L16物性及其它物位计.ppt

自动检测技术及仪表 Test & Measurement Technology and Automatic Instrumentation CISTBUCT 2011 M&T,AI 检测仪表 l物位 l料位、液位和界面 l确定容器内储存量 l按工作原理分类 l直读式物位计、静压式物位计、浮力式物位计、电 气式物位计、声学式物位计、射线式物位计、其他 形式物位计 M&T,AI 检测仪表 l静压压式液位计计 l检测原理 l容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关 M&T,AI 检测仪表 l静压压式液位计计 l量程迁移 l无迁移、正迁移和负迁移 M&T,AI 检测仪表 l浮力式液位计计 l检测原理 l恒浮力式 l变浮力式 当用来做界面测量时， 需要考虑两种液体组 分的密度。 第部分 过程参数检测 第三章 检测仪表 物位检测仪表 物性式液位计 其它物位计 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l物性式液位计 l电容式液位计 l其他物位计 l超声波物位计 l射线式物位计 l微波式物位计 l磁致伸缩式液位计 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l把物位的变化变换为电容量的变化 l在国际单位制中，电容的单位称为 法拉（简称法），符号为 F 。 l通常电容器由两个金属极板和介于 中间的介质所组成。 l电容器的电容 C 定义：电容器一个极板所带电荷 q（指 绝对值）和两个极板的电势差 UA UB（不是某一极板 的电势）之比，即 C = q/(UA UB)。 l电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量 。 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l检测元件常为一个圆筒式电容器。 由两个圆筒形金属导体中间隔以 绝缘物质构成圆筒形电容器。 l当两圆筒中间所充介质为空气时， 该圆筒间的电容量为 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l如果电极的一部分被液体(物料) 所浸没时 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l若被测介质为导电性液体，电 极要用绝缘物覆盖作为中间介 质，而液体和外圆筒一起作为 外电极。（忽略边缘效应） M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l若被测介质为导电性液体，电 极要用绝缘物覆盖作为中间介 质，而液体和外圆筒一起作为 外电极。（忽略边缘效应） M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l检测原理 l若被测介质为导电性液体，电 极要用绝缘物覆盖作为中间介 质，而液体和外圆筒一起作为 外电极。 l可见，当几何尺寸一定、被测 介质一定时，电容的变化量是 被测介质物位的线性函数。 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l介电常数 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l等效电路 l边缘效应 l减小边缘效应 l静电引力 l圆柱形电容器 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l等效电路 l边缘效应 l静电引力 l寄生电容 l屏蔽、接地 l温度影响 l温度对结构尺寸的影响 l温度对电解质介质的影响 M&T,AI 检测仪表 l电电容式液位计计 l等效电路 l边缘效应 l静电引力 l寄生电容 l温度影响 l介电常数变化 l测量介电常数 l电极挂料影响 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l超声波一般频率高于 20 kHz； l超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前 最广泛的超声波换能器是电声换能器，压电晶体换能 器就是常用的换能器之一； l超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播 速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不 同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其 中反射率为 l当声波从气体传播到液体或固体，或者相反的情况下， 由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l超声波物位计根据使用特点可分为 定点式物位计和连续式物位计两大类； l根据传感器放置位置的介质不同可分为 气介式、 液介式和固介式三类； l超声波传感器既可采用单探头，也可采用双探头。 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l超声波发射和接收换能 器可设置在水中，让超 声波在液体中传播。由 于超声波在液体中的衰 减比较小，所以即使发 出的超声波脉冲幅度较 小也可以传播。 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l超声波发射和接收换能 器也可以安装在液面的 上方，超声波在空气中 进行传播，这种方式便 于安装和维修。由于超 声波在空气中衰减比较 厉害，因此用于液位变 化比较大的场合时，必 须采取相应措施。 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l检测原理 l采用单探头时 l采用双探头时 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l超声波的接收和发射 l基于压电效应和逆压电效应 l实现方法 超声波传播速度的补偿方法有 l温度补偿 l设置校正具 l固定距离标志法 M&T,AI 检测仪表 l超声波物位计 l超声波物位计的特点 l能定点及连续测量物位，并提供遥控信号； l无机械可动部分，安装维修方便； l换能器压电体振动振幅很小，寿命长； l能实现非接触测量，适用于有毒、高粘度及密封容器内 的液位测量； l能实现安全火花型防爆。 l若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。 M&T,AI 检测仪表 l射线式物位计 l检测原理 l当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度 随物质的厚度而减小，其变化规律为 l不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大、液体其 次、气体最小。 M&T,AI 检测仪表 l射线式物位计 l检测原理 l检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。 l实现方法 放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样 可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有 多种方式。 M&T,AI 检测仪表 l微波式物位计 l检测原理 l微波物位计又称雷达物位仪。 l微波物位计运用了微波的特性，在一定 条件下，微波传播速度是一定的，所以 可以通过测量微波从传感器传播至物料 表面，并返回到传感器所用的时间来计 算出所测量的物位。 M&T,AI 检测仪表 l微波式物位计 l检测原理 l微波是波长为 1 mm1 m 的电磁波，它具有电磁波的 性质，又不同于普通无线电波和光波。 l定向辐射的装置容易制造。 l遇到各种障碍物易于反射，绕射能力较差。 l传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等 影响较小。 l介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收 作用最强，这些特点构成了微波检测的基础。 M&T,AI 检测仪表 l微波式物位计 l检测原理 l微波传感器由振荡器与微波天线等构成。 M&T,AI 检测仪表 l微波式物位计 l微波物位计有以下主要特点 l测量准确 l可靠性强、寿命长 l几乎可以测量所有介质 l安全节能 M&T,AI 检测仪表 l微波式物位计 l微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较 微 波超 声 波 波类类型电电磁波机械波 反射特性在不同介电电常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射 压压力影响微不足道很小 温度影响微不足道需温度补偿补偿 传传播速度约约 3108m/s（真空中）约约 334 m/s（空气中，20） 测测量盲区到天线顶线顶 端离辐辐射面250 mm 动态动态 范围围高达 150 dB高达 100 dB 传传播环环境很少受气相环环境影响要求均一的气体环环境 M&T,AI 检测仪表 l磁致伸缩式液位计 l检测原理 l所谓磁致伸缩效应可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居 里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和 尺寸上变化的现象。 l在铁磁质中存在许多体积很小 的区域，每个小区域内部都自 发地磁化到饱和状态，这种自 发磁化地区域称为磁畴。 铁磁质的磁畴 M&T,AI 检测仪表 l磁致伸缩式液位计 l检测原理 l铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁 化时导致物质的晶格结构改变，使原子间 距发生变化而产生的现象。 l外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁 质磁化方向上磁质会伸长（或缩短）； l外磁场方向与磁质磁化方向垂直时，在磁 质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。 H H H M&T,AI 检测仪表 l磁致伸缩式液位计 l检测原理 l磁致伸缩式液位计由测量头（也称传感器， 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。 M&T,AI 检测仪表 l磁致伸缩式液位计 l检测原理 l磁浮子：恒浮力式 l磁致伸缩 l机械应变： 应变效应和应变片 机械波传播速度的倒数 称为倾斜度 l测量精确度高（0.05%）， 可同时测量液位和多界位 M&T,AI 检测仪表 l物位检测仪表的使用 l适用介质不同 l差压式：液位检测 优点：结构简单、工作可靠、准确度高 缺点：需要在容器壁上开孔，不适用于危险度大的介质 l浮力式：液位、界位检测 优点：结构简单、工作可靠、准确度高 缺点：不适用于高黏度介质 M&T,AI 检测仪表 l物位检测仪表的使用 l适用介质不同 l电容式：液位、物位检测 优点：结构简单 缺点：灵敏度低，受介质介电常数的影响 l超声波式：液位、物位、界位检测 优点：非接触测量 缺点：受温度影响，受介质吸波性质的影响 M&T,AI 检测仪表 l物位检测仪表的使用 l适用介质不同 l射线式：液位、物位、界位检测 优点：非接触测量，不受温度和压力的影响，工作较稳 定，适用于低温、高温、高压、高腐蚀性、高粘度、易 燃易爆等危险场合 缺点：准确度较低，有辐射危险 l微波式：液位、物位测量 l磁致伸缩式：液位、界位测量 M&T,AI 检测仪表 l物位检测仪表的使用 l需要根据工况对测量参数进行补偿和修正 l差压式、浮力式：介质密度 l电容式：介质的介电常数 l超声波式：声波在介质中的传播