料位计种类及实际应用

料位计种类及实际应用仪控一班：丁伟宁主要内容一．概述二．电容式液位测量三．超声波物位测量四．雷达物位测量五．射频导纳式料位计概述在热工检测中，我们常把开口容器或密封容器中液体介质液面的高低称为液位；把两种液体介质分界面的高低称为界面；把固体粉状或颗料物在容器中堆积的高度称为料位。而物位则是液位、界面和料位的总称。什么叫物位什么叫物位计将用来检测液位的仪表称为液位计；把检测分界面的仪表称为界面计；把用来检测固体料位的仪表称为料位计，它们统称为物位计。概述物位检测的目的物位检测为保证生产过程的正常运行，如调节物料平衡、掌握物料消耗数量、确产品产量等提供可靠依据。在现代工业生产自动化过程监测中物位检测占有重要的地位。概述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。概述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料位测量的工艺特点概述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。对物料储量的计算，而后者则在振动或力、湿度变化时物位也随之变化。概述物位测量仪表的分类按其工作原理可分为以下几种：概述电容式：物位测量仪表超声波：式物位测量仪表雷达波：式物位测量仪表射频导纳：料位测量仪表电容式物位计电容物位计：将物位的变化转换成电容量的变化来进行物位测量的仪表。组成：传感器、电容检测两大部分。电容式物位计适用于各种导电、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。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。电容式物位计结构：两个同轴圆筒电极组成的电容器。导电介质用电容式物位计当液位高度为0时，传感器电容量C0为电容式物位计导电介质用电容式物位计原理：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。当液位变化，园筒形电极一部份被物料浸没，浸没深度H，极板间存在两种介质的介电常数ε1(原设有中间介质介电常数)、ε2(被测物料的介电常数),将引起电容量的变化CH。电容式物位计导电介质用电容式物位计电容式物位计2lndDCH导电介质用电容式物位计液位由0增加到H，传感器电容变化量△C为：D0D，且ε＞ε0′dDHdDHdDHCln2ln2ln20'0电容式物位计绝缘套管的介电常数常数被测液位上方空气介电为容器内径设21iR电容导电液和内电极构成的电容容器和绝缘套管构成的极构成的电容绝缘套管外表面和内电)/ln(2)/ln()(2)/ln()(222121211rRHCRRHLCrRHLCi导电介质用电容式物位计实现形式：①测量导电液体液位时：等效电路如图。c11c12c2111212,CCRRi且电容式物位计)/ln(2)/ln(2)/ln(2211221rRHRRHRRLCCCii　　　　　　总电容rRRRi，　　12导电介质用电容式物位计实现形式：②测量导电液体液位时：等效电路如图。c11c12c2加随液位的升高而线性增电容增量总电容kHCCkHCrRHRRLCi0021C)/ln(2)/ln(2电容式物位计检测电路：电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检测的关键。常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。注意：电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反而不利于检测。以单臂桥式电路为例：导电介质用电容式物位计电容式物位计CUCKCCCCCUCCCjCjUCjCjCjUCjUCCCCCCCxxxx　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　则电桥平衡，输出电压＝时，有为电容检测元件，设当03212332120x0231x0111111导电介质用电容式物位计检测电路：如图：C1C2C3Cxuo交流为常数时，，当电容增量说明：K))((K0032120xxxxCCCCCCCCCCC电容式物位计导电介质用电容式物位计特点电容式物位计一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易维修；价格较低。但是不适合于以下介质：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等情况。电容式物位计非导电介质用电容式物位计HKdDHCCCi00)/ln()(π2若被测介质是粘性非导电液体，其测量结果也会受到虚假液位的影响，但一般很小，可以忽略。电容式物位计固体物料用电容式物位计因为固体摩擦较大，容易“滞留”，所以一般不用双层式电极。对于非导电固体料位，可采用以电极棒和容器壁为两电极、以被测物料作为电介质的电容器来测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为对于像钢筋水泥料仓的料位测量，用钢丝绳及仓库钢筋作为容器的两极，以测量非导电物料的料位。钢丝绳对地及钢筋用绝缘材料加以绝缘。HKdDHCCCi00)/ln()(π2电容式物位计固体物料用电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：电极必须垂直安装，安装前要校直。注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。当被测介质改变后，需重新调整仪表。当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。电容式物位计射频导纳液位计(去除挂料影响的电容式液位传感器)电容式物位计1ggZRjC射频导纳液位计挂料的等效阻抗为：通过分析传输电流的波动方程，得（射频导纳定理）：ggCR1电容式物位计ggCR1射频导纳液位计当：进行测量。),....2,1(24nkkt超声波物位测量测量原理声波遇到两相界面时会发生反射高出最高液位单探头气介式气介声速测量盲区约1m基本测量方法超声波物位测量测量方法设置声速校正具方法声波在介质中的传播速度与介质的密度有关，而密度是温度和压力的函数v——ρ——（P,T）eg.空气V0℃=331m/s；V100℃=387m/s带有声速校正杆的超声波液位计00tthhvth002vth2tt0hh0超声波物位测量测量原理发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位计。电磁波，波速与空气温度、湿度等无关。HH导波管vtH21雷达液位计导波雷达液位计雷达物位测量德国E+HFMR230雷达液位计用于液体、颗粒及浆料物位的连续非接触测量。测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽的影响；喇叭式天线，频率6GHz；量程20m，精度±3mm；两线制，HART协议；西门子SITRANSLR400雷达液位计适于测量高粉尘固体物料和低介电常数液体物位。连续波调频工作方式；工作频率24GHz；量程50m，精度±60mm；两线制，HART协议；现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。德国科隆(KROHNE)BM70P雷达液位计液体和液化气的液位测量。工作频率8.9－9.9GHz；量程35m；精度:1~10m时，±1mm10m时，±0.01%示值误差具有改进信噪比的微波窗，高灵敏性，动态响应达140dB。计数法测时t发射脉冲接收脉冲计数时钟N个若计数时钟频率为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有N个计数脉冲，则传播时间t为fNtvtH21vtH21由得fvtvH22其中Δt－计数脉冲周期f－计数脉冲频率ΔH－液位分辨率电磁波速度（即光速）m/s，ΔH＝1.5mm计数脉冲频率为8103vGHzHzf1001011psst101011而当前集成电路的运算速度为几十MHz，相差几个数量级，必须另寻出路！等效时间采样法测时被测信号是周期为T的周期性信号，采样周期为T+Δt，每周期只采一个瞬时值，等效采样周期为Δt。周期性重复的高频信号均可采用此方法，降低采样频率。原理等效时间采样法在时间量检测中的应用Δt（最小分辨时间）为发射与采样信号周期差值，又称等效采样周期，只要满足两信号周期之差为Δt10ps。Δt2Δt3Δt6Δt5Δt4ΔtTttttDT+ΔttΔt6Δt5Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形tDtDtDtDtDtD举例：发射时钟628.000000810fMHzHz2125000Tps采样时钟618.0001568.00015610fMHzHz相应的，1124997.6Tps0212.4tTTps前已述，分辨ΔH=1.5mm液位，等效采样周期Δt10ps故，若实测距离hD＝6.182m第n个采样脉冲可测到反射波，求n？pstt6.940pst6.9mhD182.6psvhtDD3.41213103182.6228tntD05.42936.93.41213ttnD若取n=4294，则发射接收4294次完成测量，用计数器计数n，即可测出tD，进而求出hD。Δt2Δt4294Δt4293Δt4292Δt4T1ttttD4T1+ΔttΔt4294Δt4293Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形f1=8.000156MHzf2=8.000000MHzΔt=9.6ps真实值4293.05Δtmspst16.242944125000需时2125000Tps1124997.6Tps验算n=4293n=4294mvth9118.6106.942931032121128mvth4318.6106.942941032121128今测得n=23654,求h:mvth062.34106.9236541032121128连续波调频法Δt2Δt3Δt6Δt5Δt4ΔtTttttDT+ΔttΔt6Δt5Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形调频连续波接收到的信号频率与发出的信号频率之差stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当Rvth21kftdRtfrf时间差RtdfdsSdRfBvTTBfvtvh422121液位高度stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当连续波调频法ftfrf射频导纳式物位计射频导纳料位计产品的结构分为主电极和补偿电极两部分。在主电极与补偿电极间分别施加一组RF射频信号，因而具有很好的抗粘料、挂料特性，是取代电容料位开关的新型物/液位测量产品。由于保护电极的存在，检测电路将检测电极和保护电极的信号进行比较，从而实现克服物料粘附对物位测量的影响。射频导纳式物位计射频导纳料位计的工作原理介绍:点位射频导纳技术与电容技术的重要区别是采用了三端技术。在电路单元测量信号上引出一根线，经同相放大器放大，其输出与同轴电缆屏蔽层相连，然后连接到探头的屏蔽层上。该放大器是一个同相放大器，其增益为1，输出信号与输入信号等电位，同相位，同频率，但互相隔离