物位传感器剖析

《物位传感器剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物位传感器剖析（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第10章 物位传感器,2,基本要求,掌握物位的基本概念及物位检测的原理 掌握物位检测的方法 静压式物位计 浮力式物位计 ：恒浮力法和变浮力法 电气式物位计 声学式物位计 射线式物位计 光学式、微波式、 激光式、差压式液位变送器、称重式液罐计量仪 掌握液位、料位、分界面检测的不同方法,3,物位 在容器中液体介质的高低叫液位 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位 两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）叫界面 物位计 测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量分界面的高低（界位）的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位计。 物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。 物位检测的意义

2、： 确定容器内储存量。 通过测量达到控制物位。,4,物位开关：在物位检测中，有时不需要对物位进行连续测量，只需要测量物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，这种定点测量用的仪表被称为物位开关。 一般用来监视、报警、输出控制信号。,5,10.1 概述,物位传感器分类： 一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器； 另一类是以点测量为目的的开关式物位传感器，即物位开关。 开关式物位传感器比连续式物位传感器应用得广。它主要用于过程自动控制的门限、溢流和防止空转等。 连续式物位传感器主要用于连续控制和仓库管理等方面，有时也可用于多点报警系统中。,6,常用的物位检测方法 ： 物位检测总体上可分直接检测和间

3、接检测两种方法 直接测量法,直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。,7,间接检测 由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如： 静压式物位计（压力法） 浮力式物位计（恒浮力法和变浮力法） 电气式物位计 （电学法） 声学式物位计 （声学法） 光学式物位计 （光学法） 射线式物位计（核辐射法） 另外还有：微波式、 激光式、 光纤维式等等。,8,10.2浮力式液位传感器 原理：基于浮力原理，适用于液 位的检测。 浮力式物位检测有两种方法： 恒

4、浮力式 变浮力式,磁浮子液位计,9,钢带浮子式液位计恒浮力式,右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。,G,W,吃水线在浮子中央时，,10,浮筒式液位计变浮力式,结构：如图 原理：当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。,11,当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移动，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即,当h0时，浮筒的重量与弹簧的作用力相平衡。,液位高度变化与浮筒位移成正比。,12,主要特点 浮力式液位传感器结构简单，使用方便。 该传感器结构合理，抗干扰能力强，

5、分辨率高，量程大，寿命长，有掉电后信号跟踪记忆功能。 它能够长期用于液位测量并能保证性能的稳定可靠，是江河湖泊、水库、船闸、水电站、水文站、水厂以及石油化工等行业理想的液位传感器。,13,10.3 静压式液位计 （静压式物位传感器） 1.检测原理 容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关： 为介质密度，H为液柱高度,A,B,14,若液体上方的自由空间为大气压力p0,则根据静力学原理，有 因此要知道液位，需要测出压力容器下部某些与上部自由空间之间的压力差(或压力)。为此要用差压(或压力)传感器。,A,B,15,静压式液位计,静 压 式 液 位 变 送 器,16,2.压力式物位传感器,测量开口容器

6、液位高度的三种压力式液位计。,压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计 （单法兰式液位变送器）,17,3.差压式物位传感器,(d)差压液位变送器原理图（双法兰式液位变送器）,对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图示出差压式液位计测量原理。,18,法兰式差压变送器测量液位示意图,1法兰式测量头；2毛细管；3变送器,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。,19,4.

7、量程迁移和零点迁移,零点迁移,量程迁移,20,4.量程迁移与零点迁移 (1)无迁移:取压点与液位零面在同一水平面,差压传感器测量液位原理图,设被测介质的密度为，容器顶部气相压力为pA，pB是液位零面的压力， p1 、p2是取压口的压力，根据静力学原理可得,因此，差压变送器正负压室的压力差为,液位测量问题就转化为差压测量问题了。,21,差压传感器测量液位原理图,但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高度时，会产生附加的静压误差。这就需要调整变送器的零点，使其在只受到附加静压时输出为零，该方法称为“量程迁移”，实质上是“零点迁移”。,4.量程迁移与零点迁移 (1)无迁移:取压点与液位零面在

8、同一水平面,22,液位测量的负迁移,差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，如果隔离液的密度为1 (1 )，则,(2)负迁移:介质有腐蚀性时,因为：,所以：,23,当h=0时，P=（h0- h1）1g0，所以称为负迁移; 它作用在负压室上。,将上式变为：,为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压1g（h1 -h0）的影响，采用零点迁移就可实现。,量程迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为 -(h1- h0)1ghmaxg-(h1- h0)1g 迁移后，差压式液位计的量程为：hmaxg,24,迁移弹簧 改变变送器的零点。,迁移 同时改变了测量范围的

9、上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。,迁移实现方法,25,液位测量的正迁移,差压变送器上测得的差压为,(3)正迁移:取压口低于容器底部,因为：,所以：,26,当h=0时，P= h0g 由于h0g作用在正压室上，由于gh00，所以称为正迁移。 h0g称之为正迁移量。 迁移后，差压式液位计的测量范围调整为 h0g（h0g +hmaxg）。 迁移后，差压式液位计的量程为：hmaxg,27,正负迁移示意图,正迁移示意图,举例,某差压变送器的测量范围为05000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。 负迁移如曲线

10、b所示，正迁移如曲线c所示。,28,例1：检测液位,已知1=1200kg/m3， 2=950kg/m3，和h1=1.0m，h2=5.0m，液位变化范围03m，当地重力加速度g=9.8m/s，求差压变送器的量程和迁移量.,国家规定的压力表的量程有:1KPa、1.6KPa、2.5KPa、4KPa、6KPa以及*10n,29,利用差压式液位计测量液体的分界面，如下图所示。 液位计正、负压室受力情况如下： P1 = h02g +（h1+h2）1g P2=（h2+h1+h0）1g P= P1 P2 = h0 g（2 -1）,5.测量分界面,由于（2 -1）是已知的，所以压差P与分界面高度h0成一一对应关

11、系。,30,（1）次声波,次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,1.声波的分类 次声波 可闻声波 超声波,10.4 超声波物位传感器,31,（2）可闻声波,频率在1620KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波。,32,（3）超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,高于20KHz的机械波，称为超声波。,33,超声波指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。 当超声波从一种介质向另一种介质传播时（例如钢板与空气的交界面），在两种密度

12、不同、声速不同的介质的分界面，将产生明显的反射和折射。 当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。,2.超声波物理基础,34,3. 超声波传感器（换能器）,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。 超声波探头分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。,35,各种接触式斜探头,常用频率范围：1-5MHz,36,超声波探头中的压电陶瓷芯片,将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出

13、持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,37,空气超声探头,38,空气超声探头外形,39,空气超声探头外形,40,超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播特性进行的。 超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,4.超声波物位检测的基本原理,41,超声波的接收和发射： 超声波的接收和发射基于压电效应和逆压电效应。 用作超声波发射和接受的压电晶体称为换能器。 单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。

14、 双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。,42,目前最广泛的超声波换能器是电声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一。 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，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。,模型演示,43,5、测量液位和物位,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,44,10.4.3超声波物位传感器的类型和特点 1. 超声波物位传感器的类型,超声波物位计根据使用特点可分为定点式物位计和连续式物

15、位计两大类； 根据传感器放置位置的介质不同，超声波物位计可分为气介式、液介式和固介式三类； 超声波物位计按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。,45,2.超声波物位计的特点 1) 能定点及连续测量物位，并提供遥控信号。 2) 无机械可动部分，安装维修方便。换能器压电体振动振幅很小，寿命长。 3) 能实现非接触测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于水、污水、水泥、酸碱、煤粉、泥浆、酒类、饮料等多种环境。 4) 超声波传播速度比较稳定，光线、介质黏度、湿度、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、腐蚀性或高黏度等特殊场合的物位测量。 5) 能测量高速

16、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。 6) 能实现安全火花型防爆。,46,(a)气介式 (b)液介式 (c)固介式 单探头方式,超声波传播距离为L，波的传播速度为v，传播时间为t ，则：,对于一定的气体来说，v是已知的，因此，可以用测时间的方法确定出物位的高度。,10.4.4超声波物位计的工作原理,47,s,超声波在液体中传播测量,超声波在空气中传播测量,双换能器经过的路程： 2S = vt,双探头方式,48,(a)一体超声波物位计 (b)分体超声波物位计 (c)多点超声波物位计 图14-6 超声波物位计外形图,10.4.5 认识超声波物位计,49,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,50,10.4.6超声波物位测量安装要求及存在的缺点 1. 超声波物位计安装要求 1) 传感器和最高物位之间距离应大于盲区，并保证传感器轴线垂直于被测物面； 2) 安装位置尽可能远离噪声源； 3) 应保证传感器