传感器与检测技术7

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1、第7章 物位检测7.1 物位的定义及物位检测仪表的分类7.2 常用物位检测仪表7.3 影响物位检测的因素7.1 物位的定义及物位检测仪表的分类（1）物位的定义物位统指设备和容器中液体和固体物料的表面位置， 是液位、料位、界位的总称。l液位：指设备和容器中液体介质表面的高低。l料位：指设备和容器中所存储的块状、颗粒或粉末状固 体物料的堆积高度。l界位：指界面的位置，液-液界面、液-固界面。（2）物位检测仪表的分类l测量方式:连续测量和定点测量连续测量方式能持续测量物位的变化定点测量方式只能检测物位是否达到上限、下限或某 个特定的位置，定点测量仪表一般称为物位开关l按工作原理：直读式：采用侧壁开窗

2、口或旁通管方式，直接显示容 器中的物位高度。主要用于液位检测和压力较低的场 合。静压式：基于静力学原理液位检测，有压力式、吹气 式和差压式。（2）物位检测仪表的分类l按工作原理：浮力式：基于阿基米德定律液位检测，有浮筒式和浮 子式液位计。机械式：通过测量物位探头与物料面接触时的机械力 实现物位的测量。 有重锤式、音叉式。电气式：将电气敏感元件置于被测介质中，根据物位 变化与电气参数变化关系来测量物位。l其他方法 如声学式、射线式、光纤式等，见表7 1（2）物位检测仪表的分类(1)直读式液位检测仪表l测量原理：基于连通器原理而实现液位的测量 。l结构：形式多样连通阀，用于切断玻 璃液位计与容器特

3、点：最简单、经济7.2 常用物位检测仪表（2）静压式液位检测仪表工作原理：把物位的测量转换为压 力或压差的测量。如图7-1所示。B点为选定的零液位。则从液面至零液位处的差压：式中为被测介质密度；g为重力加速度。n特点：测量简单、无可动部件、工作可靠、压力表精度高 。凡是可以测压力和差压的仪表，选择合适的量程均可用于检 测液位。 n压力式液位计：用于敞口容器中液位的测量。 n差压式液位计：用于密闭容器中液位的测量。压力变送器2.1 压力、差压式液位计n压力信号的引出：采用引压管对于有腐蚀性、结晶颗粒或黏度 大、易凝固的液体介质可用法兰 式仪表（法兰式压力变送器）。仪表是用法兰直接与容器上的法兰

4、相连，金属感压膜盒安装在法兰中 ，与测量室间用充满硅油的带保护 套的毛细管相连。在这个密闭系统 中充满硅油用以传递压力。注：法兰（flange ）是一种盘状零件，在管道工程中，法兰主 要用于管道的连接。 2.1 压力、差压式液位计n读数的修正：由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器 的最低液位处在同一高度上图(a)中的情况，差压计安装 在最低液面以下，这时加在差 压计两侧的差压为：这种附加差压可以调整仪表的零点来消除，即当差压计有 hg的差压作用时，其指示值调为零。这种零点迁移称为正 迁移。2.1 压力、差压式液位计图(b)所示的系统为带有隔离介质的测量系统。此时加在差压 计两侧的差压为：这

5、种情况下的迁移量为负值，称为负迁移。2.1 压力、差压式液位计2.2吹气式液位计将一根吹气管插入至被测液体最 低位，使吹气管通入一定的气体 ，使吹气管中的压力与管口处液 柱静压力相等(气泡)。用压力计 测量吹气管上端压力，就可测得 液位 n特点：可将压力检测点移至顶 部，其使用和维修均很方便。很 适合于地下储罐、深井等场合以 及腐蚀性较强或沉淀严重的液体 。 n精度影响因素：测压仪表的精 度；液体温度水深测量仪 3.1 浮子(bobber)式液位计恒浮力式n原理：把液位的变化传给浮在液面上的浮子，浮子受液体 的浮力而漂在液面上，当浮力与重量相等时，浮子的位置 就代表液位，并且随液位同步移动。n

6、浮子的形状：圆盘形、圆柱形和球形，要根据使用条件和 使用要求来设计。n浮子位置的检测方式：直接指示和信号远传。（3）浮力式物位检测仪表（3）浮力式物位检测仪表浮子重锤液位计浮力恒浮力式液位计平衡状态不利因素： 1. 浮子浸入液体深度改变 2. 不灵敏区域：液位的变化只有克服了仪 表的摩擦阻力之后达到一定的值时浮子 才能运动，与直径和密度成反比舌簧管式液位计液面变化瞬间 引起浮力变化钢丝绳张力 发生变化张力传感器 输出变化输出偏 差信号步进电 机转动鼓轮的旋转量即 步进电机的驱动 步数反映液位的 变化量传动轴转 矩改变浮子移动至浮 力恢复原值伺服平衡式浮子 液位计浮筒式液位计工作原理当液位变化时

7、7.2.3.1 电容式物位计l电气式（可测量液位、料位和界位 ）l工作原理：圆筒形电容器的电容值 随两极板之间的电介质的不同而变 化，故可以通过测量电容量的变化 来测量物位。由同轴圆筒电极组成 的电容器的电容量为：当液位变化时组成：测量电极和测量电路组成 测量电极的型式：随被测介质的不同而不同。非导电液体液位测量 同心套筒电极，外电极 开许多孔 1-内电极 2 -外电极 3-绝缘套非导电固体料位测量 1-内设的金属棒内电极 2-金属容器壁作外电极 构成同心电容器导电液体液位测量 1-带绝缘套的金属棒作 内电极 2-绝缘套管 4- 导电液体作3-外电极 粘度大的液体容易粘上，造 成虚假液位电容式

8、油量表声波式一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振 动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波 ；更低频率的机械波称为次声波；20kHz以上频率的机械波称 为超声波。物位检测一般应用的都是超声波。 超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质：和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，且有各自 的传播速度。 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液 体其次，固体吸收最小。 声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖 锐，超声波近似直线传播，具有很好的方向性。 当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为介质密度不同，声波传 播速度不同，

9、分界面上有反射和折射现象。7.2.3.2.超声波物位检测 l回波测距法声波在介质中的传播有一定的速度，但 在密度不同的介质分界面处会产生反射和折射。从发 射超声波到收到反射回波的时间间隔与分界面位置有 关，从而测得物位。l分类：固介式、液介式、气介式采用单探头时， 探头与液面的距离为：采用双探头时：7.2.3.2.超声波物位检测 放射性同位素在蜕变的过程中会发射出、三种射线。射 线穿透能力最强，电离能力最弱。由于射线的可穿透性，常用于情 况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位 移、材料厚度、流体密度、流量和物位等的检测。原理：射线在穿透物质时，它的强度随物质层的厚度指数降

10、低，只要测出通过物质前后的辐射强度，就可知厚度（物位） 射线射入一定厚度的介质时，其强度与厚度的关系：不同的介质对射线的吸收能力不同，当射线源与被测介质确定 后，则I0和 （吸收系数） 确定，测量射线通过物体后的辐射强度I即可测得物位。7.2.3.3.核辐射式物位计组成：射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路检测器前置放大整形计数显示放射源被测物电子转换指示放射源：一般为射线源，钴（Co)或铯（Cs)。射线检测器：可将射线的强度转换为电信号。电子电路：接收检测器输出的脉冲信号，进行转换处理后 输出与被测物位相应的标准信号。7.2.3.3.核辐射式物位计检测方式：有固定安装式和随动式两

11、种特点：具有非接触式测量的特点，可用于高温高压、真空密 闭等各种容器中液体或固体物料的物位测量；可适应腐蚀、有 毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、 强干扰等恶劣的工作条件。其放射性安全防护措施需按有关规 范操作。a)自动跟踪方式：电机带动射线 源和接受器沿导轨随物位的变化 而升降，且始终保持同一高度， 可连续测量范围宽、但存在运动 部件，结构复杂。b)固定安装方式：透射式测量， 随物位的变化，射线的衰减程度 变化，从而可测得物位。无运动 机构，结构简单。c)、d)、e)发射源或接收器多点 组合方式方式：射测量变化范围 大的物位，可连续测量，很好的 改善了线性关系，但增加了安

12、装 与维护的困难7.2.3.4 物位开关l进行定点测量的物位 开关是用于检测物位 是否达到预定高度， 并发出相应的开关量 信号l对象:液位、料位、 固-液分界面、液-液 分界面，以及判断物 料的有无一、光的反射、折射光纤液位探测器当光由光密物质发 射至光疏物质时，发 生折射。斯乃尔定理斯乃尔定理 （a）折射角大于入射角：（b）临界状态： （c）全反射 ：光在光纤中的全反射光纤液位探测器的几种结构形式：a. Y形光纤结构由Y形光纤和全反射椎体以及光源和光电二极管等组成。b. U形结构，在探头端部除去光纤的包层，当探头浸入液体时，液体起到包层的作用，于包层折射率的变化使接收光强改变，其强度变化与液

13、体的折射率和测头弯曲形状有关。C. 右图所示探头端部是两根多模光纤用棱镜耦合在一起，这种结构的光调制深度最强，而且对光源和光探测器件要求不高。7.3 影响物位测量的因素（1）液位测量的特点l 稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料 有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产 过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象使液面 变得模糊。l 大型容器中常会有各处液体的温度、密度和 黏度等物理量不均匀的现象。l 容器中的液体呈高温、高压或高黏度，或含 有大量杂质、悬浮物等。（2）料位测量的特点l料面不规则，存在自然堆积的角度。l物料排出后存在滞留区。l物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储 料量的计量。（3）界位测量的特点l 界位测量的特点则是在界面处可能存在浑浊 段。