新型检测液位学习教案

1、会计学1新型新型(xnxng)检测液位检测液位第一页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.ghPCdDLhdDLC.;/静压式：根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力, 或测量两点间的压差进行液位测量. 浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移)电容式：利用圆筒电容原理 接触式物位测量HP两点的压力差为:gHPPPABB、AgHPPPPAB表差压式液位测量 gHPPP压力式液位测量第1页/共68页第二页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述ghDF4=2 当浮力 等于物体重力 时,物体处于

2、平衡状态.Fmg 利用平衡时物体位置(wi zhi)移动进行液位测量. 放在液体(yt)中的物体所受浮力Dh恒浮力式物位测量变浮力式物位测量 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.ghPCdDLhdDLC.;/静压式：根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力, 或测量两点间的压差进行液位测量. 浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移)电容式：利用圆筒电容原理 接触式物位测量第2页/共68页第三页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述变浮力(fl)式物位测量恒浮力式物位测量磁翻转式 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.ghPCdDLhdDLC

3、.;/静压式：根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力, 或测量两点间的压差进行液位测量. 浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移)电容式：利用圆筒电容原理 接触式物位测量第3页/共68页第四页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.ghPCdDLhdDLC.;/静压式：根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力, 或测量两点间的压差进行液位测量. 浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移)电容式：利用圆筒电容原理 接触式物位测量导电介质电容物位测量非导电介质电容物位测量第4页/共68页

4、第五页，共68页。 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.核辐射式物位测量：基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理.超声波式：基于声波的传播特性,回声测距法.vth21第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述 非接触式物位测量 射线强度为 ,穿过介质后的强度为I0IHeII0)ln(ln10IIH-介质对射线的吸收系数, -介质层的厚度,-自然对数的底.He第5页/共68页第六页，共68页。 液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.核辐射式物位测量：基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理.超声波式：基于声波的传播特性,回声测距法.vth21第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述

5、 非接触式物位测量定点(dn din)安装I0跟踪(gnzng)式安装伺服电机多点组合式安装第6页/共68页第七页，共68页。 接触式,使用受限制,机械传递部分寿命短. 以上(yshng)液位检测方法的不足 受被测介质(jizh)的影响,精度不稳定.第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述 不能同时满足多参数(液位、界面)、高精度及宽量程 的要求. 核辐射式物位测量,核辐射线对人体有害.剂量要严格 控制.要有必要的、有效的防护措施及防护规定. 放射源在半衰减期后,必须进行更换,否则不准确.第7页/共68页第八页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器1 概述 近年来,国外针对液位测

6、量中的特殊应用-宽量程、高精度、多参数(液位、界面、温度等)进行着不断地研究与开发,目前已开发出的几种新型液位测量仪表有：超声波液位仪、雷达液位仪、磁致伸缩液位仪、射频导纳液位仪等.在国外已广泛应用. 我国目前正在积极引进国外先进产品,进行应用研究与国产化开发. 超声波液位仪和雷达液位仪我国已有开发试用产品,磁致伸缩液位仪在储油罐油位、水位、温度(wnd)、储油量的测量及控制中,具有很好的应用前景,我国也在积极的研发中.第8页/共68页第九页，共68页。2 超声波物位测量 超声波物位测量必须(bx)有超声波的发射和接收装置. 超声波-频率(pnl)高于20KHz的声波. 高频(o pn)声波在

7、介质中传播,方向性好、扩散性小. 第六章 新型液位传感器第9页/共68页第十页，共68页。 当晶体两个面上施加交变电压时,晶体片将产生沿厚度方向伸长和压缩的交替变化(振荡),振动频率与所加交流电的频率相同.该振动在周围媒介中发射同频率的声波.1.超声波物位测量(cling)的基本原理晶体(jngt)的逆压电效应 -可使电能转换成声能的效应.ff交流输入逆压电效应 超声换能器: 所加交流电的频率为超声频率,晶体将向周围(zhuwi)发射超声波.晶体的这一物理现象-逆压电效应.2 超声波物位测量超声波的发射和接收装置,实现电能与超声能的转换.第六章 新型液位传感器第10页/共68页第十一页，共68

8、页。 当晶体两个面上施加一脉动的外力,使之变形,将有一定的电流产生.晶体的这一物理现象-压电效应.晶体(jngt)的压电效应 -可使声能转换成电能的效应. 超声换能器利用晶体的 逆压电效应:用于超声波的发射. 压电效应:用于超声波的接收.ff交流输出压电效应2 超声波物位测量1.超声波物位测量(cling)的基本原理第六章 新型(xnxng)液位传感器第11页/共68页第十二页，共68页。 声波在两种密度不同的介质中传播速度不同,声波传播碰到两种介质的相界面时,传播的方向将发生变化,一部分被反射、一部分折射入相邻介质中. 测量(cling)原理2122120)coscos()coscos(ZZ

9、ZZIIRR反射率:设:两种介质密度分别为 ，声波在其中传播 速度分别为 ,入射声强 ,反射声强 .RI0I21, 21,vv-入射角,反射角,-声阻抗111vZ222vZ2 超声波物位测量第六章 新型(xnxng)液位传感器1.超声波物位测量(cling)的基本原理第12页/共68页第十三页，共68页。1=0IIRR2122120)coscos()coscos(ZZZZIIRR2.测量方法2 超声波物位测量反射率: 采用(ciyng)垂直入射:当 相差悬殊时21,vtH21 测量方法-回声(hushng)测距法超声换能器可安装在容器的底部或顶部. 可用两个换能器分别担负超声波的发射和接收，

10、也可用一个换能器交替进行发射和接收.第六章 新型(xnxng)液位传感器第13页/共68页第十四页，共68页。3.应用(yngyng)问题垂直安装、要稳定 .v(2)存在(cnzi)问题:(3) 的修正方法v-校正(jiozhng)具修正法00021=tvLvtH21=0= vv00=ttLH 测量与声速无关, 为已知， 只需测得两个时间量求比值.0L 校正具:(1)应用要求:一套固定距离的超声波参比装置.直接影响测量.vPt,2 超声波物位测量vtH21第六章 新型液位传感器第14页/共68页第十五页，共68页。 计算机采集液位信号的同时采集温度、压力信号 通过模型进行修正. 测绘不同温度、

11、压力时仪表输入输出特性,建立 数学模型. 计算机软修正法 如果介质存在密度梯度， 速度梯度. 可采用活动校正(jiozhng)具，一端 装一浮球随液升降.2 超声波物位测量3.应用(yngyng)问题(3) 的修正方法v第六章 新型(xnxng)液位传感器第15页/共68页第十六页，共68页。2 超声波物位测量 实际(shj)应用-非接触式物位测量第六章 新型(xnxng)液位传感器空高： 物位仪LHvth21被测液位：v-超声波传播速度t时间hLH 要注意垂直安装及 的影响.v第16页/共68页第十七页，共68页。4.超声波物位测量(cling)特点2 超声波物位测量优 点 物位测量没有(m

12、i yu)可动部件,使用寿命长.(可测量(cling)高粘度、高腐蚀及有毒介质，液体、 粉末、块体等) 可做到非接触测量,应用范围广. 测量范围宽.缺 点 探头本身不能承受高温. 不能用于对声波吸收能力很强的介质. 电路部分较复杂、造价高. 要考虑声速对测量的影响.第六章 新型液位传感器第17页/共68页第十八页，共68页。 一种特殊形式的电磁波,其物理特性 与可见光相似.根据量子理论,雷达信号 可穿透空间,传播速度相当于光速.一、基本原理-基于(jy)雷达信号的传播特性. 雷达(lid)信号 二、方法(fngf)与结构方法:时域反射(回声测距)与超声波方法相同. 雷达信号(电磁波)的发射反射

13、接收.结构:按天线的不同分两种普通雷达液位仪导波雷达液位仪第六章 新型液位传感器3 雷达物位仪第18页/共68页第十九页，共68页。(1)普通(ptng)雷达液位仪-喇叭口天线(tinxin) 仪表电路部分,每隔278ns发射一束雷达脉冲信号,脉冲波速的频率为3.6MHz.每束脉冲频率f最低为5.8GHz. 发射间隔天线系统作为接收装置, 仪表在极短的一瞬间分析处理回波图.第六章 新型(xnxng)液位传感器3 雷达物位仪第19页/共68页第二十页，共68页。(1)导波雷达(lid)液位仪导波体-导波体(管)天线(tinxin) 采用导波体或导波管做天线,雷达信号集中沿导波体(管)传播,不受雾

14、气、液面泡沫等影响,因此,应用更广泛. 导波雷达液位仪由于信号集中沿导波体(管)传播,信号能量衰减小,约为普通雷达液位仪发射能量的10%,故可降低制造难度和造价. 第六章 新型(xnxng)液位传感器3 雷达物位仪第20页/共68页第二十一页，共68页。 目前(mqin)国外已做成智能型(德国产品,中国代理) 测量(cling)分辨率高,可达1mm .量程宽,可达35M .5 . 1的液体或固体介质均可测量.三、特点(tdin) 不受温度、压力影响. 温度影响几乎为0. (500时为0.018%,压力P=50bar时,0.8%)现场显示液位 几种输出形式420mA模拟输出,数字通讯(任意联网)

15、数字输出(一根双芯线可连接15个仪表,用手操器进行远距离调试、校准等)(辽河油田、胜利油田应用)第六章 新型液位传感器3 雷达物位仪第21页/共68页第二十二页，共68页。第六章 新型(xnxng)液位传感器 近年来,美国及一些欧洲国家研制出磁致伸缩液位仪, 能同时满足高精度、多参数及宽量程的要求.4 磁致伸缩液位测量 美国MTS公司的一产品 测量范围：0.127m18.28m,精度：0.508mm, 分辨率：0.025mm,温度范围：-301490C. 可同时测液位、界面.已智能化,内部具有温度补偿(bchng), 量程自校准等,无故障23年. 第22页/共68页第二十三页，共68页。第六章

16、 新型(xnxng)液位传感器4 磁致伸缩液位测量 主要基于磁致伸缩效应,结合浮力原理、电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用.一、磁致伸缩(shn su)效应 机理 在外磁场作用下,材料内部随机取向的磁畴 发生旋转至与外磁场方向一致, 使之在外形 几何尺寸出现沿磁场方向伸长或缩短的现象. 基本原理-铁磁材料(铁、镍等)在磁场(cchng)作用下发生形变的物理现象.第23页/共68页第二十四页，共68页。 主要基于磁致伸缩效应,结合浮力原理、电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用.第六章 新型(xnxng)液位传感器 1842年美国科学家(James Prescott Joule)发现了磁致伸

17、缩效应.由于材料的磁致伸缩效应非常细微,如镍铁合金只有30PPM,没有应用价值.随着新材料的开发,稀土技术的应用,使磁致伸缩效应提升至1500PPM. 1940年磁致伸缩效应首次应用于潜艇(qintng)声纳探测距离系统上.4 磁致伸缩液位测量 基本原理一、磁致伸缩(shn su)效应第24页/共68页第二十五页，共68页。 70年代磁致伸缩效应被迅速开发应用于位移、液位、速度等测量. 广泛应用于机械自动化、钢铁厂、生化、石化、木材加工等各个领域.一、磁致伸缩(shn su)效应 目前磁致伸缩液位传感器市场占有率逐年增加,以美国MTS系统公司和Veeder root公司代表的生产厂家达几十家,

18、在国外各控制领域应用超过10万台. 进入中国市场较晚,近年我国才由国内代理国外产品进入应用研究阶段.国内几家仪表厂初步开发出自已的试用产品.第六章 新型(xnxng)液位传感器4 磁致伸缩液位测量第25页/共68页第二十六页，共68页。二、结构(jigu)及工作原理 结构(jigu)磁环：随液面升降的磁性浮子(内存磁钢).产生轴向磁场.保护管：(外管)保护波导管不受化学及机械损坏.处理电路：智能信号处理(包括发射、接收、计数、控制等) 磁致伸缩材料制成的薄壁毛细管. 波导管 在波导管内具有一定张力的铜线,通电流后可在波导管径向感应出垂直于铜线的环形磁场. 铜线第六章 新型(xnxng)液位传感

19、器4 磁致伸缩液位测量第26页/共68页第二十七页，共68页。vthhLHv-应变(yngbin)波运行速度,约3000M/s 当两磁场相交时,产生一螺旋磁场使波导管应变(扭转变形), 并以超声波速度运行到电子部件的感应线圈. (应变波向两端运行,沿管传到底部侧,被底部的阻尼装置吸收,运行到上部在感应线圈中产生电势). 测量从发出脉冲到反回应变脉冲的时间,即可得到液位. 电路部分向波导管内的铜线发出一询问脉冲,此脉冲电流同时产生一垂直于铜线(沿波导管径向)的环形磁场；沿外管随液位升降的磁浮子产生一轴向磁场. 工作(gngzu)原理第六章 新型(xnxng)液位传感器4 磁致伸缩液位测量二、结构

20、及工作原理第27页/共68页第二十八页，共68页。 与浮子接触式不同,能量转换与信号处理非接触、无机械传动部件.1.非接触测量三、功能(gngnng)特点 测液位的浮子密度 应稍小于液体密度 .若两种液体 ,增加一磁浮子其密度为 ,只要满足 ,浮子浮在两液体界面处.11231322.很方便地实现液位、界面测量第六章 新型(xnxng)液位传感器4 磁致伸缩液位测量第28页/共68页第二十九页，共68页。总线传输(远距离手操器调试、设定等) 时间量测量,采用数字接口, 高频计数脉冲源实现高分辨力.3.高精度TtLh)(hLHLTth 底部放一磁浮子进行(jnxng)自校正: 总长为L,对应时间T

21、. 温度补偿,在波导管与外管之间 均匀放置5个温敏(wn mn)元件.4.智能化第六章 新型(xnxng)液位传感器4 磁致伸缩液位测量三、功能特点第29页/共68页第三十页，共68页。5 新型液位仪国产化开发情况 我国目前正在积极引进国外产品,进行应用研究与国产化开发阶段,磁致伸缩液位仪在储油罐油位、水位、温度、储油量的测量及控制中,具有很好的应用前景.科研简介：北京空军油料研究所与我校联合开发 -油料储运自动化系统要求：对国外磁致伸缩式、雷达式液位传感器产品进行 机理分析与研究,国产化开发研制. 第六章 新型(xnxng)液位传感器第30页/共68页第三十一页，共68页。第六章 5 新型(

22、xnxng)液位仪国产化开发情况2000级研究生赵芳、任波的研究课题 赵芳,姜波,陈祥光等.磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究. 仪表技术与传感器,2003(8). 任波,陈祥光,姜波等.磁致伸缩液位传感器机理研究. 传感器技术,2003(1).2001级研究生齐荣的研究课题 齐荣,姜波,陈祥光等.磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测. 传感器技术,2004(4).一、磁致伸缩液位仪研究与开发第31页/共68页第三十二页，共68页。一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究传感器的总体(zngt)结构及工作原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面第六章 5 新型(xnxng)

23、液位仪国产化开发情况 磁致伸缩液位传感器是由测量头(包括脉冲发生、回波接收、信号检测与处理电路)、波导管和磁浮子组成. 其中测量头装置在罐体之外,波导管外有不锈钢或铝合金的保护套管,插入液体中直达罐底,底部固定在罐底,磁浮子可以有两个,一个测量液位,一个测量界位.总体结构第32页/共68页第三十三页，共68页。一、磁致伸缩液位仪研究与开发 该传感器是综合利用浮力效应、磁致伸缩效应、电磁效应、磁机械(超声)效应等原理进行工作,通过检测从发生电脉冲至接收到磁浮子的返回脉冲之间的时间间隔来计算液面和界面的位置. 由于时间量检测可以达到很高的精度,而且还可采用温度补偿等措施,所以磁致伸缩传感器能够达到

24、很高的精度.第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况1 传感器机理(j l)研究传感器的总体结构及工作(gngzu)原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面第33页/共68页第三十四页，共68页。传感器的工作原理 移动的磁浮子在波导管中产生一轴向磁场,脉冲发生电路产生电脉冲,沿着铜丝传播,在铜丝周围产生一环形磁场随着电脉冲一道以光速传播,当遇到磁浮子的轴向磁场时合成一个瞬间的倾斜磁场,根据威德曼(Wiedemann)效应,将在波导管中产生一个扭转弹性波,弹性波以恒定的超声速向波导管两端传播,在测量头一端被回波接收器接收转换为电脉冲,通过检测两个电脉冲的时间差,即可计算出液位. 脉冲发生弹性回

25、波接收器信号处理电路石英晶振显示 波导管 磁浮子第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究传感器的总体结构(jigu)及工作原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面第34页/共68页第三十五页，共68页。传感器机理(j l)分析 磁致伸缩原理 铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下,在磁场中被磁化时,会沿磁化方向发生微量伸长和缩短,称之为磁致伸缩效应,又称焦耳(Joule)效应. 磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化,形成大量磁畴.在每个磁畴内,晶格发生形变.在未加外磁场时,磁畴的磁化方向是随机取向的,不显示宏观效应

26、；在外磁场中,大量磁畴的磁化方向转向外场,其宏观效应即是材料在磁力线方向的伸长或缩短.长度为 的磁性体外加磁场时,相对伸缩的值 ,即为磁致伸缩常数. 相反,由于形状变化,致使磁化强度发生变化的现象,称为磁致伸缩逆效应(Villary效应).LLL/第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究第35页/共68页第三十六页，共68页。对于Villary效应,磁化(chu)量的变化量可表示为:H对于Joule效应,磁场变化 ,磁致伸缩的变化有:002cossin23HKMuSSS-饱和磁致伸缩；-饱和磁化强度；-单轴磁各向异性常数；-磁场

27、与易磁化轴间的角度.SMuK0002cossin23uSSKMM-周向扭曲应力变化. 第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究第36页/共68页第三十七页，共68页。 磁致伸缩位移传感原理 磁致伸缩效应在位移检测中已得到广泛应用.其工作原理是,利用两个不同的磁场相交使波导管发生波导扭曲,产生一个超声波信号,然后计算这个信号被探测所需的时间,便能换算出动磁铁的准确位置.第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究第37页/共68页第三十八页，共68页。 在波导管的轴向方向配置非

28、接触移动的磁体, 给磁致伸缩波导管产生轴向磁场. 当在金属线上有一个轴向的电流脉冲时,在波导管上则产生周向磁场,周向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场,因周向磁场产生于瞬间,所以,倾斜磁场也瞬间产生. 波导管中的磁场瞬间变化时,根据威德曼效应,金属随其瞬间变形产生波导扭曲,同时产生一个应变脉冲的超声波信号,在波导管中以固定的速度向两端传播.第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究第38页/共68页第三十九页，共68页。应变脉冲(michng)的超声波信号在波导管的传播速度为:GV -波导管的剪切弹性模量-波导管密度G第六章 5 新型(xnx

29、ng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l)研究 、均是恒定(对于一定的波导管来说)的,所以传播速度也恒定，约为3km/s.当超声波沿波导管传到控制器一端时,超声波被固连在波导管上的回波接受装置接收转换为电脉冲,经放大送到主要由计数器所组成的测量电路中.因为超声波在波导管中是以恒速传播的,所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔,乘以这个固定速度,即可得到磁铁的位置,实现位置检测.这个过程是连续不断的,所以,每当磁铁移动时,新的位置就被感测出来. 磁铁位置=时差 传送速度零点位置 磁铁离传感器的电子检测装置越远,声波传播所需的时间就越长,所以传感器的更

30、新时间与距离成正比. 最长更新时间=(量程+零点位置)/传送速度 G第39页/共68页第四十页，共68页。 磁致伸缩液位测量原理 在位移传感器中,若将磁环装置在浮子中,而将波导管垂直安装在罐中,则磁环(磁浮子)随着液面(界面)的变化上下滑动,与位移传感原理相同,即可测得磁浮子的位置从而得出液面(界面)高度. 波导管是一根外径为0.55mm,壁厚0.05 mm的细长管子,管子里面装有一根绝缘铜丝,为了保护和屏蔽,在波导管外套一个屏蔽管,屏蔽管可以是不锈钢或铝合金等,波导管材料的成分主要是铁镍合金.第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 传感器机理(j l

31、)研究第40页/共68页第四十一页，共68页。第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 采用管状传递超声波机理分析 Wiedemann效应既可发生在波导线中,也可发生在波导管中,采用波导管和铜线的结构是因为波导管和铜线功能分离,互不干扰.波导管只需传递扭转波, 因此只需考虑其磁导率；铜导线用来传递电脉冲.若仅采用波导线, 除了要考虑它的磁导率外,还得考虑它的电导率,无疑给波导管材料的选择带来困难.1 传感器机理(j l)研究第41页/共68页第四十二页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 相同外径的波导管和

32、波导线在同样大小的扭转波作用下,波导管的材料变形量大,也就是说波导管的信号更容易被回波接收装置转变成电脉冲信号加以接收. 由于趋肤效应, 电流脉冲在固体铁磁波导线中传播时, 电脉冲沿波导线最外层传播,因而不能得到完全的磁感应.当铜导线在波导管内传递电脉冲时, 管中得到完全的磁感应,可得到更强感应的应力脉冲,该脉冲宽度较窄,可得到高频响应,使测量信号更好.1 传感器机理(j l)研究第42页/共68页第四十三页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 弹性回波的接收 波导管上焊接着绕有线圈的两条窄金属带,线圈处在由小磁铁产生的旁路磁场中,当弹性扭转回

33、波传到这里时,转变为对这两条金属带的推力和拉力,金属带和波导管是用相同的磁致伸缩材料制成的,由于Villary效应,两条金属带在拉力和推力的作用下,发生伸缩,而引起线圈内磁感应量的变化,在永久磁铁磁场作用下,线圈中感应出电脉冲.1 传感器机理(j l)研究第43页/共68页第四十四页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 采用差动方式,两条金属带完全相同,一伸一缩,从而线圈中的感应电势大小相同,方向相反, 将两个脉冲迭加,则一方面可以得到增大一倍的信号,同时可以消除共模干扰. 该机电转换是先将扭转波脉冲转换成两金属带的纵波脉冲,然后再根据纵向Vi

34、llary效应进行接收. 也可直接采用Villary效应,利用波导管内的铜线或在波导管上绕有线圈,将波导管扭转波直接转换成电脉冲.1 传感器机理(j l)研究第44页/共68页第四十五页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 时间量的测量 传感器通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔来确定液位的位置,所以时间量的测量直接决定着液位测量的精度. 时间量的测量有多种方法,脉冲记数法可达到很高的精度,还可以直接输出数字信号.tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲1 传感器机理(j l)研究第45页/共68页第四十六页，共6

35、8页。第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发如 V=3000m/s,计数(j sh)频率为150MHz,则分辨率为： 可见,只要(zhyo)计数脉冲源的频率足够高,磁致伸缩液位传感器的理论分辨率可以达到无穷小,传感器可以达到非常高的精度。m20MHz150m/s30001 传感器机理研究tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 发射的电流脉冲IT以光速传播,所以其传播时间可以忽略.脉冲电流发射时触发测量电路的计数器开始计数,回波接收装置转换的电脉冲UR ,经整形放大后对计数器复位,使其停止计数,则计数器的计数值正比于时间间隔td

36、 ,知道计数脉冲频率即可求出td . 在电流脉冲频率f适当的情况下,回波脉冲具有相同的频率,UR较IT延迟td .计数脉冲源的频率越高,时间td内所计脉冲数越多,一个计数脉冲表示的当量距离越小,即分辨率越高.第46页/共68页第四十七页，共68页。 温度补偿 磁致伸缩传感器是采用浮子作为液位感应元件,当介质密度变化时,将给测量精度带来影响.温度变化将引起介质的密度变化,使浮子浸在介质中的高度发生变化给测量带来误差.第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发)20(2044tddt 以油料为例,油料的相对密度为油料密度与4同体积蒸馏水密度之比,用 表示,油料相对密

37、度与温度的关系为:td41 传感器机理(j l)研究-油料相对密度的温度修正系数.204d-20油料的相对密度,称标准相对密度.第47页/共68页第四十八页，共68页。第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 在高精度磁致伸缩液位测量中,温度的影响是不可忽视的.目前美国磁致伸缩传感器产品,沿传感器波导管安装多个温敏元件,检测液体的温度变化,采用单片机系统自动进行温度补偿. 另外减小浮子的密度,使浮子浸入液体的高度减小,也可以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响.1 传感器机理(j l)研究)20(2044tddt 以油料为例,油料的相对密度为油料密度与4

38、同体积蒸馏水密度之比,用 表示,油料相对密度与温度的关系为:td4-油料相对密度的温度修正系数.204d-20油料的相对密度,称标准相对密度.第48页/共68页第四十九页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发抗干扰措施 在测量过程中,传感器内的发射电流脉冲和应变脉冲不可避免地会对测量信号产生一定的干扰.为了提高采样的可靠性,减小虚假信息的影响,采用数字滤波,具有硬件滤波器的功效,却不需要硬件投资. 数字滤波即进行连续多次测量,然后求其平均值作为有效采样值.采样次数越大,效果越好,但系统灵敏度下降. 也可采用滑动平均滤波算法,这种算法只采样一次,将

39、这一次采样值和过去若干次采样值一起求平均,得到有效的采样值.如果取n个采样值求平均,RAM中必须开辟n个数据暂存区.每新采集一个数据便存入暂存区,同时去掉一个最老的数据, 保持这n个数据始终是最近的数据,然后将这n个采样值求平均即可得到有效采样值.1 传感器机理(j l)研究第49页/共68页第五十页，共68页。第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 分析研究可知, 磁致伸缩液位仪能够实现高精度测量,主要是综合了磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应、电子技术等构成的先进的测量技术,同时考虑了高分辩率的时间量检测、液体密度变化以及应变波速变化对测量的影响.1 传感

40、器机理(j l)研究任波,陈祥光,姜波等.磁致伸缩(shn su)液位传感器机理研究.传感器技术,2003(1). 第50页/共68页第五十一页，共68页。高分辩力的时间量检测(接口) 被测液位L是通过仪表对时间量t的测量来确定的. 假定应变波的运行速度V恒定,L=tV.液位测量的高精度主要取决于对时间量的精确计量.为此,数字接口应是最佳选择,由高时钟频率得到时间计量的高分辨力从而实现液位测量的高精度. 第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发2 高精度液位测量(cling)的研究 tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 接口部

41、件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V的乘积：测量误差=时间分辨力 V,则要求：时间分辨力 仪表允许误差/V.假如数字接口误差限定在0.1mm,波导管应变波运行速度为3000m/s,则要求时间分辨力0.03s,时钟频率=1/时间分辨力,对于0.1mm的误差,要有33MHz的时钟频率来保证.第51页/共68页第五十二页，共68页。 从而看出,要保证液位测量的高精度,首先要考虑选择时间接口的高时钟频率来得到时间量检测的高分辨力. 要进一步提高分辨力,则要求更高的时钟频率,同时计数器的电路功能也需要同步提升.第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发高分辩力的

42、时间量检测(jin c)(接口) MTS公司新产品中的电子板,采用了该公司的专利ASIS电路,该电路工作时犹如内置360MHz的时钟,可以达到0.003s的时间分辨力.2 高精度液位测量(cling)的研究 tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V的乘积：测量误差=时间分辨力 V,则要求：时间分辨力 仪表允许误差/V.假如数字接口误差限定在0.1mm,波导管应变波运行速度为3000m/s,则要求时间分辨力0.03s,时钟频率=1/时间分辨力,对于0.1mm的误差,要有33MHz的时钟频率来保证.第52页/共68页第五十

43、三页，共68页。第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 实现高精度测量,除了从理论上要对时间量t进行高分辨力检测之外,介质密度随温度变化也是影响仪表精度的一个很重要的因素.介质密度随温度变化导致磁浮子浸入液体的深度发生变化将直接影响测量精度.特别是对于露天储油罐的液位测量,冬天、夏天温度变化几十度,对测量带来的影响不可忽视,必修采取措施. 对介质密度的变化(binhu)进行温度补偿对于典型的柱状浮子(f zi),利用阿基米德浮力定律可得浮子(f zi)浸入介质深度h与相对密度、温度的关系：)20(2044tddt油料相对密度与温度的关系为:-油料相对密度

44、的温度修正系数.20420)/dh(th负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小. 2 高精度液位测量的研究 第53页/共68页第五十四页，共68页。 可以看出,减小介质密度随温度变化(binhu)对测量的影响可从两方面考虑.一方面,从浮子材质及结构尺寸考虑,尽量减小浮子密度,使浮子浸入介质的深度h小.若不是柱状浮子(球状),减小其外径R,也可减小密度变化(binhu)对测量的影响.另一方面,应考虑对温度影响进行补偿. 目前美国产品是沿波导管均匀放置几个温度传感器RTD,检测介质的平均温度,由信号转换部分进行修正.第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发)2

45、0(2044tddt20420)/dh(th2 高精度液位测量(cling)的研究 对介质密度的变化进行温度补偿油料相对密度与温度的关系为:-油料相对密度的温度修正系数.对于典型的柱状浮子,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度h与相对密度、温度的关系：负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小. 第54页/共68页第五十五页，共68页。第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发 对应变波速的变化进行校正 机械波在波导管上的传播速度受温度影响是很微小的,有资料介绍,在常温-10+45时,弹性波在固体中的传播速度基本为一定值.但是对于高精度液位测量来说,其影

46、响也应该引起重视. 高精度测量,可在波导管底部安装固定磁铁,使波导管在此处也发生磁致伸缩.此处离电子部件的距离L底是固定的,可以作为校正依据. L/ L底=T/T底 L= L底T/ T底 可看出安装固定校正磁铁消除了温度对应变波传播速度的影响.但是对于较高的油罐,内有水、油、气使之具有温度梯度的情况,这只是一种平均温度的校正,不能得到完全校正.赵芳,姜波,陈祥光等.磁致伸缩效应(xioyng)在高精度液位测量中的应用研究. 仪表技术与传感器,2003(8).2 高精度液位测量(cling)的研究 第55页/共68页第五十六页，共68页。一定 时间间隔内,计数N多少,取决于 计数脉冲源频率f.D

47、t 可通过(tnggu)提高计数脉冲源的频率f 实现高分辨率.fNttD/1/对应(duyng)的距离分辨率:fvtvh 时间量检测是实现传感器高准确度的关键.时间量检测方法很多,脉冲计数法可获得较高准确度. 在发射电流脉冲的同时触发计数器开始计数,接受到回波脉冲时,对计数器复位,使其停止计数.时间(shjin)分辨率:第六章 5 新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 高分辨力时间量检测 第56页/共68页第五十七页，共68页。smv/3000fvtvh 在CPLD内部开发出3个计数器、译码电路和计数启闭门的时间量检测电路.具有一个起始端口START,停止计数端口STOP,清

48、零CLR和时钟CLK,数据选择端口A、B、C、D,及数据输出端A70. 由关系式可得时间分辨力及对应的距离.根据分给时间量检测电路给液位带来的误差0.1mm, 计算计数脉冲源的频率f要在30MHz以上,计数器的位数至少要18位.如要同时测量油位、水位及自校准,则需要3个18位计数器来满足3个时间量检测. 采用CPLD进行(jnxng)时间量检测第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 高分辨力时间(shjin)量检测 第57页/共68页第五十八页，共68页。 译码电路在单片机的控制下通过A、B、C、D端口选择对计数器的数据进行读入, 使每个计数器的数据分低8

49、位、中8位、高2位依次被计算机读入. 第六章 5 新型(xnxng)液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 高分辨力时间(shjin)量检测 第58页/共68页第五十九页，共68页。 单片机发出询问脉冲的同时,通过其P1口使START端口出现高电平, 通过计数门使3个计数器开始计数,反回脉冲使STOP端口依次出现3个由低到高的电平跳变,分别使3个计数器停止计数,并触发单片机中断.通过单片机换算出对应的油位、水位信号输出. 第六章 5 新型液位仪国产化开发(kif)情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发齐荣,姜波,陈祥光等.磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测. 传感器技术,2004(4

50、).3 高分辨力时间(shjin)量检测 第59页/共68页第六十页，共68页。 国内有关仪表厂家及研究部门都在积极投入人力、资金进行 国产化开发,北京空军油料所与我们联合开发. 技术难点：高分辨力时间量检测.(02级研究生阴丽娟的课题) 理论上可通过提高计数脉冲 源的频率(pnl)f实现高分辨率.fNttD/1/对应(duyng)的距离分辨率:fvtvh一定 时间间隔内,计数N多少, 取决于计数脉冲源频率f.Dt时间(shjin)分辨率: 雷达信号光速v,用 代入,则f=100GHz, 如此高的振荡频率很难实现,此方法不可行.mmh5 . 1第六章 5 新型液位仪国产化开发情况二、雷达物位仪研究与开发第60页/共68页第六十一页，共68页。 对周期为T的重复信号,采用采样脉冲周期为: 结果与周期为 的采样等效,相当于将原信号在时间轴上放大 倍.这样降低了器件实现的难度.tTtttT/ )(姜波,阴丽娟,陈祥光等.等效时间采样在雷达液位仪中的应用 仪表技术与传感器,20