测控传感器第4章液位、液体重量和体积侧量ppt课件

1、东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院 第三章第三章 运动测量运动测量11东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量第4章液位、液体分量和体积侧量东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量概述概述 物质的量可以用液位、液体体积、分量或力的方式来表示物质的量可以用液位、液体体积、分量或力的方式来表示, ,它们之间都相互关联它们之间都相互关联 。线性刻度可以估测位于两刻度线之间的液面，容器的直径线性刻度可以估测位于两刻度线之间的液面，容器的直径知时，其标定的刻度位置就可以计算出

2、来。知时，其标定的刻度位置就可以计算出来。液体的密度随着温度变化而变化。通常随着温度添加，液液体的密度随着温度变化而变化。通常随着温度添加，液领会膨胀而使其密度变小。领会膨胀而使其密度变小。液位和液体的物理参数能够与质量有关，因此也与力和分液位和液体的物理参数能够与质量有关，因此也与力和分量有关。量有关。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.14.1液位丈量液位丈量4.1.1 4.1.1 可视玻璃管可视玻璃管p玻璃管液位计是一种直读式液位丈量仪表。p适用于工业消费过程中普通贮液设备中的液体位置的现场检测。p其构造简单，丈量准

3、确，是传统的现场液位丈量工具。p液位计两端各装有一个针形阀，当玻璃管发生不测事故而破碎时，针形阀在容器压力作用下自动封锁，以防容器内介质继续外流。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量丈量范围 300、500、600、 800、1000、1200、1400、1700、2000mm任务压力：1.6MPa材质：碳钢、不锈钢任务温度：200衔接法兰规范：HGJ46-91 PN1.6 DN20突面 其它法兰规范如JB/T、GB、ANSI等，请用户注明。 伴热蒸汽压力：0.6MPa蒸汽夹套接头：G1/2外螺纹钢球自封压力：0.2MPa主要技

4、术目的主要技术目的东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量u 玻璃管液位计丈量结果的准确度取决于读数玻璃管液位计丈量结果的准确度取决于读数者的阅历程度及玻璃管标定刻度的准确度。者的阅历程度及玻璃管标定刻度的准确度。u 容器中液体的种类和可视玻璃管的直径也会容器中液体的种类和可视玻璃管的直径也会影响丈量的精度。影响丈量的精度。u 可视玻璃管用在准确度要求不高的丈量中，可视玻璃管用在准确度要求不高的丈量中，例如在石油储罐和家用热水器中。例如在石油储罐和家用热水器中。玻璃管液位计的特点玻璃管液位计的特点东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞

5、学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.24.1.2液位标尺液位标尺 也被称为油标尺。也被称为油标尺。 液位标尺是标定好刻度的液位标尺是标定好刻度的细棒。细棒。 把液位标尺垂直地插入容把液位标尺垂直地插入容器内，以便它的下端投入液器内，以便它的下端投入液面以下。面以下。 从液体容器中取出油尺时，从液体容器中取出油尺时，一些液领会粘附着在液面标一些液领会粘附着在液面标尺上，从而根据油液痕迹从尺上，从而根据油液痕迹从刻度上读出液面高度。刻度上读出液面高度。 液位标尺仅用于现场丈量，液位标尺仅用于现场丈量，在实践丈量过程中必需取出在实践丈量过程中必需取出液位标尺才干

6、读数。液位标尺才干读数。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.3 4.1.3 液位浮子表液位浮子表液位浮子表有两种常见的方式即平衡重式和电子控制式。平衡重式液位浮子表平衡重式液位浮子表浮子随着液面位置的变化而浮子随着液面位置的变化而运动，并传送给指针，表盘运动，并传送给指针，表盘刻度是以体积或质量的方式刻度是以体积或质量的方式来标定的。来标定的。准确的读数可以得到，但其准确的读数可以得到，但其准确度取决于刻线长度以及准确度取决于刻线长度以及刻度分度值的精度。刻度分度值的精度。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4

7、4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量l浮子被设计成随液面浮子被设计成随液面位置而升降的方式位置而升降的方式l当液位变化时，浮子当液位变化时，浮子的运动导致电位计指针的运动导致电位计指针沿着表盘转动产生一个沿着表盘转动产生一个角位移。角位移。l电位器电阻的改动，电位器电阻的改动，产生一个与液位相对应产生一个与液位相对应的电压读数。的电压读数。电子控制式液位浮子表电子控制式液位浮子表东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.4 4.1.4 电容式液位计电容式液位计变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器圆柱形电容

8、器的初始电容为圆柱形电容器的初始电容为:00212()hCln r r1212()xhCln r r02212()()xh hCln r r电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。设设C1C1为液体有效高度为液体有效高度hxhx构成的电容，构成的电容，C2C2为空气高度为空气高度h-hxh-hx构构成的电容，那么：成的电容，那么：东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量由于C1和C2为并联，所以总电容为:可见，电容可见，电容C C实际上与液面高度实际上与液面高度hxhx成线

9、性关系，成线性关系，只需测出传感器电容只需测出传感器电容C C的大小，就可得到液位高的大小，就可得到液位高度。度。为什么电容式液位计不适用于丈量某些液体为什么电容式液位计不适用于丈量某些液体的液位，例知：的液位，例知：(a)(a)水银，水银，(b)(b)硫酸铜溶液？硫酸铜溶液？东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.5 4.1.5 导电式液位计导电式液位计n 是经过丈量导电液体电阻的变化侧量液面的一种仪器，其任务原理与电容表类似。n 传感器两极板间的电阻随着液位变化而变化，并以适当的单位来标定，从而用来作为液位或液体量的丈量

10、。n 运用导电式液位计时，腐蚀、泄露和被测液体的导电性是需求思索的重要要素。n 环境温度的变化，将影响液体的导电性和丈量系统。n 假设探针未被覆盖住，两个探针的尖端之间将会出现电弧放电(弧光)，因此不适宜测易燃性液体。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.6 4.1.6 超声波液位计超声波液位计 1 超声波的传输特性 人耳可以听到的机 械波，频率在16 Hz20 kHz之间，称为声波。 人耳听不到的机械波，频率高于20kHz的称为超声波。 频率在310831011 Hz之间的称为微波。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞

11、学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量超声波可分为纵波、横波和外表波超声波可分为纵波、横波和外表波质点的振动方向和波的传播方向一致的称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 质点的振动方向和波的传播方面相垂直的称为横波，它只能在固体中传播。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 质点的振动介于横波和纵波之间，沿着外表传播，振幅随着深度的添加而迅速衰减的称为外表波。外表波只在固体的外表传播。东北石油大

12、学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、介质的弹性系数及波型。在同一固体中横波声速为纵波声速的一半左右，而外表波声速又低于横波声速。当超声波在某一介质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵照如下一些规律。(1) 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，即声速为 Cf式中：为超声波的波长；f为超声波的频率。(2) 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的分散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作20exxII式中：I0为声源处的声强；Ix为距声源x处的声强；为衰

13、减系数(单位为110-3dB/mm)，水和普通低衰减资料的取值为14。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量(3) 超声波的反射与折射：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵照反射定律和折射定律入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波速与反射波速之比；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波速与折射波速之比。(4) 超声波的波形转换：假设选择适当的入射角，使纵波全反射，那么在折射中只需横波出现；假设横波也全反射，那么在工件外表上只需外表波存在。 2 超声波换能器 能将(交流)电信号转换

14、成机械振动而向介质中辐射(发射)超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的安装称为超声波换能器(或称为探测器、传感器、探头)。超声波传感器普通都是可逆的，既能发射也能接纳发射超声波。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量超声波探头最常用的是压电式探头。超声探头的中心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。 超声波传感器的主要性能目的包括任务频率。任务频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 (2) 任务温度。由于压电资料的居里点普通比较高，特别是诊断

15、用超声波探头运用功率较小，所以任务温度比较低，可以长时间地任务而不失效。 (3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之那么灵敏度低。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量3 超声波液位计p 换能器探头发出高频超声波脉冲遇到被测介质外表被反射回来，部分反射回波被同一换能器接纳，转换成电信号。p 超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接纳到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质外表的间隔成正比。p 间隔值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CxT/2。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第

16、4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 图所示为一个典型的超声波液位仪。当向液体发射超声脉冲波时，其中有一小部分被液面反射回来，其他的被液体容器的底面反射。两种反射的脉冲的时间差直接与被测物体的深度有关，并且这个深度可以按人们期望的方式(深度或体积)标定并显示。显示在屏幕上，或其他基于时间的显示或记录安装上。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.7 4.1.7 气泡式液位计气泡式液位计n吹泡式液位计是运用静压原理丈量敞口容器液位。n紧缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路,

17、一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；另一路进入压力计进展指示。n当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要抑制液柱的静压力，背压添加，压力指示增大。n背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。n吹泡式液位计构造简单、价廉，适用于丈量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.8 4.1.8 压力式液位计压力式液位计p丈量液体分量或液面高度的同时还要求以电信号方式输出，就可以用压力式液位计。最典型的运用是压敏电阻传感器

18、。p在压力式液位计中，被侧压力将使一个膜片产生变形，这种膜片的变形经过压敏电阻传感器给出一个与压强对应的电信号。p压力式液位计放置在将要被丈量液体深度的容器里，液体的液面高度的任何变化都会使传感器产生一个与之成比例变化的输出信号。p压强为 P=ghp那么液面高度为 h=P/g东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量式中：-液体的密度，单位为kg/m3 g-重力加速度 ,单位为m/s2 h-液体的高度 ,单位为m可以看出，由于液体的密度和重力加速度g均为常数，对于一个给定横截面尺寸的容器来说，液面高度h与压强P成正比。东北石油大学华瑞

19、学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.2 4.2 分量或力的丈量分量或力的丈量4.2.1 测力传感器p 测力传感器是一种通常利用应变测力传感器是一种通常利用应变片丈量未知力片丈量未知力( (有时称为负载有时称为负载) )或质量或质量的传感器。的传感器。p 电阻值为定值的传感元件将被布电阻值为定值的传感元件将被布置在单臂电桥中，其丈量的精度取决置在单臂电桥中，其丈量的精度取决于所用应变片的类型。于所用应变片的类型。p 单臂电桥以适当的应变方式调制单臂电桥以适当的应变方式调制要读数的信号，电桥的输出电压与所要读数的信号，电桥的输出电压与所加负载的

20、大小有关。加负载的大小有关。p 由温度变化而引起的误差可以经由温度变化而引起的误差可以经过相匹配的应变片来使其最小化。过相匹配的应变片来使其最小化。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量单臂电桥布置图测力传感器常用于以下丈量：测力传感器常用于以下丈量：存储料斗中的资料分量；存储料斗中的资料分量；过桥车辆的分量；过桥车辆的分量；容器里液体的液位或体积假设容器里液体的液位或体积假设分量是知的，那么可以换算出其分量是知的，那么可以换算出其体积或液位。体积或液位。这种仪器具有准确这种仪器具有准确. .、耐用和相、耐用和相对廉价的优点，而且

21、可用于很宽对廉价的优点，而且可用于很宽的丈量范围。的丈量范围。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量应变片侧力传感器的阐明书应变片侧力传感器的阐明书东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量阐明书中阐明了传感器的以下特性：准确度、线性度、反复性、过载等。我们将在第11章运用实例中再次讨论。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.2.2 4.2.2 天平与秤天平与秤天平与秤是利用平衡原理来确定未知质量和力天平

22、与秤是利用平衡原理来确定未知质量和力( (分量分量) )的丈量安装。的丈量安装。中心支点的天平标定作用在未知质量物体上的重力Wx与知的重力W进展比较。天平是一个知力和未知力到支点(支承轴)的间隔相等的杠杆。平衡条件是经过给右边盘中逐渐添加知质量的砝码直到杠杆到达程度的方法实现的。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量n 一个带有滑移质量块的天平要进展调平衡。n 先经过添加知质量块(砝码)到天平盘上以到达粗略平衡，然后经过挪动滑移质量块(Ws)到最正确位置，从而使天平到达准确平衡。n Wxa=Wb+Wsc，Ws是一定的，间隔c可以被直接确定出来，在程