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> 第2章 过程检测与系统
第4节 物位检测仪表与系统
物位包括液位(液体介质液面的高低)，界面(两种液体介质的分界面)和料位(块状、颗粒状物质的堆积高度)等三类，相应的检测仪表称为液位计，界面计和料位计，统称为物位计。
物位测量有连续测量和定点测量两种，前者能连续测出物位的任何高度；后者只能给出物位是否到达某一个高度。
1.静压式液位计
静压式液位计的测量原理如图4.1所示，差压计是液位计的重要组成部分，根据流体静力学原理，差压计所感受的差压与液位高度有如下关系
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & (4.1)&
静压式液位计是最常用的一种液位测量仪，具有测量原理简单、工作可靠、准确度较高、适用范围广等特点。但是测量结果易受介质密度变化的影响，在使用中还要根据介质的特性和特点（如强腐蚀、易结晶、高粘度等）采取相应的措施。此外要特别注意的是，如果差压计的安装位置不在液位零面水平线上，则当时，差压计感受的差压将不等于零。为了使时差压计的输出值为零，须调节差压计的零点，这种方式称为&量程迁移&。根据时差压计所感受差压值的正负，量程迁移有正迁移和负迁移。通过量程迁移后，当或最大值时，差压计的输出也相应地为零或最大值。
2. 浮力式液位计
浮力式液位计有恒浮力和变浮力两种，恒浮力式液位计采用漂浮于液面上的浮子，由浮子带动其他显示装置指示液面的高低；变浮力式液位计利用沉浸在被测液体中的浮筒所受的浮力与液面的位置有关检测液位，其测量原理如图4.2所示。被测液位与浮筒的位移有以下关系：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& && & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &(4.2)
式中，为弹簧的刚度；为浮筒的横截面积；为浸没浮筒的液体密度。
&&& 浮力式液位计和静压式液位计一样，具有较宽广的适用范围，不仅能测量液位，还能测量两种互不相容液体间的界位，测量精度也较高。但测量值易受介质密度的影响；由于浮筒不可能做得很长，故液位测量范围比较有限；另外这种液位计的维护也比较麻烦。
图4.2浮筒式液位计原理
3.电容式物位计
电容式物位计是利用敏感元件（电容器）把物位变化转换为电容量的变化，常见的电容器结构如图4.3所示，是由两个长度为，半径分别为和的圆筒形金属导体组成。当物位高度为时，电容器的电容增量为：
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & &(4.3)
图4.3电容式物位计检测原理
式中，和分别为被测介质上方气体和被测介质的介电常数。
当被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和容器壁一起作为外电极（半径为）。当液位高度为时，由该电极对构成的电容器的电容增量为
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &(4.4)
式中，为覆盖电极用绝缘物的介电常数。
电容式物位计不仅能测液位高度，而且还能测料位；不仅能测量物位的连续高度，也能用作物位的定点测量。
4.其他物位计
（1）超声波物位计&&&&&&
利用超声波在物位界面的反射特性，通过测出超声探头从发出声波到接收到反射声波的时间求得物位。根据声波传播的介质不同，超声波物位计可分为固介式、液介式和气介式三种。物位计通常由超声换能器和与其配套的电子线路组成。超声换能器探头可以使用两个，也可以使用一个。前者是一个探头发射超声波，另一个探头用来接收；后者是发射和接收声波均用同一个探头，只是发射和接收在时间上相互错开。
超声波物位计可以测量液位，也可以测量料位，测量范围较宽。但是超声波传播速度一般与介质和温度有关，所以在测量时必须对声速变化的影响进行补偿。补偿的方法主要有：
①温度补偿法& 测出被测介质的温度，根据已知的声速与温度之间的关系自动补偿由于温度引起的声速变化。
②设置较正具法& 先通过安装在介质内固定距离的一组探头测出声波在介质中的传播速度，进而用测量探头得到物位。
（2）射线式物位计
射线穿过厚度为的介质，由于部分能量被吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为：
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &(4.5)
式中，、为射入介质前和通过介质后的射线强度；为介质对射线的吸收系数。利用射线的这个性质，可以用来测量物位。
射线式物位检测系统主要有射线源、射线探测器和电子线路等部分组成。由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常用穿透能力较强的&射线。射线探测器有闪烁计数管、电离室和盖革-弥勒计数管。对于不同的射线，应采用不同类型的探测器。
典型的射线式物位检测方法如图4.4所示，图中为射线源，有点源和线源两种；D为探测器，也有点探测器和线状探测器。
射线式物位计可以实现非接触式测量，特别是用于极低温、高温、高压容器的高黏度、高腐蚀性、易燃、易爆等特殊测量对象（介质）的物位检测。
（3）微波物位计
微波物位计的测量原理与超声波的相似，所不同的是以微波替代超声波。由于微波传播速度很快，一般不能采用与超声波物位计相同的方法来测量微波的传播时间。微波物位计的测量结果一般不受介质温度、压力的影响。
（4）磁致伸缩式液位计
磁致伸缩式液位计由测量头（包括脉冲发生、回波接收、信号检测与处理电路），波导线和磁浮子等组成。通过测量从脉冲发出到接收回波的时间求得液位（即磁浮子）的高度。磁致伸缩式液位计的测量准确度较高。
5.定点物位检测仪表
在不少物位检测的场合往往只要求知道物位是否已到某个给定的高度，这种检测称为定点物位检测。能用于定点物位检测的有浮球式液位计，电学式（电阻、电容、电感）物位计，超声波物位计，射线式物位计，激光物位计，微波物位计和振动式（音叉）物位计等。
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HL404系列雷达物位计是基于26GHz高频雷达物位测量产品。该仪表具有稳定性高,测量精度高,应用场合广等优点。相比其它原理的仪表而言,HL404系列产品更是具有受所测物料的介电常数变化及密度变化影响小,抗粉尘,抗雾气的特点。
雷达物位计天线发射极窄的微波脉冲,这个脉冲以光速在空间传播,遇到被测介质表面,其部分能量被反射回来,被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比,从而计算出天线到被测介质表面的距离。
电厂：煤堆,原煤仓,燃料仓,蓄水池,废气净化,仓,灰库,油箱等
油田：原油或成品油储罐,三相分离器,沉降罐,污水罐（池）,钻探泥浆罐等
石化：输油,蒸馏,浓缩罐,液化气罐,氨水罐,汽鼓,炼油厂油库,罐等
化工：蒸馏塔,原料和中间体料仓,反应罐,氨水罐,有毒液体罐,固体料仓,分离器等
冶金：矿石料仓,矿石粉碎机,原料仓,辅料仓,高炉,氧化铝粉仓,电解池缓冲罐等
水泥：石料仓,生料仓,水泥仓,煤粉仓,炉渣存储仓等
水和水处理：蓄水池,污水池,水处理罐,沉淀池,消化塔等
造纸：原料仓,储料塔,干燥鼓等
其他：食品,制药,环保,造船等行业
雷达物位计采用了26GHz的发射频率,因而具有：
波束角小,能量集中,具有更强的抗干扰能力,大大提高了测量精度和可靠性；
天线尺寸小,便于安装和加装防尘罩等天线保护装置；
测量盲区更小,对于小罐测量会取得良好的效果；
波长更短,对小颗粒物质的料位测量更适合。
硬件系统采用先进的微处理器以及嵌入式系统处理软件,信号算法处理集成了先进的Echo- capture信号处理技术,使得该产品可以应用于各种复杂工业厂况。
&空罐预处理&技术使得仪表即使在存在多个虚假回波干扰的工况下,还可以正确的识别有效回波,获取正确的测量结果。
不受各种复杂工况的影响,如表面的强烈波动,泡沫,水汽及粉尘的干扰。
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