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_过程检测知识-3[1].6.ppt

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过程检测技术,第三章,物位是液位、料位以及界位的统称。 目的:测知容器中物料的存储量,以便对物料进行监控,保证顺利和安全生产。 例如:工业锅炉汽包水位的测量与控制是保证锅炉安全的必要因素。若锅炉汽包水位太高,则容易使蒸汽带液增加、蒸汽品质变坏,长时间还会导致过热结垢,对锅炉的安全造成极大的隐患。,3.6 液位测量,液位测量已有很长的历史,在测量方法和测量仪器制作方面积累了相当多的经验。 按工作原理分类:直读式(玻璃管)、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式、声波式等。,一、浮力式液位计,根据浮力原理测量,分为恒浮力式和变浮力式。 1.1 恒浮力式液位计利用漂浮在液面上的浮子来实现测量。浮子因浮力漂浮在液面上,其位置代表了液面位置。当液面变化时,浮子随液面一起运动,从而产生位移,但浮子所受浮力的大小不发生改变,然后通过传递、放大系统显示出液位的变化和液面高度。,(1)测量原理 圆柱形浮子的几何尺寸如图,设浮子的密度为ρ1,液体密度为ρ0,则浮于受力情况如下。,当液位上升时上述平衡关系发生变化,浮子浸在液体中的部分增大,浮力增加,则,由于△F的产生,导致了受力不平衡,从而迫使浮子上浮,也就是说浮子的升降是随液位的升降而变化的。当重新达到平衡后,浮子的静止位置就表示了新液面的位置。,(2)浮子的结构形式 扁平浮子、扁圆柱浮子、高圆柱浮子,1.2 变浮力式液位计感受元件将液位变化转化为力的变化,再将力的变化转化为机械位移,然后通过转换装置将位移转换为电信号。一个圆柱形金属浮筒悬挂在弹簧上,浮筒的重量由弹簧力来平衡,当浮筒的一部分浸入液体时,由于浮力作用而使浮筒上移,当与弹簧力平衡时,浮筒停止运动。,若浮筒连杆上装指针,可直接指示液位;若装铁心,通过差动变送器输出电信号,可间接测量液位。,二、静压式液位计,2.1 测量原理通过测量某点的压力或该点与另一参考点之间的压差来间接测量液位。,由流体静力学知,当液体在容器内有一定高度时.会对容器的底面或侧面产生一定的压力。在容器中取A、B两点,设A点为参考点,则,在选定测点后,可以通过测量pB或△pAB将液位测量转化为压力测量,由压力大小间接测量出液位高低。,2.2 结构形式①玻璃管液位计 利用连通器的原理而制成,通过玻璃管来显示液柱高度,直接观察液位。 这是一种最简单的静压式液位计。②压力式液位计 利用测量压力来测量液位。③压差式液位计 利用测量压差来测量液位。对于密闭式容器,只能用压差计来测量。当液位变化时,液面处的气压也随之发生变化,此时气压对压力计指示有影响。压差大小通过气动或电动差压变送器传送并转化为电信号,最终显示液位大小及变化。,三、电容式液位计,组成:电容式液位传感器和测量电路。 特点:结构简单,动态响应快,能够连续、及时的测量液位的变化。 应用广泛,适于各种导电、非导电液体的液位测量。,电容变化量△c与液位高度h成正比。当液位上升时,电容两圆筒电极的介电常数发生变化,引起电容量的变化,根据变化量的大小可以计算出液位高度h的大小。,3.1 电容法测液位原理电容器是两个同轴的金属圆筒。,3.2 导电液体电容液位计1为金属内电极,无液体时外容器壁为外电极;有液体时,液体是外电极。绝缘套管会形成虚假液面。,3.3 非导电介质电容液位计结构简图见课本有专门的外电极,为了保证介质流动顺畅,在外电极上开了很多小孔。非导电介质电容液位计同样会出现虚假液面,其大小与被测介质粘度、内外电极间隙大小、电极形状等有关。,四、光纤液位计,优点:绝缘性好,防爆性好,不会产生火花、高温、漏电等不安全因素,耐腐蚀性好,体积小,易弯曲等,在工业上得到日益广泛的应用。,在两根石英光纤的端部粘上石英棱镜,一根与光源相连,另一根与光电元件相连。,应用: 1)易燃易爆液体的液面报警;2)不同介质分界面的测定;3)监控液位,防止液体的泄漏。光纤液位计的仪表用光纤传递信息,所以现场无电源、无电传送信号,传送能量小,属于本质安全型仪表。 新型液位计:利用回声测距原理的超声波液位计,利用光电效应的激光液位计等。,五、液位计的选用,1)仪表特性:测量范围、测量精度、工作可靠性等。 2)工作环境:被测对象情况、液位计的放置情况等。 3)输出方式:是否连续测量、信号传递和显示等。,生产过程中的液面情况十分复杂,除常压、常温、一般性介质水平液面情况外,还会遇到高温、高压、易燃易爆、粘性及多泡沫沸腾状的液面情况。在实际操作过程中,对液位测量的要求是多方面的,液位测量的范围变化也很大。针对这些不同的情况,应选用不同的液位计。,,,现代化生产过程中,为了保证原材料、中间产品、成品的质量和产量,利用压力、温度、流量等过程参数进行测量和控制,这是间接的方法。而成分分析仪表则可以随时监视原料、半成品、成品的成分及其含量,达到直接检测和控制的目的。成分分析仪表的应用,可以提高和保证产品的质量,降低原材料的消耗,提高劳动生产率,促进生产力的发展。因此,成分分析测量在工业生产过程中有重要的地位。,3.7 物质成分分析,一、红外线气体分析仪,是一种吸收式光学分析仪器,常用来检测CO、CO2、NH3以及CH4、C2H2、C2H4等气体浓度,在现代流程工业中有广泛的应用。 它也可用来检测锅炉烟气中CO、CO2的含量,以及环境的大气污染。,1.1 工作原理物质对光辐射的选择性吸收原理。一定的物质只能吸收特定波长的光辐射,称为该物质的特征光谱。混合气能吸收红外线的波带与待测组分有关,能吸收红外辐射能的大小与待测组分的浓度有关。若将这种变化转化成易于测量的电信号(如电容),就可测出气体吸收的辐射能,进而得到气体的浓度。红外线波长0.75~300um,红外线分析仪中只利用1~25um的光谱。,1.2 类型,不能应用于一些结构对称、无极性的气体,如O2、H2、CL2、N2、He、Ne、Ar等,二、氧化锆氧气分析仪,常用于工业生产中检测氧气的含量。 2.1 优点:结构简单、维护方便、反应迅速、测量范围广等。适用于化工、冶金部门检测各种工业锅炉及炉窑中烟道气的氧含量。 2.2 工作原理以氧化锆作为固体电解质,在较高的温度下,电解质两侧的氧浓度不同而形成浓差电池。浓差电池的电动势与两侧的氧浓度有关,当一侧氧浓度固定时,可通过输出电势和浓差——电势关系求出另一侧氧气浓度。,氧浓差电池如图。氧化锆晶体材料两侧分别为参比气体和待测气体,两侧气体的氧气浓度不等。在晶体两侧贴有多孔的铂金属极板,在高温下,吸附在铂金属片周围的氧分子从铂电极上获得自由电子后变成氧离子,通过氧化锆晶体中的氧离子空穴向低浓度一侧移动,在另一侧的铂电极上释放电子变成氧分子逸出。于是在铂电极上造成电荷积累,形成氧浓差电池。当接通外电路时,指针就会偏转。,2.3 氧化锆氧气分析仪检测器它由氧化锆固体电解质管、铂电极和引线构成。氧化锆管通常制成一端封闭的圆管,管径一般为10mm左右,壁厚一般为1mm左右,长度为150 mm左右。管内外壁用烧结的方法附上铂、铑等多孔性金属电极和引线。管内通以参比气体(通常是空气),管外通过待测气体。,实际的检测器一般都要采用恒温措施,还带有必要的辅助结构,如参比气体引入管、测温热电偶、过滤器、加热炉等。为了正确测量气体的氧浓度,需注意以下几点。1)氧化锆传感器要恒温,否则要在计算电路中采取补偿措施。2)氧化锆传感器一定要在高温下工作,以保证有足够的灵敏度。3)要保证被测气体与参比气体的总压相等。4)两侧的气体应保持一定的流速。氧浓差电池有使两侧气体的氧浓度趋于一致的趋向,为测量准确,必须使两侧气体按一定的速度流动,以便不断更新。,三、工业电导仪,通过测量溶液的电导而间接得到溶液的浓度,常用来分析酸、碱、盐等电解质的浓度。也可用来分析气体的浓度,但首先需要用某种电解质溶液吸收气体,然后测量电解质溶液的电导改变量,再间接的得到气体的浓度。,3.1 工作原理电解质溶液也是电的良导体。 溶液的导电能力与溶液电解质的种类、性质、浓度以及温度等因素有关。随温度的升高导电能力增强。电导率:,3.2 电导检测器 常用的两种结构,一种是筒状电极,另一种是环状电极。当两极间充满导电液体时,也称为电导池。通过测出电导池电导,可得到溶液的电导率,进而得到溶液的浓度。,3.3 溶液电导的测量 测量方法:工业上常用接触法来测量溶液的电导,即将两电极插入溶液中再测量两电极的电导。,四、气相色谱仪,是一种多组分分析仪,利用分离分析的方法,能对被测气样进行全分析。它具有分离效率高、分析速度快、灵敏度高、所需试样量少等特点,是重要的过程分析仪器。,方法:混合气体在载气的带动下进入色谱柱。柱中装有固定相,载气作为流动相,混合气体在两相中进行多次分配,最后使各组分得到分离。,凡流动相为气体的统称为气相色谱,流动相为液体的称为液相色谱。按固定相的不同又可分为两种,即以固体吸附剂作为固定相的气相色谱称为气固色谱,以固定液作为固定相的称为气液色谱。其中气液色谱应用最广。,4.1 工作原理原理:色谱法。,固定相可以是固体吸附剂或在表面涂有一层很薄的液膜(固定液)的惰性固体(担体),4.2 气相色谱检测器混合气体流出色谱柱后就流入检测器,经过检测分析各组分的性质,将其浓度信号转化成电信号。,4.3 色谱图色谱图:检测器响应随时间的变化曲线。,4.4 定性分析和定量分析定性分析:即确定每个色谱峰代表何种物质。最常用的方法是利用保留时间定性法。在一定条件下,每种物质都有一个确定的保留时间。 定量分析:在定性分析基础上,利用色谱图上色谱峰的高度或峰面积确定物质的含量。,3.8 检测技术新进展,新的检测技术充分利用微机的计算能力,引进电子技术、信息处理、人工智能等领域的新进展。,3.8 过程检测技术的新进展,1)传感器物理实现的革新——智能传感器技术; 2)传感器数据处理方法的革新——软测量技术和多传感器信息融合; 3)检测系统体系结构的革新——虚拟仪器。,一、智能传感器 intelligent sensor、 smart sensor,带有微处理器(CPU)、具有智能化信息检测和处理功能的传感器。,智能化功能;由智能传感器构成的检测系统能够自调零、自校准、自诊断、自动环境补偿等 可执行数据处理运算,提高精确性和可靠性; 数据判断、滤波、变换、存储等 有的能同时采集多种被测参数,有的能够通过通信接口实现互联。,二、软测量技术 soft-sensing,基本思想:基于过程的各个变量之间的相互关联性,通过一些容易测得的过程变量(辅助变量),推算一些难以测量或目前无法测量的过程变量(主导变量)。,三、多传感器信息融合 Information Fusion,基本思想:将多个或多种类型的传感器的信息组合起来,利用某种算法和准则进行综合,以最佳方式将来自多个传感器的数据融合到一个协同的信息库中,增加判断和估计的精确性、可靠性。,四、虚拟仪器 Virtue Instrument,测试仪器的发展:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器、虚拟仪器。,虚拟仪器:以计算机软硬件资源为基础、由模块化的测试硬件和进行数据分析、过程通讯及图形用户界面的测试软件组成的测试系统。,一台虚拟仪器可以同时具备多台仪器的功能。,软件就是仪器。(The software is the instrument ),
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