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1、东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院 第三章第三章 运动测量运动测量11东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量第4章液位、液体重量和体积侧量东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量概述概述物物质质的的量量可可以以用用液液位位、液液体体体体积积、重重量量或或力力的的形形式式来来表表示示, ,它们之间都相互关联它们之间都相互关联 。线线性性刻刻度度可可以以估估测测位位于于两两刻刻度度线线之之间间的的液液面面，容容器器的的直直径径已知时，其标定的刻度位置就可以计算出来。已
2、知时，其标定的刻度位置就可以计算出来。液液体体的的密密度度随随着着温温度度变变化化而而变变化化。通通常常随随着着温温度度增增加加，液液体会膨胀而使其密度变小。体会膨胀而使其密度变小。液液位位和和液液体体的的物物理理参参数数可可能能与与质质量量有有关关，因因此此也也与与力力和和重重量有关。量有关。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.14.1液位测量液位测量4.1.1 4.1.1 可视玻璃管可视玻璃管p玻璃管液位计是一种直读式液位测量仪表。p适用于工业生产过程中一般贮液设备中的液体位置的现场检测。p其结构简单，测量准确，是传统
3、的现场液位测量工具。p液位计两端各装有一个针形阀，当玻璃管发生意外事故而破碎时，针形阀在容器压力作用下自动关闭，以防容器内介质继续外流。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量测量范围测量范围 300、500、600、 800、1000、1200、1400、1700、2000mm工作压力：工作压力：1.6MPa材质：碳钢、不锈钢材质：碳钢、不锈钢工作温度：工作温度：200连接法兰标准：连接法兰标准：HGJ46-91PN1.6DN20突面突面 其它法兰标准如其它法兰标准如JB/T、GB、ANSI等，请用户注明。等，请用户注明。伴热蒸汽
4、压力：伴热蒸汽压力：0.6MPa蒸汽夹套接头：蒸汽夹套接头：G1/2外螺纹外螺纹钢球自封压力：钢球自封压力：0.2MPa主要技术指标主要技术指标东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量u 玻玻璃璃管管液液位位计计测测量量结结果果的的精精确确度度取取决决于于读读数数者的经验水平及玻璃管标定刻度的精确度。者的经验水平及玻璃管标定刻度的精确度。u 容容器器中中液液体体的的种种类类和和可可视视玻玻璃璃管管的的直直径径也也会会影响测量的精度。影响测量的精度。u 可可视视玻玻璃璃管管用用在在精精确确度度要要求求不不高高的的测测量量中中，例如在石
5、油储罐和家用热水器中。例如在石油储罐和家用热水器中。玻璃管液位计的特点玻璃管液位计的特点东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.24.1.2液位标尺液位标尺 也被称为油标尺。也被称为油标尺。 液液位位标标尺尺是是标标定定好好刻刻度度的的细棒。细棒。 把把液液位位标标尺尺垂垂直直地地插插入入容容器器内内，以以便便它它的的下下端端投投入入液液面以下。面以下。 从从液液体体容容器器中中取取出出油油尺尺时时，一一些些液液体体会会粘粘附附着着在在液液面面标标尺尺上上，从从而而根根据据油油液液痕痕迹迹从从刻度上读出液面高度。刻度上读出液
6、面高度。 液液位位标标尺尺仅仅用用于于现现场场测测量量，在在实实际际测测量量过过程程中中必必须须取取出出液位标尺才能读数。液位标尺才能读数。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.3 4.1.3 液位浮子表液位浮子表液位浮子表有两种常见的形式即平衡重式和电子控制式。平衡重式液位浮子表平衡重式液位浮子表u浮浮子子随随着着液液面面位位置置的的变变化化而而运运动动，并并传传送送给给指指针针，表表盘盘刻刻度度是是以以体体积积或或质质量量的的形形式来标定的。式来标定的。u精精确确的的读读数数可可以以得得到到，但但其其精精确确度度取取决
7、决于于刻刻线线长长度度以以及刻度分度值的精度。及刻度分度值的精度。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量l浮浮子子被被设设计计成成随随液液面面位置而升降的形式位置而升降的形式l当当液液位位变变化化时时，浮浮子子的的运运动动导导致致电电位位计计指指针针沿沿着着表表盘盘转转动动产产生生一一个个角位移。角位移。l电电位位器器电电阻阻的的改改变变，产产生生一一个个与与液液位位相相对对应应的电压读数。的电压读数。电子控制式液位浮子表电子控制式液位浮子表东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重
8、量和体积侧量4.1.4 4.1.4 电容式液位计电容式液位计（变介质型电容式传感器）（变介质型电容式传感器）圆柱形柱形电容器的初始容器的初始电容容为:电容器的介容器的介质一部分是被一部分是被测液位的液体，一部分是空气。液位的液体，一部分是空气。设C C1 1为液体有效高度液体有效高度h hx x形成的形成的电容，容，C C2 2为空气高度（空气高度（h-hh-hx x）形成的）形成的电容，容，则：东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量由于C1和C2为并联，所以总电容为:可见，电容可见，电容C理论上与液面高度理论上与液面高度hx成线
9、性关系，只成线性关系，只要测出传感器电容要测出传感器电容C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。为为什什么么电电容容式式液液位位计计不不适适用用于于测测量量某某些些液液体体的液位，例知：的液位，例知：(a)(a)水银，水银，(b)(b)硫酸铜溶液？硫酸铜溶液？东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.5 4.1.5 导电式液位计导电式液位计n 是通过测量导电液体电阻的变化侧量液面的一种仪器，其工作原理与电容表相似。n 传感器两极板间的电阻随着液位变化而变化，并以适当的单位来标定，从而用来作为液位或液体量的测量。n
10、 使用导电式液位计时，腐蚀、泄露和被测液体的导电性是需要考虑的重要因素。n 环境温度的变化，将影响液体的导电性和测量系统。n 若探针未被覆盖住，两个探针的尖端之间将会出现电弧放电(弧光)，因此不适合测易燃性液体。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.6 4.1.6 超声波液位计超声波液位计 1 1 超声波的传输特性超声波的传输特性 人耳能够听到的机 械波，频率在16Hz20kHz之间，称为声波。 人耳听不到的机械波，频率高于20kHz的称为超声波。 频率在310831011 Hz之间的称为微波。 东北石油大学华瑞学院东北石
11、油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量超声波可分为纵波、横波和表面波超声波可分为纵波、横波和表面波质点的振动方向和波的传播方向一致的称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 质点的振动方向和波的传播方面相垂直的称为横波，它只能在固体中传播。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 质点的振动介于横波和纵波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的称为表面波。表面波只在固体的表面传播。
12、东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、介质的弹性系数及波型。在同一固体中横波声速为纵波声速的一半左右，而表面波声速又低于横波声速。当超声波在某一介质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵循如下一些规律。(1) 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，即声速为 式中：为超声波的波长；f为超声波的频率。(2) 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作式中：I0为声源处的声强；Ix为距声源x处的声强；为衰减系数(
13、单位为110-3dB/mm)，水和一般低衰减材料的取值为14。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量(3) 超声波的反射与折射：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵循反射定律和折射定律入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波速与反射波速之比；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波速与折射波速之比。(4) 超声波的波形转换：若选择适当的入射角，使纵波全反射，那么在折射中只有横波出现；如果横波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。 2 超声波换能器 能将(交流)电信号转换成机械振动
14、而向介质中辐射(发射)超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器(或称为探测器、传感器、探头)。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量超声波探头最常用的是压电式探头。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。 超声波传感器的主要性能指标包括(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 (2) 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超
15、声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。 (3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之则灵敏度低。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量3 超声波液位计超声波液位计p 换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。p 超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。p 距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CxT/2。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华
16、瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量 图所示为一个典型的超声波液位仪。当向液体发射超声脉冲波时，其中有一小部分被液面反射回来，其余的被液体容器的底面反射。两种反射的脉冲的时间差直接与被测物体的深度有关，并且这个深度可以按人们期望的形式(深度或体积)标定并显示。显示在屏幕上，或其他基于时间的显示或记录装置上。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.7 4.1.7 气泡式液位计气泡式液位计n吹泡式液位计是应用静压原理测量敞口容器液位。n压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件
17、后分两路,一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；另一路进入压力计进行指示。n当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。n背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。n吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于测量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。 东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.1.8 4.1.8 压力式液位计压力式液位计p测量液体重量或液面高度的同时还要求以电信号形式输出，就可以用压力式液位计。最典型的应用是压敏
18、电阻传感器。p在压力式液位计中，被侧压力将使一个膜片产生变形，这种膜片的变形经过压敏电阻传感器给出一个与压强对应的电信号。p压力式液位计放置在将要被测量液体深度的容器里，液体的液面高度的任何变化都会使传感器产生一个与之成比例变化的输出信号。压强为 P=gh则液面高度为 h=P/g东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量式中：-液体的密度，单位为kg/m3 g-重力加速度 ,单位为m/s2 h-液体的高度 ,单位为m可以看出，由于液体的密度和重力加速度g均为常数，对于一个给定横截面尺寸的容器来说，液面高度h与压强P成正比。东北石油大学
19、华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.2 4.2 重量或力的测量重量或力的测量4.2.1 测力传感器p 测测力力传传感感器器是是一一种种通通常常利利用用应应变变片片测测量量未未知知力力( (有有时时称称为为负负载载) )或或质质量量的传感器。的传感器。p 电电阻阻值值为为定定值值的的传传感感元元件件将将被被布布置置在在单单臂臂电电桥桥中中，其其测测量量的的精精度度取取决决于所用应变片的类型。于所用应变片的类型。p 单单臂臂电电桥桥以以适适当当的的应应变变方方式式调调制制要要读读数数的的信信号号，电电桥桥的的输输出出电电压压与与所所加负载的
20、大小有关。加负载的大小有关。p 由由温温度度变变化化而而引引起起的的误误差差可可以以通通过相匹配的应变片来使其最小化。过相匹配的应变片来使其最小化。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量单臂电桥布置图测力传感器常用于下列测量：测力传感器常用于下列测量：u存储料斗中的材料重量；存储料斗中的材料重量；u过桥车辆的重量；过桥车辆的重量；u容容器器里里液液体体的的液液位位或或体体积积（如如果果重重量量是是已已知知的的，那那么么可可以以换换算算出出其其体积或液位）。体积或液位）。这这种种仪仪器器具具有有精精确确. .、耐耐用用和和相相对对廉
21、廉价价的的优优点点，而而且且可可用用于于很很宽宽的的测测量范围。量范围。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量应变片侧力传感器的说明书应变片侧力传感器的说明书东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量说明书中说明了传感器的下列特性：精确度、线性度、重复性、过载等。我们将在第11章应用实例中再次讨论。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.2.2 4.2.2 天平与秤天平与秤天平与秤是利用平衡原理来确定未知质
22、量和力天平与秤是利用平衡原理来确定未知质量和力( (重量重量) )的测量装置。的测量装置。中心支点的天平标定作用在未知质量物体上的重力Wx与已知的重力W进行比较。天平是一个已知力和未知力到支点(支承轴)的距离相等的杠杆。平衡条件是通过给右边盘中逐渐增加已知质量的砝码直到杠杆达到水平的方法实现的。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量n 一个带有滑移质量块的天平要进行调平衡。n 先通过增加已知质量块(砝码)到天平盘上以达到粗略平衡，然后通过移动滑移质量块(Ws)到最佳位置，从而使天平达到精确平衡。n Wxa=Wb+Wsc，Ws是一定
23、的，距离c能够被直接确定出来，在水平横梁上通常有一个沿质量块滑移方向标定好的刻度。n为了增大或减小天平的测量范围，可以通过相应地增减天平底盘上的已知质量块来实现。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量4.2.3 4.2.3 弹簧秤弹簧秤l 图所示为一种典型的、商业通用的弹簧秤，其弹簧的一端被固定，另一端被所施加的未知力(重量)下，拉伸。l 弹簧的伸长量与所受的力成正比(胡克定律)，其刻度按照力的单位(N)或质量的单位(kg)进行标定。l 胡克定律：弹性材料在其弹性变形范围内的应变与所受到的力成正比。l 材料不再遵循胡克定律的应力值
24、称为弹性变形的极限值。l 用弹簧秤的方法不能获得很高的精确度，但它提供了一种简便而容易实现的测量质量和力的方法。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量n 通过把弹簧秤与电位器结合可以得到一种与所受载荷大小成正比的电信号输出。n 弹簧秤将所受的力转换成位移，而电位器又将这种位移转换成电信号输出，这是一种能够实现远程测量质量、力、液面、体积和压强的简单而又廉价的方法，电位差计产生一个与力成比例的电信号输出。n必须注意，在输出信号中所得到的是正在发生的运动(位移)的实际变化。东北石油大学华瑞学院东北石油大学华瑞学院第第4 4章液位、液体重量和体积侧量章液位、液体重量和体积侧量本章小结本章小结 在在本本章章中中我我们们学学习习了了液液位位、液液体体、质质量量、力力( (重重量量) )以以及及体体积积等等参参数数的的测测量量方方法法，它它们们是是之之间间相相互互关关联联的的，并并且且学学习习了了测测量量它它们的若干种常用的装置。们的若干种常用的装置。 在在实实际际应应用用中中，还还有有很很多多这这样样的的装装置置可可以以变变通通应应用用。通通常常，在在一一个个系系统统中中往往往往要要用到不止一种装置，甚至是几种装置的集成。用到不止一种装置，甚至是几种装置的集成。
