2.5物位检测及仪表物位高低是生产过程的重要参数。对物位检测和控制，是保证生产过程安全和正常进行的重要手段。例如蒸汽锅炉汽包水位过低，就
可能引发严重安全事故。一般物位的包括：液位存储罐等容器中液体的储存高度；料位仓库、堆场等储存固体或颗粒状物质的堆积高度和表
面位置；界位：两种密度不同、互不相容的液体介质分界面位置。实际生产中物(料)位种类繁多，按照工作原理可以将物位检测分为以下几种
。投入式1.静压式物位检测根据容器底部压力与内部液面高度成正比的原理间接检测液位高低，该类检测仪表可分为压力式、差压式等，适
用于液位检测。插入式容器底部安装式静压液位变送器2.浮力式物位检测根据浮筒/球/浮标在液体内浸没而所受浮力随液位高度变化的
原理来检测容器中液位，该类检测仪表可分为变浮力式液位计、定浮力式液位计，适用于液位检测。浮力式液位计3.电气式物位检测采用敏感
元件将物位变化转换为电量参数变化，实现物位检测。该类检测仪表为电容式物位计最为常用。4.核辐射式物位检测根据核辐射线穿透物料时
，不同厚度物料对核辐射线透射强度不同的原理进行检测。由于存在核污染，现在已很少使用。电容式物位传感器5.超声波物位测量根据超声
波脉冲波头从发射到接收到反射回波的时间，检测物位。按照超声波的传播介质不同，可分为液介式、气介式、固介式等。6.光学式物位检测
根据光波在传播中可被不同物质界面遮断和反射的原理检测物位。超声波物位计p气2.5.1静压式液位检测静压式液位检测是根据流体静力
学原理，利用压力或差压变送器将液位转换成电信号输出。Hp液检测原理如右图所示，在零液位与液面液位高度H之间所产生的静压差Δp为：
?p气—容器上部空间气体压力p液—零液位处压力ρ—被测液体密度g—重力加速度?从上式可看知，在液体密度ρ一定的情况下，测出静压差
Δp或零液位处的压力p液即可检测出液位高度H。压力式液位计根据测压仪表所测压力大小来检测出容器液位高低，适合敞口容器的液位检测，
此时p气为大气压力，p液为容器底侧面液位零点处引出压力，压力变送器指示的表压即为液位H的静压。对于密封容器，可用差压式液位计检测
液位H。如图容器上部空间气体压力为p气，由差压计测出的压差为?p=p1–p2=Hρg+p气–p气=Hρg若变送
器输出为4-20mA，则?p为零时变送器输出为4mA，零点是对齐的，这种情况称为“无迁移”。在不同使用条件下，差压式液位计存在零点
负迁移和正迁移问题。p气当容器中被测液体具有腐蚀性或含有固体颗粒时，为防止堵塞或腐蚀变送器和引压管，在变送器正、负压室与取压点之
间分别装有隔离罐，罐内部充有隔离液，密度为ρ隔，如图差压式液位计的差压为式中：p1，p2—正负压室压力ρ液—被测液体密度h1,h
2—隔离罐与正负压室高度由上式可知，当H=0时，差压Δp为负值，变送器不能正常工作，需在变送器上调整迁移量ρ隔g(h2–h
1)为负值，这种迁移称为负迁移。正迁移主要针对安装位置和被测容器最低液位不在同一高度的情况，如右图所示，差压计安装位置与最低液位
相差h，则差压液位计的差压值为当高度H=0时，差压Δp为正值，变送器对应输出大于4mA，因此需要在变送器上调整迁移量ρ液gh为
正值。若某差压液位计的测量范围为0～120MPa，对应输出从4mA变化到20mA。输入—输出关系曲线如右图中A所示。用其测量装
有隔离罐（图2-48）的差压液位检测，液位与压差的关系若H=0时，压差为需要对变送器输出零点进行迁移，H=0时变送器输出应为4m
A，即将差压变送器特性曲线A（负）迁移至B，测量范围变为?30～90MPa。同理，根据实际需要也可将A（正）迁移至C。若被测液体
为含有结晶颗粒、有腐蚀性、粘度大、易凝固等液体液位时，可使用法兰式差压液位计。-+1—法兰测量；2—变送器；3—引压管法兰式差
压液位计用金属膜片与被测液体接触，经引压管与变送器测量室相通。在膜片、连接管、测量室封闭系统内充有硅油用于传递压力，以防止引压管、
变送器被堵塞、腐蚀。2.5.2电容式物位检测电容器极板之间介质变化时电容量发生变化，测量电容量变化可测得极板间物位（液位、料位
或两种流体界面）高低。如右下图示的所圆柱电容器由两个同轴圆筒极板构成。极板间充以介电系数为ε介质时，其电容量C为内电极外电极L—
圆筒电极高度D、d—外电极内径和内电极的外径ε2.5.2.1液位检测非导电介质液位检测的电容式液位计原理结构如右图所示。小孔
当液位高度H=0时，两极板间的介质为空气，介电系数为ε0，则电容值可表示为ε0LHεdD当H＞0时，电容上半部分介质是空气，下半
部分介质(高度为H)为被测液体，介电常数为ε，则总电容量为则电容量变化量k—比例常数即电容值变化量ΔC与液位H成正比。被测液体
导电时，可用金属棒料，在外面套上塑料管或搪瓷绝缘层，插在容器内，成为内电极。若容器是金属制成的，那么外壳就可作为外电极，如右图所示
。当H=0时，内外电极之间介质是空气和棒上的绝缘层，电容量很小。当H＞0时，相当于导电液体将外电极移近到电极绝缘层外侧，电容量
大大增加。同样可导出液位H与电容变化量ΔC成正比。2.5.2.2料位检测用电容法检测固体颗粒或粉料料位时，可用电极棒与容器壁构
成电容器两极，通过测量电容变化检测非导电固体料位。电容变化量检测方法检测电容值变化的方法方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法
等。这里简单讨论充放电检测法，检测电路原理如右图。充放电法检测电容电路原理图用振荡器给电容Cx加上幅度为?E、周期为T的矩形波
脉冲电压，若矩形波周期T远大于充放电回路的时间常数，则在每个周期T内，都有电荷q=Cx?E对Cx充、放电一次，用二极管将充电或放电
电流检波，用动圈微安表可测得流过的平均电流?E—矩形波电压幅度T—矩形波周期电流表读数I与物位H成正比充电(或放电)平均电流与
液位电容Cx成正比，微安表读数I可反映液位H的高低。2.5.3超声波液/料位检测超声波传播有较好的方向性，传播过程中能量损失较
少，遇到分界面时能反射的特性，利用回声测距原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液/料位H高度。Hv—超声波在给定介
质中传播速度若速度v为已知常数，可根据测出时间t，得出液/料位高度H。若测料位，超声波物位计一般安装在容器顶部。超声波
液/料位计特点检测元件可不与被测液体接触，适用于强腐蚀性、高压、有毒、高粘度液/（颗粒）固体液位测量，没有机械可动部件，使用寿命长
；被测液体中不能有气泡和悬浮物，液面不能有大的波浪；换能器不耐高温，不宜用于高温液位的测量；超声波液位检测的精度主要受声速v随温度
变化的影响。2.6成分检测及仪表所谓成分，即混合物中某一种物质所占的比例。实际生产过程经常需要及时掌握和控制物料成分，这就需要
进行成分在线检测与分析。在合成氨生产中，为了获得高的合成效率，不仅要控制合成塔温度、压力，还需要控制合成塔中氢气与氮气最佳比例以
获得较高产率，这就要求对进气化学成分进行在线检测、分析。在燃烧控制中，必须根据排放烟气含氧量，及时调节助燃空气供给量保证最佳燃-
气比，以获得最高的燃烧热效率。由于混合物质种类的多样性和检测原理不同，成分检测内容繁杂、检测仪表多样。下面介绍比较常用的几种成分
检测仪表工作原理。2.6.1氧化锆氧分析仪氧化锆氧量（计）分析仪以氧化锆固体电解质作为敏感元件，将氧气含量转换为电信号进行显示
和远传。氧化锆氧计量广泛用于钢铁、电力、石油化工领域，如锅炉烟气含氧量测量等。2.6.1.1工作原理氧化锆(ZrO2)是一种固
体电解质。在纯氧化锆中渗入少量氧化钙(CaO)或氧化钇(Y2O3)，高温焙烧形成稳定的立方晶体结构。四价锆(Zr4+)被二价钙(C
a2+)或三价钇(Y3+)所置换，形成氧离子空穴，在高温条件下具有良好导电特性。在掺杂氧化锆两侧各烧结一层多孔铂电极就构成氧浓差
电池。当两侧气体含氧量不同时，两电极间产生的电势与两侧气体氧浓度有关，称为氧浓差电势，如右图所示。图中外侧为被测烟气，氧含量约为
3~7％，其氧分压为P1，氧浓度为φ1；内侧为参比气体，例如空气，氧含量（浓度为φ2）20.8％，其氧分压为P2，这里φ2>φ1
。O2-烟气Φ1P1O2-O2-空气Φ2P2O2-O2--+E当温度达600℃以上时，空穴型氧化锆就成为良好的氧离子导体。氧
气能够以离子形式从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散。高氧侧氧分子从铂电极处得到电子成为氧离子进入氧化锆O2+4e→2O2-氧离子
经氧化锆到达低氧侧，将电子还给铂电极变成氧分子进入烟气2O2-→O2+4eO2-烟气Φ1P1O2-O2-空气Φ2P2
高氧侧铂电极失去电子而带正电，低氧侧铂电极得到电子而带负电。O2-O2-只要两侧氧分压的差异一直存在，高氧侧与低氧侧铂电极间形成
氧浓差电势。根据Nernst方程，氧浓差电势E可表示为-E+R—气体常数F—法拉弟常数n—一氧分子携带电子数（n＝4）T—气体绝对
温度P1、P2—被测气体与参比气体的氧分压在混合气体中，某气体组分的分压和总压力之比与容积成分（即浓度）成正比，即在两侧气体总压
力相P等时，有由此可知，在物理常数不变、温度T和空气氧含量φ2稳定的情况下，氧浓差电势E是烟气含氧量φ1的单值函数，可通过测量
电动势E可得到烟气氧含量φ1。E与φ2之间关系稳定基本条件氧化锆工作的温度T稳定600℃以上（850℃左右时灵敏度最高），为保证
温度T恒定，氧化锆探头都装有加热温度调节装置；参比气体的氧含量φ2保持恒定；参比气体与被测气体压力相等，仪表输出即为烟气侧氧浓度
（用氧浓度替代氧分压）。由于公式中E与φ1为非线性关系，变送器换需要进行线性化处理，才能得到与含氧量φ1成线性关系的标准信号输出
。2.6.1.2氧化锆传感器结构与安装方式按照上述氧浓差电动式原理制成的传感器探头结构如右图所示。探头带有加热装置和测温元件
，将探头温度控制在定值。被测烟气进入测量侧（室），空气进入参比侧。1—氧化锆管2—内外铂电极3—引线4—氧化铝管5—热电偶6—加
热丝7—陶瓷过滤装置氧化锆传感器结构氧化锆氧量分析仪有直插式和抽吸式两种常见安装方式。直插式氧化锆氧量计如左下图所示，将探
头直接插入烟道中，反应速度快，多用于锅炉、窑炉烟气含氧量测量，使用温度在600至850℃。分体直插式氧化锆氧量计直插一体式氧化锆氧
量计直插式氧化锆氧量计安装方式抽吸式氧化锆氧量计右图抽吸式氧化锆氧量计带有抽气和净化装置，能去除样气中的杂质和二氧化硫等气体，
有利于保护氧化锆探头，测量精度高，但反应速度慢，多用于石油、化工生产过程，可测最高1400℃气体的含氧量。烟气抽吸式氧化锆氧量计安
装方式抽吸式氧化锆氧量计2.6.2气相色谱分析仪色谱分析法是近年来获得迅速发展的一种气体分离分析技术，分离能力强，分析灵敏度高
、速度快和样品用量少。在分析石油产品时，一次可分离分析一百多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出1ppm(ppm为浓度单位，表示百
万分之一)，甚至0.1ppb(ppb表示十亿分之一)的组分；在石油、化工、电力、医药、食品等生产过程、科研中得到广泛应用。碳酸钙吸
附剂2.6.2.1色谱分析原理色谱分析法得名于1906年，由俄国植物学家茨维特(Tswett)发现。石油醚植物色素+石油醚移动相
把溶有植物色素的石油醚倒入装有碳酸钙吸附剂竖直玻璃管中固定相再倒入纯的石油醚帮助植物色素自由流下吸附能力弱的色素较快通过吸附剂，吸
附能力强的色素流动缓慢碳酸钙对不同的植物色素吸附能力不同看到分离开的一层层不同颜色的谱带流出这种分离分析方法被称为色层分析法或色
谱分析法。凡移动相是液态的称为液相色谱，移动相是气态的称为气相色谱。随着检测技术发展，这种方法被扩展到无色物质分离，被分离组分
也不再限于以颜色区分，“色谱”二字失去了本来的含义。由于还是利用原来的色谱分离原理，所以仍沿用原来“色谱分析”的名称。实用的气
相色谱仪由色谱柱、检测器及载气、采样等辅助装置组成。色谱分析，首先是用色谱柱把混合物中不同组分完全分离开来，然后再用检测器对各组
分数量进行测量。色谱柱一般色谱柱是在直径3~6mm、长为1～4m的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒(称为固定相)构成(见右
图)。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。用载气运载被分析样气通过固定相。载气和被分析样气称为移动相。载气是与样气
不发生化学作用，且不被固定相所吸附的气体，如氢气、氮气等分离过程分设被分析样气中有A、B、C三种不同的组分。按照色谱分离原理，被
分析样气必须以脉冲方式输入，并在载气推动下通过色谱柱。样气中A、B、C组分在流动过程中，吸附性小的组分快速通过、吸附性强的延后通过
色谱柱，按照C、B、A的次序依次进入检测器，检测器输出随时间变化的曲线称为色谱流出曲线或色谱图。色谱图上三个波峰的面积（或幅值）
分别代表C、B、A组分在样品中的实际含量。色谱柱尺寸及其填充材料选择取决于分析对象特性与分析要求，不同材料具有不同吸附特性。氢火
焰电离检测器热导式检测器2.6.2.2检测器检测器是对色谱柱分离的组分进行定量检测的装置。理论上，被测组分与载气的任何物理或化
学性质的差异，都可作为检测的依据。气相色谱仪使用较多的是热导式检测器和氢火焰电离检测器。热导式检测器的基本原理热导式检测器根据不同
种类气体具有不同热传导能力的特性，通过导热能力差异分析气体组分含量。下表列出在0℃时，以空气导热系数为基准(导热系数为1)的一些
常见气体相对导热系数值。热导式检测器由热导池和检测电路构成。热导池用导热系数很高的铜或不锈钢构成，导热均匀，温度（控制）稳定，
内设测量室和参比室；测量室通入由载气从色谱柱推进的样气，参比室内通入纯载气。置于测量室的测量热电阻R1、R3和置于参比室的参比热电
阻R2、R4与R0共同构成的(双臂电桥)检测电路。热导池构造参比室测量室检测电路热导池构造与检测电路当热电阻R1、R3、R2、
R4通过恒定电流温度上升后，只能通过周围气体向热导池散热，气体导热能力取决于气体组分，测量室和参比室温度由被测样气和载气的导热系数
决定。当色谱柱出来的气体没有分离成分时，热电阻R1、R3散热条件与R2、R4相同，R1、R3与R2、R4温度相同、阻值相等，调节R
0使电桥处于平衡状态，输出V0=0。被测样气纯载气V0当色谱柱出来的载气中含有分离组分时，测量室电阻R1、R3的散热条件与参
比室电阻R2、R4散热条件不同，导致二者温度不同，R1、R3与R2、R4阻值不同，测量电桥失去平衡，输出电压V0>0。载气中分离成
分浓度越大，色谱峰值越高(面积越大)，输出V0越大。被测样气V0纯载气氢火焰电离检测原理在下图所示的电离室中，氢火焰电离率非常低
。若向氢火焰中引入含碳有机物，离子电流会急剧增加，且与火焰中有机物含量成正比。分离组分与纯氢混合进入火焰电离室(如果载气为氢气不需
另加氢气)，点燃形成氢火焰。分离组分中有机成分被电离，在电极电场作用下形成离子电流，由高输入阻抗放大器放大输出，即可测得(有机物
)分离组分浓度。2.6.2.3载气及进样装置从色谱分离原理可知，被分析的样气应当是间隔输入色谱柱的定量脉冲量。进一次样气，分
析一次；脉冲间隔长度应保证各分离组分从色谱柱流出时不发生重叠。热导式色谱分析系统如右图所示。高压气瓶供给的载气，经减压、稳流
装置后以恒定的压力和流量，通过热导检测器左侧参比室，进入六通切换阀。六通阀受定时装置控制，有取样和分析两种工作位置。六通阀处于取
样位置时，气路按蓝线接通。这时载气与样气分为两路：一路是样气，经预处理装置连续通过取样管，使取样管中充满样气，准备被取出分析；另一
路是载气通过参比室直接进入色谱柱，对色谱柱进行清洗，再经热导池右侧测量室放空，这时检测器测量电桥输出信号V0=0。六通阀处于
分析位置时，六通阀红线气路导通。载气推动保留在定量取样管中的样气进入色谱柱，经分离后，各组分在载气的携带下先后通过检测器的测量室。
检测器测量电桥根据测量室与参比室中气体导热系数的差别，输出色谱图。2.6.3红外线气体分析仪不对称双原子或多原子气体都会吸收
特定波长（范围）的红外线，气体浓度越高，吸收特定波长红外线（能量）越多。红外线气体分析仪根据不同组分气体对红外线（波长）具有选择
性吸收的特性，检测混合气体中某一组分的含量/浓度，可用于测量CO、CO2、NH3、甲烷、乙炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量
。测量范围宽，不仅可分析气体，也可分析溶液，灵敏度较高，反应迅速。红外线可见光紫外线2.6.3.1工作原理红外线是指波长在0.
76~300μm之间不可见电磁波。红外线分析仪中使用的红外线波长一般在1~25μm之间。实验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性气体及
氢、氧、氮、氯等具有对称结构双原子气体外，大部分多原子气体对1~25μm波长范围的红外线都具有强烈的选择性吸收特性。如下图，CO对
波长为4.5～5μm的红外线具有强烈吸收作用。几种气体对红外线选择吸收特性被测介质对特定波长红外线吸收的数量与介质介质浓度有关，
红外线经过被介质吸收后，穿过介质的红外线强度随介质浓度和厚度按指数规律衰减。根据朗伯-贝尔(Lambert-Beer)定律有I0—
入射光强;I—透出光强;c—吸收介质浓度；l—介质厚度;μ—吸收系数。若被测介质厚度很薄或浓度很低，则μcl<<1,
上式可（一阶）近似为即当被测介质浓度或厚度（为常数）很小时，透射红外线的衰减程度与浓度c近似成线性关系。分析混合气体组分含量时
，用强度恒定的红外线照射厚度确定的混合气体薄层，通过测量不同波段透射强度，可计算出相应组分在混合气体中的浓度。红外线气体分析仪就
是根据朗伯-贝尔定律，针对性地测出特定波长红外线的透射强度，依据该波长红外线被吸收的（透射衰减）程度，推知对应组分在混合气中的浓度
。2.6.3.2仪表结构下图是红外线气体分析仪组成结构（原理）简图。透射的两束红外线分别进入不同接收气室调制后的两束红外线分别
进入测量气室和参比气室高浓度介质全部吸收(滤除)干扰波段红外线红外源发射红外线经反射镜反射成两束平行红外线将红外线调制成几赫兹的
矩形脉冲波工作原理与流程红外源产生的红外线，经抛物面反射镜反射形成两束平行红外线。电机带动切光片（开有对称孔的遮光板），将两束红
外线调制成同相位、同频率（几赫兹）矩形红外线脉冲波。如果混合气体中有与被测组分吸收波段相重叠的干扰组分，通过在干扰滤光室充以高浓度
干扰气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的红外线能量，在这里全部被吸收（滤除）。测量气室连续通过被测混合气体；参比气室内密封氮、氩等
对红外线完全不吸收的气体组分。⑤薄膜电容接收器，在两个接收气室之间设置一薄膜弹片和固定极板构成平板电容器。两个接收气室分别接受
由测量气室和参比气室透出的红外线。⑥接收气室内密封浓度较大的待测组分气体，能够将射入的符合其吸收波长的剩余红外线能量全部吸收，变
为接收气室内的气体温度变化和压力变化。两接收气室间用弹性薄金属膜片（称为动片）相隔，在压力差的作用下动片产生位移，和位置不动定片构
成可变电容。当测量气室中无待测组分时，调整两束红外线强度，使上下接收室红外线强度相等。此时两边气体压力相等，金属膜片（动片）不变形
，电容量不改变，检测器输出为零。当测量气室内通入待测气体时，待测气体组分会吸收特定波段红外线，从测量气室透出的红外线强度比透
过参比气室的弱，两个接收气室间出现压力差，推动中心薄膜片（动片）位移，定片与动片间距离改变，导致电容量变化。测出电容量变化幅度，则
可知待测组分浓度。由于红外线是经过调制的方波脉冲量，因此电容量变化也是脉动的。红外多组份气体分析仪红外气体分析仪便携式傅里叶红外气
体分析仪在线红外气体分析仪2.6.4pH计氢离子浓度代表了水溶液酸碱性的强弱程度。由于氢离子浓度绝对值很小，常以氢离子浓度常用
对数（ln）的负值pH值表示水溶液酸碱程度。pH值是对日常生活、生产过程与生产设备安全具有重要影响。在线式pH计/变送器便携式p
H计2.6.4.1PH计工作原理pH值测量就是测量水或水溶液的氢离子浓度，下面简单介绍电位法检测pH原理。在被测溶液中设置
参比电极和测量电极，参比电极电势与被测溶液氢离子浓度无关，测量电极产生与被测溶液pH值成正比的电势，两个电极与被测溶液共同组成原电
池。因此，测量原电池电动势即可知被测溶液pH值。2.6.4.2参比电极pH计的参比电极常用甘汞电极或银-氯化银电极。甘汞电极由汞-氯化亚汞与氯化钾溶液组成，结构如右图所示，甘汞电极电位稳定。为了消除温度影响，电极内装有进行温度补偿的测温电阻以提高测量准确度。1-引出导线2-汞3-甘汞4-纤维丝5-溶液加入口6-KCl饱和溶液7-KCl晶体8-多孔陶瓷芯甘汞电极结构图银一氯化银电极的工作原理及结构类似于甘汞电极，在较高的温度（250℃）时，仍较稳定，可用于温度较高的场合。2.6.4.3测量电极测量电极有玻璃电极和金属锑电极。球泡形玻璃电极结构如右图所示，精确度高、线性度好，工作温度为20℃至95℃，机械强度低。金属锑电极价格低廉，但对温度敏感，需要进行温度补偿，可应用于精度要求不高的场合。锑自身有毒，不能用于食品、酿酒、制药等生产过程。pH计总电势受温度影响，如右图所示。随温度升高，曲线的斜率增大。在不同温度下的特性曲线相交于一点，该点称为等电位点。测量值离等电位电动势温度特性点越远，电势值受温度的影响越大。在被测水溶液温度变化较大或检测精度要求较高的情况下，需要进行温度补偿。一体式pH检测仪表分体式pH检测仪表pH检测仪表静压式液位检测物位检测及仪表电容式物位检测超声波液位检测氧化锆氧分析仪气相色谱分析仪成分检测及仪表红外线气体分析仪物位测量与成分分析小结pH计检测仪表温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表液位检测仪表成分分析仪表本章总结 |
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