大连大学建筑环境测试技术

1、大连大学建筑工程学院2022-3-71建筑环境测试技术建筑环境测试技术2第10次课复习3第第6 6章章 物位测量物位测量 P134P1342.2.浮力式物位检测浮力式物位检测; ;1.1.静压式物位检测静压式物位检测; ;3.3.电气式物位检测电气式物位检测; ;4.4.声学式（超声波）物位检测声学式（超声波）物位检测; ;5.5.射线式物位检测。射线式物位检测。二、物位检测的二、物位检测的基本原理基本原理1.1.基于力学原理基于力学原理; ;2.2.基于相对变化原理基于相对变化原理; ;3.3.基于某物理量随物位变化原理。基于某物理量随物位变化原理。4 依据液体重量所产生的依据液体重量所产生

2、的压力压力进行测量。由于液体对容进行测量。由于液体对容器底面产生的器底面产生的静压力与液位高度静压力与液位高度成正比，因此通过测容器成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。中液体的压力即可测算出液位高度。 液位高度液位高度H H与与液体静压力液体静压力P P之间有如下关系：之间有如下关系：6.2 静压式物位检测静压式物位检测BA对常压开口容器：对常压开口容器：一、检测一、检测原理原理 gHPPPAB （6.2.1）gPH gHPPPDB 3/ mkg 被测液体的密度。被测液体的密度。（6.2.2）图6.2.1 静压法液位测量原理考试重点中的重点，有计算题5本次课开始新内容（11）

3、62.2.密闭容器中的液位测量（密闭容器中的液位测量（考试计算题考试计算题） 除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，在测量过程中需消除液面上部气压及气压测量，在测量过程中需消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，图示出差压式液位计测量原波动对示值的影响，图示出差压式液位计测量原理。理。 差压变送差压变送器器差压变送器作差压变送器作用：将用：将压差信压差信号变成标准电号变成标准电流信号输出流信号输出。P P I0 4-20mA如图6.2.3HgHPPPpPgHPP212171 u差压变送器测量液位时的零点迁移问题（差压变送器测量液位时的零点迁移

4、问题（重点重点）。）。u安装位置、条件不同存在着仪表零点迁移问题。安装位置、条件不同存在着仪表零点迁移问题。 三三.量程迁移问题量程迁移问题 采用静压式液位计测量液位时，常常会碰到采用静压式液位计测量液位时，常常会碰到取压口与取压口与测压口不等水平高度的情况，即液位零点时静压力并不测压口不等水平高度的情况，即液位零点时静压力并不为零。为零。u 解决这一问题的方法被称为解决这一问题的方法被称为“量程迁移问题量程迁移问题”。（1 1）无迁移无迁移图6.2.5差压变送器测量液位原理（a） 如图如图6.2.5(a)6.2.5(a)安装状况。安装状况。 取压口与差压变送器测压口等取压口与差压变送器测压口

5、等高；负压室与气相取压口不等高。高；负压室与气相取压口不等高。81 差压变送器的输入输出特性差压变送器的输入输出特性当当H Hminmin=0=0时，差压时，差压P=0P=0，变送器输出信号为，变送器输出信号为4mA4mA当当H=HH=Hmaxmax时，时，PPmaxmax=gH=gHmaxmax，变送器输出信号为，变送器输出信号为20mA20mA. .P Hmin=0H=Hmax0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)H HH=HmaxHmin=0I0=IminI0=ImaxgHPPP1 （6.2.3） 负压室与气相取压口虽不等高负压室与气相取压口虽不等高,

6、 ,由于气体密度较小由于气体密度较小, ,取压取压口与测压口造成的气相静压误差很小口与测压口造成的气相静压误差很小, ,可以忽略。可以忽略。9差压变送器差压变送器a-a-无迁移无迁移10 如图如图6.2.5(b)6.2.5(b)安装状况。当容器空间的气体是可凝性安装状况。当容器空间的气体是可凝性的的, ,如水蒸气；或者是为了防腐，负压室应装入隔离液如水蒸气；或者是为了防腐，负压室应装入隔离液, ,此此时时负压的取压口与测压口不等高也不等压负压的取压口与测压口不等高也不等压。（2 2）负迁移负迁移 差压变送器的正、负压室的压差压变送器的正、负压室的压力分别为：力分别为：ghhgHPPP2121)

7、( ghgHPP211 气气ghPP22 气气正、负压室压差：正、负压室压差：差压变送器差压变送器气侧图6.2.5差压变送器测量液位原理（b）附加的负压力作用附加的负压力作用（6.2.4）BgHP 1 迁移量迁移量110500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)差压变送器的输入输出特性差压变送器的输入输出特性当当H Hminmin=0=0时，差压时，差压P= -P= -（h h2 2-h-h1 1）2 2g g 0 0 ，变送器，变送器 输出信号小于输出信号小于4mA4mA，即，即液位最低而电流输出不为液位最低而电流输出不为零位。零位。当当H=HH=Hmaxmax

8、时，变送器输出信号小于时，变送器输出信号小于20mA20mA. .u负迁移时差压变送器的输入输出特性负迁移时差压变送器的输入输出特性我们需要的是我们需要的是液位最低时对应电流输出为液位最低时对应电流输出为零位零位-4mA-4mA。气侧H H12 为使为使H=0H=0时时, , 输出等于输出等于4mADC4mADC，就要设法抵消，就要设法抵消 P=-P=-（h h2 2-h-h1 1）2 2g g 的作用。即量程需要向负方向迁移，的作用。即量程需要向负方向迁移，迁移量为迁移量为- -（h h2 2-h-h1 1）2 2g g 此过程为此过程为“负量程迁移负量程迁移”。 0500042020007

9、000P (Pa)-20003000I0(mA)当当H=0H=0时时,P= -,P= -（h h2 2-h-h1 1）2 2g, g, 输出等于输出等于4mADC4mADC；当当H=HmaxH=Hmax时时, , P P最大最大, , 输出信号最大输出信号最大, ,为为20mADC20mADC。 H=0H=0H=HH=Hmaxghh212)( 13ghgHPP11 气气气PP 正、负压室的压力分别为：正、负压室的压力分别为：ghgHPPP11 正、负压室压差正、负压室压差 ： 如图如图6.2.5(c)6.2.5(c)安装状况。变送器的安装位置与容器的安装状况。变送器的安装位置与容器的最低液位（

10、最低液位（H=0H=0）不在同一水平位置。）不在同一水平位置。（3 3）正迁移正迁移 差压变送器差压变送器b气侧图6.2.5差压变送器测量液位原理（C）附加的正压力作附加的正压力作用用（6.2.5）CgHP 1 迁移量迁移量140500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)当被测液位当被测液位H=0H=0时，时，P=hP=h1 1g g 0 0，变送器输出电流大，变送器输出电流大于于4 mA4 mA；H=HH=Hmaxmax时，输出电流大于时，输出电流大于20 mA20 mA。 为使为使H=0H=0时时, , P=0, P=0, 输出输出=4mAD.C,=4mAD.

11、C,就需设法抵消正附就需设法抵消正附加力。即量程需要向正方向迁移，而且迁移量为加力。即量程需要向正方向迁移，而且迁移量为hh1 1g g，此过程称为此过程称为“正量程迁移正量程迁移”。gh115应用静压原理检测物位应用静压原理检测物位0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)（a a）无迁移）无迁移 （b b）负迁移）负迁移 （c c）正迁移）正迁移例例 图示压力变送器的测量范围图示压力变送器的测量范围：05000Pa，其正或负其正或负的迁移量为：的迁移量为：2000Pa16 1. 1.在实际安装中在实际安装中, ,往往是正、负量程迁移同时出现往往是正、负量程迁

12、移同时出现, ,但但仍可用上述分析方法分别求出仍可用上述分析方法分别求出P+P+、 P-P-和和P,P,再令再令H=0,H=0,即即可判断迁移的正、负，并求出迁移量。可判断迁移的正、负，并求出迁移量。 2.2.迁移的作用是同时迁移的作用是同时改变量程的上下限改变量程的上下限, ,而并不改变而并不改变量量程范围程范围。 3.3.迁移的原则是使迁移的原则是使H=0H=0时，仪表输出起点时，仪表输出起点4mA4mA。 4.4.迁移的实现是通过调整变送器内的部件，如电动差迁移的实现是通过调整变送器内的部件，如电动差压变送器的压变送器的迁移弹簧迁移弹簧。说明：说明：0500042020007000P (

13、Pa)-20003000I0(mA)17例例6.2.1 6.2.1 如图用差压变送器测量液位。如图用差压变送器测量液位。已知已知1 1=1200kg/m=1200kg/m3 3, , 2 2=950kg/m=950kg/m3 3, h, h1 1=1.0m, h=1.0m, h2 2=5.0m,=5.0m,液位变化的范围为液位变化的范围为0-3.0m0-3.0m，如果当地，如果当地的重力加速度的重力加速度g=9.8m/sg=9.8m/s2 2。求：求：1 1）计算差压变化量？）计算差压变化量？2 2）选择差压变送器的量程？）选择差压变送器的量程？3 3）计算差压变送器的迁移量？）计算差压变送器

14、的迁移量？4 4）计算迁移后差压变送器的压差测量范围？）计算迁移后差压变送器的压差测量范围？5 5）计算迁移后差压变送器的液位测量范围？）计算迁移后差压变送器的液位测量范围？18例例6.2.1 6.2.1 如图用差压变送器测量液位。如图用差压变送器测量液位。已知已知1 1=1200kg/m=1200kg/m3 3, , 2 2=950kg/m=950kg/m3 3, h, h1 1=1.0m, h=1.0m, h2 2=5.0m,=5.0m,液位变化的范围为液位变化的范围为0-3.0m0-3.0m，如果当地，如果当地的重力加速度的重力加速度g=9.8m/sg=9.8m/s2 2。 解：解：1

15、1）最高液位为最高液位为3.0m3.0m时，最大差压为：时，最大差压为：kPagHP28.358 . 912000 . 31maxmax 故当液位在故当液位在0-3.0m0-3.0m变化时，差压变化量为：变化时，差压变化量为：0-35.28KPa0-35.28KPa。0m3m2 2）根据国际量程系列规定，差压变送器量程选择）根据国际量程系列规定，差压变送器量程选择40KPa40KPa。3 3）依据）依据ghhgHP2121)( 可知，当可知，当H=0H=0时，有时，有ghhP212)( KPaP24.378 . 9950)0 . 10 . 5( 差压变送器需要进行负迁移，迁移量为差压变送器需要

16、进行负迁移，迁移量为- -37.24KPa37.24KPa。190m3m 4 4）差压变送器量程选择）差压变送器量程选择40KPa40KPa，压差测量范围为，压差测量范围为0-40KPa0-40KPa。迁移。迁移后其最小差压测量值为：后其最小差压测量值为：KPaP24.37min KPaP76. 224.3740max 迁移后其最大差压测量值为：迁移后其最大差压测量值为：-37.24KPa-37.24KPa2.76KPa2.76KPa故迁移后差压变送器的压差测量范围为：故迁移后差压变送器的压差测量范围为：5 5）计算迁移后差压变送器的液位测量范围）计算迁移后差压变送器的液位测量范围 因差压变送

17、器实际量程为因差压变送器实际量程为40KPa40KPa，故由：，故由：mHH4 . 328.3534028.35340maxmax kPagHP28.351maxmax 由前面计算可知，当液位在由前面计算可知，当液位在0-3m0-3m范围变化时，产生的最大压差：范围变化时，产生的最大压差：可知实际可测量的液位变化范围为：可知实际可测量的液位变化范围为： 0-3.4m0-3.4m差压变送器实际量程仍为差压变送器实际量程仍为40KPa40KPa。206.3 6.3 浮力式物位检测浮力式物位检测 P140 浮力法测液位是依据浮力法测液位是依据力平衡力平衡原理，借助浮子一类的原理，借助浮子一类的悬浮物

18、，做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。悬浮物，做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。测出测出浮子的位移浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。可分为钢带式、杠杆式等。21 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图为直读式钢带浮右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能简单的液位计，一般只能就地显示。

19、就地显示。恒浮力法液位测量恒浮力法液位测量示意图示意图 图图6.3.1 6.3.1 浮球式水位控制器结构图浮球式水位控制器结构图一、恒浮力式物位检测一、恒浮力式物位检测22 浮筒式液位计属于变浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，积变化，所受浮力也变化，通过通过测量浮力变化确定出测量浮力变化确定出液位液位的变化量。的变化量。 浮筒式液位计浮筒式液位计二、变浮力式物位检测二、变浮力式物位检测1-浮筒；浮筒；2-弹簧；弹簧；3-差动变压器差动变压器 图图6.3.2 浮筒式液位计原理图浮筒式液位计原理图23

20、浮筒液位计是用浮筒液位计是用弹簧弹簧2 2平衡浮力，用平衡浮力，用差动变压器差动变压器3 3测量测量浮筒浮筒1 1的位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力的位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力平衡。即平衡。即 0Cxmg 液位上升，浮筒一部分被浸没时液位上升，浮筒一部分被浸没时浮筒受力发生变化浮筒受力发生变化 式中式中 C C弹簧刚度；弹簧刚度； x x0 0弹簧由于浮筒的重力被弹簧由于浮筒的重力被 压缩所产生的位移；压缩所产生的位移； （ 6.3.1 ）hHmgx 式中式中 x x弹簧的位移改变量；弹簧的位移改变量； h h浮筒浸入深度浮筒浸入深度(m)(m)； H H液位高度。液

21、位高度。 （6.3.2）xhH 24)(0 xxCgAhmg 根据力平衡可得：根据力平衡可得： （6.3.3）式中式中 液体密度液体密度(kg(kgm m3 3) )； A A浮筒截面积浮筒截面积(m(m2 2) )。xCgAh 将将 代入上式整理后得：代入上式整理后得： 0Cxmg （6-9） 一般情况下，一般情况下，h h xx, ,则：则： hH 可知：可知： xgACH 液位高度变化与弹簧变形液位高度变化与弹簧变形量成正比量成正比。弹簧变形量可用多。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，种方法测量，既可就地指示，也可用变换器也可用变换器( (如差动变压器如差动变压器) )变换成电信

22、号进行远传控制。变换成电信号进行远传控制。mgx （6.3.4）256.4 6.4 电气式物位检测电气式物位检测 利用敏感元件直接将利用敏感元件直接将物位信号物位信号转换为转换为电量参数电量参数的变的变化。化。 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式电容式。261. 1. 电容式液位计电容式液位计 电容式液位计利用电容式液位计利用液位高低液位高低变化变化影响影响电容器电容量大小电容器电容量大小的原理进行测量。的原理进行测量。 电容式液位计的结电容式液位计的结构形式很多，有构形式很多，有平平极板式、同心圆柱极板式、同心圆柱式式等等。等等。2

23、7(1)(1)检测原理检测原理 在液位的连续测量中，多用在液位的连续测量中，多用同心圆柱式同心圆柱式电容器，如右图。电容器，如右图。 同心圆柱式电容器的电容量：同心圆柱式电容器的电容量：rRLCln210 式中：式中： R R、r r外电极内径和内电极外径；外电极内径和内电极外径； 极板间介质介电常数；极板间介质介电常数； L L极板相互重叠的长度。极板相互重叠的长度。 1-内电极；内电极；2-外电极外电极1 H2 图6.4.1电容式物位计原理 液位变化引起等效介电常数变化，使电容器的电容液位变化引起等效介电常数变化，使电容器的电容量变化，进而反映液位的变化。量变化，进而反映液位的变化。HrR

24、Cln)(212 分析可知：分析可知：（6.4.4）（6.4.1）1228(2)(2)安装形式安装形式 在具体测量时。电容式在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被测介液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。质性质不同而稍有差别。 右图为测量导电介质的右图为测量导电介质的单电极电容液位计单电极电容液位计，它只用，它只用一根电极作为电容器的内电一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外体和容器壁构成电容器的外电极。电极。 内电极绝缘套外电极d

25、Sc 图6.4.2导电液体液位测量示意图29右图为用于测量右图为用于测量非非导电介质导电介质的同轴双层电的同轴双层电极电容式液位计。内电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。孔使液体流入极板间。 1、2-内、外电极； 3-绝缘套；4-流通孔1 2 图6.4.1 电容式物位计原理30电容式液位计电容式液位计31用于连续测量的电阻式液位计用于连续测量的电阻式液位计原理图原理图1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥 电阻式液位计既可电阻式液位计既可进行定点液位控制，也进行定点液位控

26、制，也可进行连续测量。所谓可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻引发报警器报警。电阻式液位计的原理是式液位计的原理是基于基于液位变化引起电极间电液位变化引起电极间电阻变化阻变化，由电阻变化反，由电阻变化反映液位情况映液位情况 2. 2. 电阻式液位计电阻式液位计323.3.电感式液位计电感式液位计 电感式液位计电感式液位计利用电磁感应现象，利用电磁感应现象，液位变化引起线圈液位变化引起线圈电感变化电感变化，感应电，感应电流也发生变化。电流也发生变化。电感式液位计既可进感式液

27、位计既可进行连续测量，也可行连续测量，也可进行液位定点控制。进行液位定点控制。 1、3-上下限线圈； 2-浮子33 电感式液位控制器的传感器由不导磁管子、电感式液位控制器的传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作

28、，可实现上、下液位的报警与控制。电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。34光电液位传感器光电液位传感器35超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反反射射回来，另一部分则回来，另一部分则折射折射入相邻介质中。但当它由气入相邻介质中。但当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射全部发生反射。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器

29、和接收器，因此，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，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，便可测出液位高测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。低。一、超声波检测物位原理一、超声波检测物位原理6.5 6.5 声学式物位检测声学式物位检测36 根据根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量。的原理，实现液位测量。V-V-超声波在液体中的传播速度；超声波在液体中的传播速度；H -H -探头

30、至界面距离（被测介质物位高度）；探头至界面距离（被测介质物位高度）；T -T -超声波从探头发射至液面反射回来时间。超声波从探头发射至液面反射回来时间。 置于容器底部的超声波探头向液面置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间与气体的分界面发射超声波，经过时间 t 后，便可接收到从界面反射回来的回后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。波信号。 二、超声波检测的接收和发射二、超声波检测的接收和发射vtH21（6.5.1）37(a)气介式气介式 (b) 液介式液介式 (c)固介式固介式单探头超声波液位计单探头超声波液位计 超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。超声波

31、的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。将声波（机械能）转换成电能。或反之。将声波（机械能）转换成电能。或反之。三、实现方法三、实现方法u按探头的工作方式可分为按探头的工作方式可分为: :自发自收的单探头方式自发自收的单探头方式收发分开的双探头方式收发分开的双探头方式u按传声介质不同可分为三种按传声介质不同可分为三种: :气介式气介式液介式液介式固介式固介式38超声波液位测量有许多优点：超声波液位测量有许多优点：(1)(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，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；振幅小，仪器寿命长；(2)(2)超声波传播速度比较稳定，

32、光线、介质粘度、湿度、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此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；量；(3)(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥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；测或遥控信号；(4)(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于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。汽车、飞机、轮船中的液位。 超声波液位计超声波液位计396.6 6.6 射线式

33、物位检测射线式物位检测 放射性同位素在核衰变过程中总是放射出具有放射性同位素在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子，即一定动能的带电或不带电的粒子，即、和和射射线，这种性质称为放射性。线，这种性质称为放射性。放射性的来源放射性的来源 (1)(1)天然放射性来源天然放射性来源: : 宇宙射线、天然放射性同位素宇宙射线、天然放射性同位素 (2)(2)人为放射性核素的来源人为放射性核素的来源放射性核素对人体的危害极大！放射性核素对人体的危害极大！ 40不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体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。当射线最强，液体次

34、之，气体最差。当射线射入厚度为射入厚度为H H 的介的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I I与入射强度与入射强度I I0 0之间有如下关系：之间有如下关系：HeII0IIHlnln10一、检测原理一、检测原理 因此因此测液位测液位可通过测量射线在可通过测量射线在穿过液体时强度穿过液体时强度的的变化变化量量来实现。来实现。 式中式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：吸收系数，条件固定时为常数。变形为：二、检测系统组成二、检测系统组成(6.6.1)41核幅射式液位计由核幅射式液位计由辐射源辐射源、接收器和测量仪表组成。、接收器和

35、测量仪表组成。辐射源一般用钴辐射源一般用钴6060或铯，放在专门的铅室中，安装在被或铯，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。一个小孔或窄缝透出。图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。图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。其中其中 (a)(a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好； (b) (b) 为点为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。 a) b) a) b) 核辐射式液位

36、计核辐射式液位计1-1-放射源；放射源； 2-2-接收器接收器42 接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，一侧， 射线由盖革计数管吸收，每接收到一个射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经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。放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。 辐射源辐射源检测仪表检测仪表接收器接收器被测液位被测液位测量值

37、测量值 其他还有其他还有光学法、电磁法、微波法、相界面光学法、电磁法、微波法、相界面的检的检测法等。测法等。43第第6 6章章 物位测量物位测量6.1 6.1 物位检测的主要方法和分类物位检测的主要方法和分类6.2 6.2 静压式物位检测静压式物位检测6.3 6.3 浮力式物位检测浮力式物位检测6.5 6.5 声学式物位检测声学式物位检测6.6 6.6 射线式物位检测射线式物位检测6.4 6.4 电气式物位检测电气式物位检测u 熟悉理解静压式、电容式、超声波式物位检测熟悉理解静压式、电容式、超声波式物位检测的检测原理。的检测原理。u 熟练掌握静压式物位检测的计算方法及量程迁熟练掌握静压式物位检

38、测的计算方法及量程迁移的方式、迁移量的计算。移的方式、迁移量的计算。44第第7 7章章 流速及流量测量流速及流量测量7.1 7.1 流速测量流速测量常用流速的测量方法（原理）常用流速的测量方法（原理） 机械方法机械方法 散热率法散热率法 动力测压法动力测压法 激光测速法激光测速法7.1.1、机械方法测量流速、机械方法测量流速 根据置于流体中的叶轮的根据置于流体中的叶轮的旋转角速度旋转角速度与流体的与流体的流流速成正比速成正比的原理来进行流速测量的。的原理来进行流速测量的。原理！45机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例：机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例： 翼型和杯型翼型和杯型图图7.7.14

39、6 机械式风速仪可用来测定仪表所在位置的气流速度，机械式风速仪可用来测定仪表所在位置的气流速度，也可用于大型管道中气流的速度场，尤其适用于也可用于大型管道中气流的速度场，尤其适用于相相对湿度对湿度较大的气流速度的测定。较大的气流速度的测定。 可用来测定可用来测定0.250.2530m30m范围内的气流的速度。范围内的气流的速度。见图7.1.1477.1.2、散热率法测量流速、散热率法测量流速 散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率散热率与与流体流流体流速速成比例的

40、特点，通过测定传感器的散热率来获得流体成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。的流速。 热线风速仪热线风速仪利用被加热的金属丝的热量损失来测量利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。气体流速的。48 热线长度一般为热线长度一般为2mm，直径，直径5m ，最小的探头直径仅，最小的探头直径仅1m，长为，长为0.2 mm。 材料为铂、钨或铂铑合金等熔点高、延展性好的金属。材料为铂、钨或铂铑合金等熔点高、延展性好的金属。 根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、形、X形等。形等。4950n工作原理：当热线探头置于流场中时

41、，流体对热线有冷工作原理：当热线探头置于流场中时，流体对热线有冷却作用。当热线向流体却作用。当热线向流体散热达到平衡散热达到平衡时，单位时间热线时，单位时间热线的发热量的发热量Q QR R与热线对流体的放热量与热线对流体的放热量Q Q平衡平衡，即即RQQ fT-热线对流换热系数；热线对流换热系数；wIwRwT F-流过热线的电流；流过热线的电流；-热线的电阻；热线的电阻；-热线换热面积；热线换热面积；-分别为热线和流体的温度。分别为热线和流体的温度。)(fwTTFQ （7.1.2）（7.1.1）wwRRIQ2 （7.1.3）51)(2fwnfwwRRubaRRI 式中式中a a、b b皆为常数

42、。皆为常数。 由传热学和流体力学知识推导得出热线基本方程：由传热学和流体力学知识推导得出热线基本方程： 只要固定只要固定电流或热线电阻电流或热线电阻两个参数中的任何一个，两个参数中的任何一个，就可以获得流体速度与另一个参数的单值函数关系。按就可以获得流体速度与另一个参数的单值函数关系。按照上式所示的热线工作方式可以有两种型式的热线风速照上式所示的热线工作方式可以有两种型式的热线风速仪，即仪，即恒流型恒流型和和恒温型恒温型两种。两种。-热线在温度为热线在温度为T Tf f时的温度，（气流温度）。时的温度，（气流温度）。fR流体速度是流过热线的流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线电流和热线电阻

43、（热线温度）的函数温度）的函数（7.1.4）52 如果在热线工作过程中，人为地用一如果在热线工作过程中，人为地用一恒值恒值电流对热线加热电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，由于流体对热线对流冷却，且且冷却能力随着流速的增大而加强冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。的速度。1. 恒流型热线风速仪恒流型热线风速仪 热线电阻随温度变化。热线电阻随温度变化。（7.1.7）fwnnfwRIubaubaRR2)()( 53电路简单电路简单wI电流一定，风速越大，温度越低。电流一定，风速越大，温度越低。

44、风场fwnnfwRIubaubaRR2)()( 变温变阻状态变温变阻状态下工作，敏感下工作，敏感原件易老化，原件易老化，稳定性差。稳定性差。542. 恒温型热线风速仪恒温型热线风速仪 如果在热线工作过程中，始终如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不保持热线的温度不变变，则可通过，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的测得流经热线的电流值来确定流体的速度速度。 恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温度和电阻保持恒定。度和电阻保持恒定。 当风速增加当风速增加热线变冷热线变冷（探头温度降低）（探头温度降低） 热敏热敏电阻电阻R R增大增大电流降

45、低电流降低 提高桥路电压提高桥路电压电流电流增大增大 热敏热敏电阻电阻R R降低降低温度基本恒定温度基本恒定测量出测量出电压电压的变化即可反映风速的变化。的变化即可反映风速的变化。552() () nwwfwfwfwfIab uRRaaR RRRbbR R（7.1.8）（7.1.9）nBuAE 2图7.1.3在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。根据桥路电压即可测出相应风速。顿电桥的桥顶电压。根据桥路电压即可测出相应风速。567.1.3、动力测压法测量流速、动力测压法测量流速 在静止气体中，由于不存在切向力，故

46、这个力与所在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力与所取面积的方向无关，称为取面积的方向无关，称为静压力静压力。 对于运动流体而言，静压可用对于运动流体而言，静压可用垂直垂直于于流体运动方向流体运动方向单位面积上的作用力来衡量。单位面积上的作用力来衡量。 总压力是指流体在总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零某点速度等熵滞止到零时所达到时所达到的压力。的压力。 总压与静压之差称为总压与静压之差称为动压动压。u几个概念几个概念57 临界点临界点(滞止压力点滞止压力点) 滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速到零时所产生的压力，此时，流体

47、的全部动能全部绝热地到零时所产生的压力，此时，流体的全部动能全部绝热地转变成压力能。转变成压力能。 应用动力测压法应用动力测压法测量流速的压力测量流速的压力感受元件为感受元件为测压测压管。管。58 测压管的基本测量原理是依据测压管的基本测量原理是依据伯努利伯努利方程式方程式。 测压管的测压管的使用上限使用上限不超过相当于马赫数为不超过相当于马赫数为0.25时的时的流速。流速。 测压管的测压管的使用下限使用下限为被测量的流速在全压孔直径上为被测量的流速在全压孔直径上的雷诺数需超过的雷诺数需超过200。0 dpudu 根据一元稳定流动的微分方程式，可得：根据一元稳定流动的微分方程式，可得：（7.1

48、.10）Pu -流体的总压和静压；流体的总压和静压；- - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。592211222002222()upupCuppCuppPP 、0u -流体的总压和静压；流体的总压和静压；- - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。只要测得流体的总压和静只要测得流体的总压和静压之差及流体密度，就可压之差及流体密度，就可得出流体流动速度得出流体流动速度（7.1.11）（7.1.12）当气流速度较小时，考虑为不可压缩流体，将上式积分当气流速度较小时，考虑为不可压缩流体，将上式积分可得，即：可得，即：压力与流速60对于可压缩气体有：对于可压缩气体有：2024

49、01(1)2242421ppuMkMppu（7.1.137.1.13） Mk-气体压缩性修正系数；气体压缩性修正系数；- - 马赫数；马赫数；-气体的绝热指数气体的绝热指数。61测压差的方法测压差的方法（1）利用）利用总压管总压管、静压管静压管，分别测量流体的分别测量流体的总压和静压总压和静压，以确定以确定流体速度流体速度。（2）利用专门设计的）利用专门设计的复合测复合测压管压管，同时测量流体的，同时测量流体的总压总压和静压和静压（或两者之差），以（或两者之差），以确定流体速度。确定流体速度。由由测压管、连接管和显示或测压管、连接管和显示或记录仪表记录仪表三部分组成的测压三部分组成的测压系统，

50、就可以测量流体的流系统，就可以测量流体的流速。速。621. 流体总压、静压的测量流体总压、静压的测量(1) 流体总压测量与测压管流体总压测量与测压管测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线应对准来流方向。应对准来流方向。希望总压管对流动方向越不敏感越好。希望总压管对流动方向越不敏感越好。63L形总压管形总压管 制造容易，使制造容易，使用安装方便。用安装方便。 它对流动偏斜它对流动偏斜角的灵敏性取角的灵敏性取决于压力孔直决于压力孔直径与管子外径径与管子外径之比以及总压之比以及总压管头部的形状。管头部的形状。图图7.1.464圆柱形总压管圆柱形总压管 可

51、以制作得很小，惯可以制作得很小，惯性不大，工艺性好，性不大，工艺性好，制造容易，使用方便。制造容易，使用方便。图图7.1.5 圆柱形总压管圆柱形总压管65套管式总压管套管式总压管 在马赫数变化较大范在马赫数变化较大范围内，它对流动偏斜围内，它对流动偏斜角的不灵敏度达到角的不灵敏度达到(4050)套管式总压管套管式总压管66（2）流体的静压测量与测压管）流体的静压测量与测压管u测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体的压力。的压力。这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔静压孔的的方法进行测量。方法进行测量。u

52、确定流场中某点的压力，也就是确定流场中某点的压力，也就是运动流体的压力运动流体的压力。这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中，进行流体压力测量。中，进行流体压力测量。L L形静压管、盘形静压管、套管形静压管形静压管、盘形静压管、套管形静压管需要测量平直流道内的需要测量平直流道内的流体静压流体静压时可采用在流道壁面开时可采用在流道壁面开静压孔的方法来测量。静压孔的方法来测量。67图图7.1.6 壁面静压测量壁面静压测量682. 毕托管毕托管分别分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利

53、用公式计算得到流体速度利用公式计算得到流体速度。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为毕托毕托管管（动压管、速度探针）。（动压管、速度探针）。l特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。可靠，精度高。l毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率寸决定了它的空间分辨率l根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，根据所测量

54、的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有常用的有L形和形和T形。形。69（1）L形毕托管形毕托管)(20PPu 流体速度流体速度u - - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。式中式中0P， -流体的总压和静压；流体的总压和静压；P图图7.1.770（2）T形毕托管形毕托管)(20PPu 总压静压来流方向敏感壁面、含尘、粘度大71测量流体测量流体总压总压测量流动测量流动方向方向 能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测压管。压管。 在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静在平面流场的测量中

55、，常用二元复合测压管测量流体的总压、静压及流速的大小和方向。压及流速的大小和方向。 圆柱形、管束形和楔形。圆柱形、管束形和楔形。3. 流动方向的测量与复合测压管流动方向的测量与复合测压管图图7.1.9 圆柱形复合测压管圆柱形复合测压管72 当光源和反射体或散射体之间存在相对当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称频率存在差别的现象称光学多普勒效应光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于是奥地利学者多普勒于18421842年发现。年发现。 当单色光束入射到当单色光束入射到运动体运动体上某点时，光上某点时，光波在该点被运

56、动体散射，散射光频率与波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称动速度的频率偏移，称多普勒频移多普勒频移。 激光测速的激光测速的原理原理：是测量通过激光束的：是测量通过激光束的示踪粒子示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流体流动的速度。了粒子的速度，也就是流体流动的速度。7.1.47.1.4、激光多普勒测速技术、激光多普勒测速技术非接触测量技术非接触测量技术 P155P15516.8W/套73(7.1.1

57、5)(7.1.15) 激光多普勒测速光学布置有参考光模式、单光束模式和激光多普勒测速光学布置有参考光模式、单光束模式和双光束模式三种双光束模式三种。)(200eeufsDDf0ese0 -粒子散射光在光速方向的向量；-多普勒频移；-粒子散射光相对于接收器方向的向量；-光源在真空中的波长。 测速原理是利用随流体运动的微粒散射光的多普勒效应测速原理是利用随流体运动的微粒散射光的多普勒效应来获得速度的信息。分析可知多普勒频移关系式为：来获得速度的信息。分析可知多普勒频移关系式为： 粒子在空气中运动时，当光源、运动粒子和光接收器三粒子在空气中运动时，当光源、运动粒子和光接收器三者之间的相对位置固定时，

58、就可以从检测到的频移确定粒子者之间的相对位置固定时，就可以从检测到的频移确定粒子的速度，也就是流体流动的速度。的速度，也就是流体流动的速度。74VPII光源光源;S;S光接收器光接收器;M;M反射镜反射镜;F;F分光镜分光镜;L;L透镜透镜;N;N光栏光栏图7.1.12 双光束双散射模式光路系统I IS SM MF FL LN N 来自光源来自光源I I的一束激光被分光镜的一束激光被分光镜F F和反射镜和反射镜M M分为两束相同分为两束相同的光束，经透镜的光束，经透镜L L聚焦于测量点聚焦于测量点P P。流经测量点的粒子接受两。流经测量点的粒子接受两个方向的相同的入射光照射后，向四周发出散射光

59、。散射光个方向的相同的入射光照射后，向四周发出散射光。散射光经接收光栏经接收光栏N N及接收透镜后，汇聚到光检测器上，光检测器及接收透镜后，汇聚到光检测器上，光检测器将接收到的光信号（将接收到的光信号（多普勒频移多普勒频移）转换成电信号传输给信号）转换成电信号传输给信号处理系统。处理系统。（P156）75221光源光接收器透镜接收透镜平面镜分光镜 激光器激光器1 1发射出来的单色平行光经发射出来的单色平行光经聚焦透镜聚焦透镜2 2聚焦到聚焦到被测流被测流体区域内体区域内，运动粒子运动粒子使一部分激光散射，散射光与未散光之使一部分激光散射，散射光与未散光之间发生间发生频移频移。散射光与未散射光分别由两个。散射光与未散射光分别由两个接收透镜接收透镜3 3和和4 4接接收，再经收，再经平面镜平面镜5 5和分光镜和分光镜6 6重合后，在重合后，在光电倍增管光电倍增管7 7中叠加中叠加产生频差，光电倍增管将输出一