传感器4章教材

1、船舶仪表及自动化第四章 物位检测第四章 物位检测 容器中液体介质的高度叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，而测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位仪表。第一节 物位检测的意义和主要类型 物位检测的意义:物位检测在现代工业自动化中具有重要的地位。随着现代化工业设备规模的扩大和集中，特别是计算机投入运行以后，物位的检测和远传更显得重要了。 物位检测对安全生产关系十分密切。 工业生产中对物位仪表的要求多种多样，主要的有精度、量程、经济和安全可靠等方面。其中首要的是安全可靠。测量物位的仪表种类很多，而且随着生产

2、的发展，还会出现新的检测方法和检测仪表。物位传感器种类较多，按其工作原理可分为下列几种类型： （1) 直读式：根据流体的连通性原理测量液位。（2) 浮力式： 根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮子(或称沉筒)的浮力随液位高度变化而变化的原理测量液位。 （3） 差压式：根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静(差)压力的变化的原理测量物位。 （4）电学式：把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。 （5）核辐射式：根据同位素射线的核辐射透过物料时， 其强度随物质层的厚度变化而变化的原理测量液位。 （6） 声学式：根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。 （7） 其他形式：

3、如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。 第二节第二节 差压式液位计差压式液位计一、 差压式液位计工作原理差压式液位计也属于静压式液位计的一种， 它广泛适用于密封容器的液位测量。 因为在有压力的密闭容器中， 液面上部空间的气相压力不一定为定值， 所以用压力式液位计来测量液位时， 其示值中就包含有气相压力值，即使在液位不变时， 压力表的示值也可能变化， 因而无法正确反映被测液位。为了消除气相压力变化的影响， 故需采用差压式液位计。 差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱高度产生的静压也相应变化的原理而工作的， 如图所示。设PA为密闭容器中的气相A点的静压(气相压力)，PB为密闭容器中

4、的液相B点的静压，H为液柱高度，为液体密度。根据流体静力学原理可知：A、B两点的压差为 gHPgHPPPPAABA如果为敞口容器，则PA为大气压，公式(8-19)可变为 P=PB=Hg 图 用差压计测量液位原理图 二、 零点迁移问题利用差压变送器测量密闭容器液位时，由于现场的安装条件不同，存在零点无迁移、正迁移和负迁移三种情况。当差压变送器的测量室与容器最低液位安装在同一水平面上时，式子成立，无零点迁移。如图所示， 当差压变送器的测量室的安装位置低于容器最低液位h高度时，不论实际液位如何变化，差压计变送器输出为P= Hg+ hg。即变送器的测量室总是增加了一个固定的压差hg，需要抵消固定正值h

5、g的作用，其方法叫做正迁移。 图 正迁移 如图所示，当液位上的介质是可凝气体(如蒸汽)时， 负压侧连通管中充满了介质的冷凝液。 为使连通管中液柱恒定， 正压室的压力只随液位的变化而变化，在图中虚线所示部分装有截面积较大的平衡容器(又称冷凝器)。假定连通管中充满介质的冷凝液与容器中的液体密度相同，则作用在变送器正、负压室的压差为P=P1-P2=Hg-（H0-h）g，其中，H0为通气连通管中冷凝液柱高度（m）。可见，无论实际液位如何变化，变送器测量室总是减少了一个固定的压差（H0-h）g， 抵消固定负值（H0 -h）g的方法叫做负迁移。 图 负迁移 零点迁移的方法是用调整变送器的零点迁移弹簧，使液

6、位由零变化到最高液位时，P由零变化到最大差压Pmax， 变送器的输出从下限变化到上限。零点迁移弹簧的作用， 实质是改变测量范围的上限值和下限值，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。在差压变送器规格中，一般都注有是否带正、负迁移装置。 型号后面加“A”的为正迁移， 加“B”的为负迁移， 必须根据现场要求正确使用。 三、 用法兰式差压变送器测量液位为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒及粘度大、 易凝固等液体液位时， 引压管线被堵、 被腐蚀的问题， 需要用法兰式差压变送器, 如图所示。 图中， 变送器的法兰直接与容器上的法兰相连接， 作为敏感元件的金属膜盒经毛细管与变送器的测量室相通。 在膜盒

7、、 毛细管和测量室所组成的封闭系统内充入硅油， 作为传压介质。 为使毛细管经久耐用， 其外部均套有金属蛇皮保护管。 法兰式差压变送器的测量部分及气动转换部分的动作原理与气动差压变送器的基本相同。法兰式差压变送器按其结构形式又分为单法兰式及双法兰式两种，法兰的结构又有平法兰和插入式法兰两种。 图 法兰式差压变送器测量液位原理图 第三节 浮力式液位计 浮力式液位计是根据浮在液面上的浮球或浮标随液位的高低而产生上下位移，或浸于液体中的浮筒随液位变化而引起浮力的变化原理而工作的。当液位变化时，浮球或浮标产生相应的位移，而受到的浮力维持不变，浮筒则发生浮力变化。因此，只要检测出浮球或浮标的位移或浮筒所受

8、到的浮力变化，就可知道液位的高低。 浮力式液位计有两种。一种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，另一种是在检测过程中浮力发生变化的，叫做变浮力式液位计。 浮力式液位计结构简单，造价低、维修方便，因此应用广泛。一、恒浮力式液位计 恒浮力式液位计是利用浮子本身的重力和所受的浮力均为定值，使浮子始终漂浮在液面上，并跟随液面的变化而变化的原理来测量液位的。二、变浮力式液位计 变浮力式液位计（浮筒式液位计）的检测元件是沉浸在液体中的浮筒，它随液位变化而产生浮力的变化，去推动气动或电动元件，发出信号给显示仪表，以指示被测液位值，也可作液位报警和控制。第四节第四节 雷达式物位计雷达式物位计1. 1.

9、 微波的性质与特点微波的性质与特点微波是波长为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。 微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点： （1） 定向辐射的装置容易制造。 （2） 遇到各种障碍物易于反射。（3） 绕射能力较差。（4） 传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等影响较小。（5） 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。 2. 2. 微波传感器微波传感器微波传感器由振荡器与微波天线等构成。微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高 (300 MHz300 GHz)，要求振荡回路具有非常

10、微小的电感与电容，故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。 微波信号需要用波导管（波长在10 cm以上可用同轴线）传输， 并通过天线发射出去。如图8-39所示，为了使发射的微波具有尖锐的方向性， 天线具有特殊的结构。常用的有图（a）、（b）所示的喇叭形天线和图（c）、（d）所示的抛物面天线，以及介质天线、 隙缝天线等。 图8-39 常用微波天线（a）、 （b） 喇叭形天线； （c）、 （d） 抛物面天线 3. 微波传感器检测物位微波传感器检测物位1） 微波液位计 图8-40为微波液位计原理图。 由相互构成一定角度，相距为s的发射天线与接收

11、天线构成。 波长为的微波从被测液面反射后进入接收天线。 接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。 Pr为接收天线接收到的功率，即 22rtt2r44dSGGPP（8-23） 式中，d为两天线与被测液面间的垂直距离；Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益；Gr为接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为 22122rtt2r4/444dKKdSGGPP式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装方法和安装距离的常数。可见，只要测得接收到的功率Pr， 就可获得被测液面的高度。 图 微波液位计原理图 2） 微波物位计如图所示为开关式物位计示意图。 当被测物位较低时， 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收， 经检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常工作信号。 当被测物位升高到天线所在高度时， 微波束部分被吸收， 部分被反射， 接收天线接收到的功率相应减弱， 经检波、 放大后， 低于设定电压信号， 微波物位计就发出被测物位高出设定物位的信号。 图 开关式微波物位计示意图 被测物位低于设定物位时， 接