D,3,、D,4,用作交流限幅。这样，加在二极管环形电桥上的就是频率和幅度都稳定的矩形波了。,72,二、直流放大器和负反馈线路,二极管环形电桥输出的直流信号加在运算放大器F007的同相端，经运算放大器和几放大成 010mA直流信号。 R,f,和W,3,组成直流放大器的负反馈回路。反馈信号取自R,f,的端电压，而它的端电压是与输出电流成正比的，所以是电流负反馈。在输人端，反馈电流和输入电流是并联关系，它起了削弱输入电流的作用，因此是电流并联负反馈。所以有很好的稳定输出电流的作用，并且使仪表具有良好的恒流性能。而且输入阻抗很低，满足了二极管环形电桥对放大器输入阻抗要低的要求，从而使仪表具有较好的线性。,调节电位器队可以改变负反馈量的大小，即改变放大器的放大倍数，把它用来调节仪表的满量程。调节电位器W,2,，其动点电位可在正或负的一定范围内改变，用来作零位细调（C,d,用作粗调）。,73,（a）本级放大器简图 （b）晶体管输入特性,图67本级直流放大器简图,为了便于分析末级直流放大器的工作情况，将其简化线路示于图67。对它的工作情况扼要分析如下。,（l）无信号输入时，运算放大器输出电压接近为零，晶体管T8截止， Ic= 0（硅管穿透电流极小，可不考虑）。这时，电流I。由电源E1的正极流经R23 、毫安表、负载电阻RL以及反馈电阻Rf回到E1的负极（这里不讨论反馈回路的影响）。可以看出，这时I,0,=I,L，,因此，毫安表指针反指，即指零点以下。,74,75,第五节UYZ-50型电容物位计调校,一、安装前通电检查,二、安装后的现场调整,76,一、安装前通电检查,仪表的调校可分为安装前的通电检查和安装后的现场调整二步进行。,仪表开箱后，经外观检查，认为完整无损后，就可通电初步检查。通电之前，先按图进行仪表系统接线，并将显示器背后接线端子中的“”与“”端子短接。接线经检查，确认无误后通电，并按下列程序检查。,（）用手握住电极，看显示器的指针有无反应。有反应（上下摆动）说明仪表正常。若仪表通电后，手未握电极，仪表指示就打“满度”，说明传感器短接。,一、安装前通电检查,77,若仪表通电后，指针在“零位”不动，用手握住电极，或调节显示器内部的“调零” 、 “调满”电位器均无反应，说明仪表开路。应复查接线，或进一步设法排除故障。,( 2 )给传感器一定的电容量（可在传感器接线端“ 1”与“ 4”之间接入一只几十皮法的电容），显示器应有一定指示值。然后将上限报警调节指针在指示指针附近上下移动，看上限报警灯有否反应。用同样的方法检查下限报警灯有否反应。如果均有反应，说明报警系统正常。如无反应，则先检查指示表头内光电报警系统的电源和线路工作是否正常。检查完毕，如以上工作情况正常，就可进行仪表现场安装。,78,二、安装后的现场调整,由于仪表的安装场合和测量介质不同，初始电容CO可能在很大范围内变化。在不同场合下，须测的电容变化值也可能相差很大。因此仪表在现场安装完毕后，必须对仪表进行“零位”和“满度”的调整，才能将仪表投入正常运行。调整步骤如下。,1“零位”调整,首先，进行显示器部分的“零位”调整。将由传感器来的输入信号断开，并将显示器从表壳内抽出，调节显示器内的“调零”电位器，使显示器指示表头上的指针指示为零,。,79,然后，进行传感器零位调整。显示器的“零位”调好后，接入传感器输入信号，并使容器中的液位（或料位）放到按使用要求设定的“零位”上（一般，仪表零位设定在传感器电极下端向上2030毫米处为宜）。此时，打开传感器后盖，调整平衡电容，使显示器指示表头上的指示指针为零。,2“满度”调整,在测量前置线路中设有二个工作频率，可供选择。作为“满度”粗调，在仪表传感器内有一频率选择开关。f1为大电容测量f,1,= 100kHZ，f,2,为小电容测量f,2,= 400kHZ。仪表满度调整分下述步骤进行。,(1) 选择适当的工作频率（粗调）。,（2）将容器内液位（或料位）加满至100，调节“调满”电位器，使显示器指示表头上的指示指针指示为100。,80,（3）由于“满度”调整时，对零位会略有影响，故“调零”、“调满”须反复数次以保证仪表指示正确。,（4）当被测电容变化较小，仪表灵敏度很高时，应在仪表开机后预热一小时，再行调整。,仪表在实际使用时，有时要求将液位（或料位）的某一值设定为仪表输出零位，即零位“迁移”。在零位“迁移”时，如调节“调零”电位器到极限时，指示值仍不到“零”，这说明“迁移量”较大。这时可以增大测量前置线路中平衡电容C,d,.,81,82,