传感器与检测技术(5)

1、第第7 7章章 物位检测物位检测7.1 7.1 物位的定义及物位检测仪表的分类物位的定义及物位检测仪表的分类7.2 7.2 常用物位检测仪表常用物位检测仪表7.3 7.3 影响物位检测的因素影响物位检测的因素7.1 7.1 物位的定义及物位检测仪表的分类物位的定义及物位检测仪表的分类（1 1）物位的定义）物位的定义 物位统指设备和容器中液体和固体物料的物位统指设备和容器中液体和固体物料的表面位置表面位置，是是液位、料位、界位液位、料位、界位的总称。的总称。l液位：指设备和容器中液体介质表面的高低。液位：指设备和容器中液体介质表面的高低。l料位：指设备和容器中所存储的块状、颗粒或粉末状料位：指设

2、备和容器中所存储的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。固体物料的堆积高度。l界位：指界面的位置，液界位：指界面的位置，液- -液界面、液液界面、液- -固界面。固界面。（2 2）物位检测仪表的分类）物位检测仪表的分类l测量方式测量方式:连续测量和定点测量连续测量和定点测量连续测量方式能持续测量物位的变化连续测量方式能持续测量物位的变化定点测量方式只能检测物位是否达到上限、下限或某定点测量方式只能检测物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，定点测量仪表一般称为物位开关个特定的位置，定点测量仪表一般称为物位开关l按工作原理：按工作原理：直读式直读式：采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容：采用侧

3、壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中的物位高度。主要用于液位检测和压力较低的场器中的物位高度。主要用于液位检测和压力较低的场合。合。静压式静压式：基于：基于静力学原理静力学原理液位检测，有压力式、吹气液位检测，有压力式、吹气式和差压式。式和差压式。（2 2）物位检测仪表的分类）物位检测仪表的分类l按工作原理：按工作原理：浮力式：浮力式：基于基于阿基米德定律阿基米德定律液位检测，有浮筒式和浮液位检测，有浮筒式和浮子式液位计。子式液位计。机械式：机械式：通过测量物位探头与物料面接触时的机械力通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。实现物位的测量。 有重锤式、音叉式。有重锤式、音叉式。

4、电气式：电气式：将电气敏感元件置于被测介质中，根据物位将电气敏感元件置于被测介质中，根据物位变化与电气参数变化关系来测量物位。变化与电气参数变化关系来测量物位。l其他方法其他方法 如声学式、射线式、光纤式等，见表如声学式、射线式、光纤式等，见表71（2 2）物位检测仪表的分类）物位检测仪表的分类(1)(1)直读式液位检测仪表直读式液位检测仪表l测量原理：基于连通器原理而实现液位的测量。测量原理：基于连通器原理而实现液位的测量。l结构：形式多样结构：形式多样连通阀，用于切断玻连通阀，用于切断玻璃液位计与容器璃液位计与容器特点：最简单、经济特点：最简单、经济7.2 7.2 常用物位检测仪表常用物位

5、检测仪表（2 2）静压式液位检测仪表）静压式液位检测仪表工作原理：工作原理：把物位的测量转换为压把物位的测量转换为压力或压差的测量。如图力或压差的测量。如图7-1所示。所示。 B点为选定的零液位。则从液面至点为选定的零液位。则从液面至零液位处的差压：零液位处的差压：式中式中为被测介质密度；为被测介质密度；g为重力加为重力加速度。速度。n特点：特点：测量简单、无可动部件、工作可靠、压力表精度高。测量简单、无可动部件、工作可靠、压力表精度高。凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程均可用于检凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程均可用于检测液位。测液位。n压力式液位计压力式液位计：用于敞口容

6、器中液位的测量。：用于敞口容器中液位的测量。n差压式液位计差压式液位计：用于密闭容器中液位的测量。：用于密闭容器中液位的测量。压力变送器压力变送器2.1 压力、差压式液位计压力、差压式液位计n压力信号的引出压力信号的引出：采用引压管采用引压管对于有腐蚀性、结晶颗粒或黏度对于有腐蚀性、结晶颗粒或黏度大、易凝固的液体介质可用法兰大、易凝固的液体介质可用法兰式仪表（法兰式压力变送器）。式仪表（法兰式压力变送器）。仪表是用法兰直接与容器上的法兰仪表是用法兰直接与容器上的法兰相连，金属感压膜盒安装在法兰中，相连，金属感压膜盒安装在法兰中，与测量室间用充满硅油的带保护套与测量室间用充满硅油的带保护套的毛细

7、管相连。在这个密闭系统中的毛细管相连。在这个密闭系统中充满硅油用以传递压力。充满硅油用以传递压力。注：法兰（注：法兰（flange ）是一种盘状零件，在管道工程中，法兰主）是一种盘状零件，在管道工程中，法兰主要用于管道的连接。要用于管道的连接。 2.1 压力、差压式液位计压力、差压式液位计n读数的修正读数的修正：由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器的最低液位处在同一高度上的最低液位处在同一高度上图图(a)中的情况，差压计安装中的情况，差压计安装在最低液面以下，这时加在差在最低液面以下，这时加在差压计两侧的差压为压计两侧的差压为：这种附加差压可以调整仪

8、表的零点来消除，即当差压计有这种附加差压可以调整仪表的零点来消除，即当差压计有hg的差压作用时，其指示值调为零。这种零点迁移称为的差压作用时，其指示值调为零。这种零点迁移称为正正迁移。迁移。2.1 压力、差压式液位计压力、差压式液位计图图(b)(b)所示的系统为带有隔离介质的测量系统。此时加在差压所示的系统为带有隔离介质的测量系统。此时加在差压计两侧的差压为：计两侧的差压为：这种情况下的迁移量为负值，称为这种情况下的迁移量为负值，称为负迁移负迁移。2.1 压力、差压式液位计压力、差压式液位计2.2吹气式液位计吹气式液位计 将一根吹气管插入至被测液体最将一根吹气管插入至被测液体最低位，使吹气管通

9、入一定的气体，低位，使吹气管通入一定的气体，使吹气管中的压力与管口处液柱使吹气管中的压力与管口处液柱静压力相等静压力相等( (气泡气泡) )。用压力计测。用压力计测量吹气管上端压力，就可测得液量吹气管上端压力，就可测得液位位n特点：可将压力检测点移至顶特点：可将压力检测点移至顶部，其使用和维修均很方便。很部，其使用和维修均很方便。很适合于地下储罐、深井等场合以适合于地下储罐、深井等场合以及腐蚀性较强或沉淀严重的液体。及腐蚀性较强或沉淀严重的液体。n精度影响因素：测压仪表的精精度影响因素：测压仪表的精度；度；液体温度液体温度水深测量仪水深测量仪 3.1 浮子浮子(bobber)(bobber)式

10、液位计式液位计恒浮力式恒浮力式n原理原理：把液位的变化传给浮在液面上的浮子，浮子受液体把液位的变化传给浮在液面上的浮子，浮子受液体的浮力而漂在液面上，当浮力与重量相等时，的浮力而漂在液面上，当浮力与重量相等时，浮子的位置浮子的位置就代表液位就代表液位，并且随液位同步移动。，并且随液位同步移动。n浮子的形状：圆盘形、圆柱形和球形，要根据使用条件和浮子的形状：圆盘形、圆柱形和球形，要根据使用条件和使用要求来设计。使用要求来设计。n浮子位置的检测方式：直接指示和信号远传。浮子位置的检测方式：直接指示和信号远传。（3 3）浮力式物位检测仪表）浮力式物位检测仪表（3 3）浮力式物位检测仪表）浮力式物位检

11、测仪表31Fm gmg浮子重锤液位计浮子重锤液位计24DFh g浮力浮力恒浮力式恒浮力式液位计液位计平衡状态平衡状态不利因素：不利因素：浮子浮子浸入液体深度浸入液体深度改变改变1. 不灵敏区域：不灵敏区域：液位的变化只有克服了仪液位的变化只有克服了仪表的摩擦阻力之后达到一定的值时浮子表的摩擦阻力之后达到一定的值时浮子才能运动，与才能运动，与直径和密度直径和密度成反比成反比舌簧管式液位计舌簧管式液位计液面变化瞬间液面变化瞬间引起浮力变化引起浮力变化钢丝绳张力钢丝绳张力发生变化发生变化张力传感器张力传感器输出变化输出变化输出偏输出偏差信号差信号步进电步进电机转动机转动鼓轮的旋转量即鼓轮的旋转量即步

12、进电机的驱动步进电机的驱动步数反映液位的步数反映液位的变化量变化量传动轴转传动轴转矩改变矩改变浮子移动至浮浮子移动至浮力恢复原值力恢复原值伺服平衡式浮子伺服平衡式浮子液位计液位计浮筒式液位计浮筒式液位计0cxmgAH g工作原理工作原理当液位变化时当液位变化时0()()c xxmgA HHxg(1)cHxA g7.2.3.1 7.2.3.1 电容式物位计电容式物位计l电气式电气式（可测量液位、料位和界位）（可测量液位、料位和界位）l工作原理工作原理：圆筒形电容器的电容值圆筒形电容器的电容值随两极板之间的电介质的不同而变随两极板之间的电介质的不同而变化，故可以通过测量电容量的变化化，故可以通过测

13、量电容量的变化来测量物位。由同轴圆筒电极组成来测量物位。由同轴圆筒电极组成的电容器的电容量为：的电容器的电容量为：2lnLCDd21lnCkHDd当液位变化时当液位变化时组成组成：测量电极和测量电路组成测量电极和测量电路组成测量电极的型式：随被测介质的不同而不同。测量电极的型式：随被测介质的不同而不同。非导电液体液位测量非导电液体液位测量同心套筒电极，外电极同心套筒电极，外电极开许多孔开许多孔 1-1-内电极内电极 2-2-外电极外电极 3-3-绝缘套绝缘套非导电固体料位测量非导电固体料位测量1-1-内设的金属棒内电极内设的金属棒内电极 2-2-金属容器壁作外电极金属容器壁作外电极构成同心电容

14、器构成同心电容器导电液体液位测量导电液体液位测量1-1-带绝缘套的金属棒作带绝缘套的金属棒作内电极内电极 2-2-绝缘套管绝缘套管 4-4-导电液体作导电液体作3-3-外电极外电极粘度大的液体容易粘上，造粘度大的液体容易粘上，造成虚假液位成虚假液位电容式油量表电容式油量表声波式一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振声波式一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波；动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波；更低频率的机械波称为次声波；更低频率的机械波称为次声波；20kHz20kHz以上频率的机械波称以上频率的机械波称为超

15、声波。物位检测一般应用的都是超声波。为超声波。物位检测一般应用的都是超声波。超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质：超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质：和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，且有各和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，且有各自的传播速度。自的传播速度。声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小。液体其次，固体吸收最小。声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波近似

16、直线传播，具有很好的方向性。尖锐，超声波近似直线传播，具有很好的方向性。当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为介质密度不同，声波当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为介质密度不同，声波传播速度不同，分界面上有反射和折射现象。传播速度不同，分界面上有反射和折射现象。7.2.3.2.超声波物位检测超声波物位检测 l回波测距法回波测距法声波在介质中的传播有一定的速度，但声波在介质中的传播有一定的速度，但在密度不同的介质分界面处会产生反射和折射。从发在密度不同的介质分界面处会产生反射和折射。从发射超声波到收到反射回波的时间间隔与分界面位置有射超声波到收到反射回波的时间间隔与分界面位置有关，从而测得

17、物位。关，从而测得物位。l分类：固介式、液介式、气介式分类：固介式、液介式、气介式采用单探头时，采用单探头时， 探头与液面的距离为：探头与液面的距离为：/2hct 22222cthsaa采用双探头时：采用双探头时：7.2.3.2.超声波物位检测超声波物位检测 放射性同位素在蜕变的过程中会发射出放射性同位素在蜕变的过程中会发射出、三种射线。三种射线。射射线穿透能力最强，电离能力最弱。由于射线的线穿透能力最强，电离能力最弱。由于射线的可穿透性可穿透性，常用于，常用于情情况特殊或环境条件恶劣的场合况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料厚度、

18、流体密度、流量和物位等的检测。移、材料厚度、流体密度、流量和物位等的检测。原理：射线在穿透物质时，原理：射线在穿透物质时，它的强度随物质层的厚度指数降它的强度随物质层的厚度指数降低低，只要测出通过物质前后的辐射强度，就可知厚度（物位），只要测出通过物质前后的辐射强度，就可知厚度（物位）射线射入一定厚度的介质时，其强度与厚度的关系：射线射入一定厚度的介质时，其强度与厚度的关系：不同的介质对射线的吸收能力不同，当射线源与被测介质确定不同的介质对射线的吸收能力不同，当射线源与被测介质确定后，则后，则I I0 0和和 （吸收系数）（吸收系数） 确定，测量射线通过物体后的辐确定，测量射线通过物体后的辐射

19、强度射强度I I即可测得物位。即可测得物位。7.2.3.3.核辐射式物位计核辐射式物位计组成组成：射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路检测器检测器前置放大前置放大整形整形计数计数显示显示放射源放射源被测物被测物电子转换电子转换指示指示放射源：放射源：一般为一般为射线源，钴（射线源，钴（Co)Co)或铯（或铯（Cs)Cs)。射线检测器：射线检测器：可将射线的强度转换为电信号。可将射线的强度转换为电信号。电子电路：电子电路：接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后输出与被测物位相应的标准信号。输出与

20、被测物位相应的标准信号。7.2.3.3.核辐射式物位计核辐射式物位计检测方式：有固定安装式和随动式两种检测方式：有固定安装式和随动式两种特点：具有非接触式测量的特点，可用于高温高压、真空密闭特点：具有非接触式测量的特点，可用于高温高压、真空密闭等各种容器中液体或固体物料的物位测量；可适应腐蚀、有毒、等各种容器中液体或固体物料的物位测量；可适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规范操扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规范操作。作。a)a)自动跟踪方式

21、：电机带动射线自动跟踪方式：电机带动射线源和接受器沿导轨随物位的变化源和接受器沿导轨随物位的变化而升降，且始终保持同一高度，而升降，且始终保持同一高度，可连续测量范围宽、但存在运动可连续测量范围宽、但存在运动部件，结构复杂。部件，结构复杂。b)固定安装方式：透射式测量，固定安装方式：透射式测量，随物位的变化，射线的衰减程度随物位的变化，射线的衰减程度变化，从而可测得物位。无运动变化，从而可测得物位。无运动机构，结构简单。机构，结构简单。c)c)、d)d)、e)e)发射源或接收器多点发射源或接收器多点组合方式方式：射测量变化范围组合方式方式：射测量变化范围大的物位，可连续测量，很好的大的物位，可

22、连续测量，很好的改善了线性关系，但增加了安装改善了线性关系，但增加了安装与维护的困难与维护的困难7.2.3.4 7.2.3.4 物位开关物位开关l进行进行定点测量定点测量的物位的物位开关是用于检测物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，是否达到预定高度，并发出相应的开关量并发出相应的开关量信号信号l对象对象: :液位、料位、液位、料位、固固- -液分界面、液液分界面、液- -液液分界面，以及判断物分界面，以及判断物料的有无料的有无一、光的反射、折射一、光的反射、折射光纤液位探测光纤液位探测器器 当光由光密物质发当光由光密物质发射至光疏物质时，发射至光疏物质时，发生折射。生折射。 （a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态：）临界状态： （c c）全反射）全反射 ：1122sinsinnn)/arcsin(120nni0ii光在光在光纤中光纤中的全反射的全反射 光纤液位探测器的几种结构形式：光纤液位探测器的几种结构形式： a. Ya. Y形光纤结构形光纤结构 由由Y Y形光纤和全反射椎体以形光纤和全反射椎体以 及光源和光电二极管等组成。及光源和光电二极管等组成。 b. Ub. U形结构，形结构， 在探头