《物位及厚度检测》PPT课件.ppt

传感器与检测技术教程 第12讲 物位及厚度检测 Level & Thickness transducer 2008年3月1 传感器与检测 技术 2 传感器与检测技术教程 n物位测量 l液位是指开口和密封容器中液体介质 液面的高低； l料位是指固体粉末或颗粒物在容器中 堆积的高度； l相界面是指两种液体介质的分界面。 l液位计、料位计、界面计 n厚度测量 3 传感器与检测技术教程 直接测量 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它 是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺 的观察管中，通过标尺读出液位高度。 下图所示的是玻璃管液位计。 4 传感器与检测技术教程 主要内容 n4.1 浮力式物位检测 n4.2 静压式物位检测 n4.3 电容式物位计 n4.4 超声传感器与物位、厚度检测 n4.5 微波式传感器 n4.6 核辐射物位与厚度检测 n4.7 电涡流传感器及厚度检测 5 传感器与检测技术教程 4.1 浮力式物位检测 n浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮 子随之同步移动的原理工作的。这一移动距离通过机构传出 或变成气信号或电信号，即可测出液位，即为恒浮力式测量 ； n也可将浮筒的一部分浸入液体中，并使之不能自由漂浮 ，则其所受的浮力将随液位或相界面位置而变化，测出此浮 力变化即可测出液位，即变浮力式测量。 6 传感器与检测技术教程 直读式浮子式液位计 ，这是一种最简单的液位 计，一般只能就地显示。 式中： W浮子的重力； F 浮力； G 重锤的重力。 图4.1.1 恒浮力物位测量原理图 1浮子；2 绳索：3 重锤 4.1.1 恒浮力式物位检测 7 传感器与检测技术教程 4.1.2 变浮力式物位检测 浮筒式液位计属于变浮 力液位计，当被测液面位置 变化时，浮筒浸没体积变化 ，所受浮力也变化，通过测 量浮力变化确定出液位的变 化量。 图中： 1-浮筒；2-弹簧；3- 差动变压器 与书中图与书中图4.1.34.1.3的不同！的不同！ 8 传感器与检测技术教程 式中： x0弹簧被压缩的位移； C 弹簧的刚度； G 浮筒的重力。 平衡条件 根据平衡条件可知 为液体的密度 9 传感器与检测技术教程 n其它力平衡的测量方式 l直线位移 l角位移 10 传感器与检测技术教程 4.2 静压式物位检测 n4.2.1 静压式物位检测原理 n4.2.2 压力式液位计 n4.2.3 压差式液位计 n4.2.4 量程迁移 11 传感器与检测技术教程 4.2.1 静压式物位检测原理 原理：液柱静压与液柱高度压力成正比 式中： pA A点的静压； pB B点的静压； H 液体的高度； 液体的密度。 12 传感器与检测技术教程 4.2.2 压力式液位计 n压力计式液位计 l测量敞口容器的液位高 度。 l1 阀门；2导压管； 3压力表 l关于测量值修正的问题 压力表式压力液位计 13 传感器与检测技术教程 n法兰(Flange)液位计 l法兰盘 l压力计 n黏稠液体的隔离和传递介质 （硅油） 法兰式压力液位计 14 传感器与检测技术教程 n吹气式液位计 l适用于腐蚀性、高粘度 、含有悬浮颗粒的液体液位 l敞口容器 吹气式液位计 15 传感器与检测技术教程 4.2.3 压差式液位计 2 压差计，其输出与 上下压力差有关； 16 传感器与检测技术教程 4.3 电容式物位计 n电容式物位传感器利用被测物的介电常数与空 气的不同的特点进行检测 n适用于导电、非导电液体的液位和粉状物料的 远距离连续测量和指示。 n4.3.1 电容式物位计工作原理 n4.3.2 电容式物位传感器 n4.3.3 电容式物位传感器应用举例 17 传感器与检测技术教程 4.3.1 电容式物位计工作原理 检测原理： 两个长度为 L，半径分别 为 R和 r 的圆筒形金属导体， 中间隔以绝缘材料构成圆筒形 电容器，如图所示。电容器的 电容量： 液位变化引起等效介电常 数 1变化，从而使电容器的电 容量变化。 18 传感器与检测技术教程 电极间被介电常数为 2 的液体浸没时，引起电容变化 浸没长度为 l 时，则电容值为 电容变化值与液体的高度成正比 19 传感器与检测技术教程 4.3.2 电容式物位传感器 n用来测量导电介质的 单电极电容液位计 n它只用一根电极作为 电容器的内电极，一般用紫 铜或不锈钢，外套聚四氟乙 烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘 层，而导电液体和容器壁构 成电容器的外电极。 1-内电极；2-绝缘套 20 传感器与检测技术教程 n用于测量非导电介 质的同轴双层电极电容 式液位计。 n内电极和与之绝缘 的同轴金属套组成电容 的两极，外电极上开有 很多流通孔使液体流入 极板间。 1、2内、外电极； 3绝缘套； 4流通孔。 21 传感器与检测技术教程 4.3.3 电容式物位传感器应用举例 电容式料位 1-金属电容； 2-测量电极； 3-辅助电极； 4-绝缘套 22 传感器与检测技术教程 4.4 超声传感器与物位、厚度检测 n4.4.1 超声波检测原理 n4.4.2 超声传感器 n4.4.3 超声传感器测物位 n4.4.4 超声传感器测厚度 23 传感器与检测技术教程 4.4.1 超声波检测原理 n超声波及其波形 l纵波 横波 表面波 n超声波的传播速度 v l取决与介质的弹性常 数和密度 n扩散角 sin = 1.22(/D) n反射与折射 l反射定律 折射定律 反射系数 R n声波的衰减 (dB/cm) l和频率的关系 24 传感器与检测技术教程 4.4.2 超声传感器 n超声传感器主要有压电式、磁致伸缩式、电磁 式等。 n压电效应和逆压电效应 n采用脉冲工作方式 n压电材料： l石英（SiO2） 钛酸钡(BaTiO3) 锆钛酸铅 (PZT) l偏铌铅( PbNbO6) 25 传感器与检测技术教程 4.4.3 超声传感器测物位 n超声波液位测量有许多优点： l与介质不接触，无可动部件，电子元件只以 声频振动，振幅小，仪器寿命长； l超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度 、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎 无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊 场合的液位测量； l不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便 地提供遥测或遥控信号； l能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位 ，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。 26 传感器与检测技术教程 n超声波液位测量也有缺点： l超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵 ； l当超声波传播介质温度或密度发生变 化，声速也将发生变化，对此超声波液位计 应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精 度； l有些物质对超声波有强烈吸收作用， 选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位 测量的具体情况和条件。 27 传感器与检测技术教程 (a) 气介式 (b) 液介式 (c) 固介式 单探头超声波液位计 超声波传播距离为 L，波的传播速度为 c ，传播 时间为 t ，则： 28 传感器与检测技术教程 n超声波液位计利用波在介质中的传播特性。 n在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器 ，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接 收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出 液位高低。 29 传感器与检测技术教程 n超声波液位计按传声介质不同，可分为三种 l气介式 l液介式 l固介式 n按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方 式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六 种液位计的方案。 30 传感器与检测技术教程 4.4.4 超声传感器测厚度 31 传感器与检测技术教程 4.5 微波式传感器 n4.5.1 微波传感器的组成、原理及分类 n4.5.2 微波传感器测物位与液位 n4.5.3 微波传感器测厚度 在电磁波谱中将波长为11000mm (频率： 300MHz 300GHz)的电磁波称为微波。 微波的特点是: (1) 在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良 好的定向辐射性能； (2) 在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光 的影响小，具有很强的环境适应能力。 32 传感器与检测技术教程 4.5.1 微波传感器的组成、原理及分类 MS与S合而为一有源微波传感器 MS与R合而为一自振荡式微波传感器 1. 反射式微波传感器 利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液 位定点控制。 2. 遮挡式微波传感器 33 传感器与检测技术教程 4.5.2 微波传感器测物位与液位 n1. 微波物位计 物位低 物位高 34 传感器与检测技术教程 图为定点式微波料位计原理示意图。图中 的振荡器为一高频振荡器，可用速调管、磁控管或 微波固体元件构成。 35 传感器与检测技术教程 小型的微波振器可用体效应管、微波砷化 镓金属半导体场效应三极管、高迁移率场效应三极管 等作发生器，产生的微波用波导管引到辐射天线而发 射出去。 发射天线与接收天线有扇形、角锥形或圆 锥形等嗽叭筒天线，可保证辐射波有良好的方向。此 外还有一种介质天线，方向性更好。 振荡器产生的微波电流，馈送给安装在料 面一侧的发射天线向料面发射出去，经过料上方被接 收天线接收。 36 传感器与检测技术教程 当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收 天线接收，经前置放大器放大到适当的电平后馈送到电子放大 器，经检波、放大后，与定电压比较，发出正常工作的信号， 表示料位没有超过规定高度。 这时接收器由天线收到的功率为 ： 式中 ： 微波发射与接收天线的增益； 微波的波长； 发射与接收天线的距离； 馈送给发射天线的功率。 37 传感器与检测技术教程 当料位升高到遮断微波束时，微波一部分被物 料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率 为 式中 为衰减系数，决定于物料的电磁性能、颗 粒大小、堆积形状及含水量等。 此时微波被接收后经放大并在电压比较电路 与定电压进行比较，其电位低于定电压，使仪表发出 料位高的信号。这种定点式微波物位计很适合于物位 测量的上、下限报警用。 38 传感器与检测技术教程 2. 微波液位计 39 传感器与检测技术教程 3. 调频连续波式物位计 40 传感器与检测技术教程 通常只需将发射 、接收天线装在被测料仓 （罐）上方，即可对物位 进行连续测量。这种调频 连续波式微波物位计抗机 械噪声、电磁噪声能力强 ，在高温、高压、高粘度 情况下，可连续、快速而 准确地测出目标物体的物 位值。 调频连续波式 微波物位计工作原理如图 所所示。 调频式微波液位计 原理示意图 41 传感器与检测技术教程 固态源频率变化规律为 ： 式中 ： T调制波周期； F调制波频率； 固态源初始频率； 本振频率； 固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围； t 时间。 42 传感器与检测技术教程 回波频率为 ： 式中 回波频率； 微波往返于被测对象之间的延迟时间 t=2L/C，C为光速，L为被测距离； 43 传感器与检测技术教程 所以，差频频率 为 由上式整理得被测距离L为 从上式可以看出被测距离 L与差频频率 成正比。当固态源的调制频率F和频偏 一定时， 只要测出 ，就可以计算得到 L。 44 传感器与检测技术教程 当固态工作频偏 =300 MHz，调制频 率F = 1kHz,则有： 即被测距离L 每变化1 m时，差频频率为 4 kHz。 采用三角波双重调制可以克服调频式微 波物位计的部分固有误差；加上采取其他措施，微波 物位计的测量精确度可达1%。测量范围一般为 0.520 m，最大可达几十米（由固态源发射功率大小 决定）以上。 45 传感器与检测技术教程 4.6 核辐射物位与厚度检测 n4.6.1 放射源和探测器 4.6.2 测量电路 4.6.3 核辐射厚度计 4.6.4 核辐射液位计 46 传感器与检测技术教程 4.6.1 放射源和探测器 不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强， 液体次之，气体最差。 当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。 透过介质的射线强度 I 与入射强度 I0 之间有如下关系： 式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为： 因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来 实现。 47 传感器与检测技术教程 核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。 辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容 器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔 或窄缝透出。 接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一 侧， 射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输 出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电 路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电 路，最终得到与液位相关的电流输出。 48 传感器与检测技术教程 图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方 式的核幅射液位计。 (a) ( b) 核辐射式液位计 1-放射源； 2-接收器 (a)为长辐射源和 长接收器形式， 输出线性度好； (b) 为点辐射源和 点接收器形式， 输出线性度较差 。 49 传感器与检测技术教程 辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送 信号和进行控制； 射线不受温度、压力、湿度、电磁场