中國石油大學(xué)化工檢測儀表第四章物位測量

1、第四章第四章 物位測量物位測量 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式物位計浮力式物位計 第三節(jié)第三節(jié) 差壓式物位計差壓式物位計 第四節(jié)第四節(jié) 電容式物位計電容式物位計 第五節(jié)第五節(jié) 射頻導(dǎo)納式物位計射頻導(dǎo)納式物位計 第六節(jié)第六節(jié) 超聲式物位計超聲式物位計 第七節(jié)第七節(jié) 雷達式物位計雷達式物位計 第八節(jié)第八節(jié) 輻射式物位計輻射式物位計 其它物位計其它物位計 小結(jié)小結(jié) 液位液位氣體和液體間的分界面。氣體和液體間的分界面。 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 界位界位兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的兩種不同液體間的接觸面；液體與固體間的 接觸面。接觸面。 料位料位氣體與固體顆?；蚍勰┑姆纸缑?。氣

2、體與固體顆?；蚍勰┑姆纸缑?。 測量測量固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度固體粉末或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度 物位物位：存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度或位置。：存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度或位置。 測量目的測量目的 2 .對物位進行顯示、控制、報警、聯(lián)鎖，保證連續(xù)生產(chǎn)和安全。對物位進行顯示、控制、報警、聯(lián)鎖，保證連續(xù)生產(chǎn)和安全。 1 .正確測知容器或設(shè)備中介質(zhì)容量或質(zhì)量，進行成本核算（油庫）正確測知容器或設(shè)備中介質(zhì)容量或質(zhì)量，進行成本核算（油庫） 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式物位計浮力式物位計 利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液體中浮利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液體中浮 子的浮力變化測知液位或界位。子

3、的浮力變化測知液位或界位。 (1) (1) 恒浮力式恒浮力式 自動跟蹤式、浮標(biāo)式、浮球式、鋼帶式液位計自動跟蹤式、浮標(biāo)式、浮球式、鋼帶式液位計等。等。 (2) (2) 變浮力式變浮力式 浮筒式液位計浮筒式液位計 浮力不變。浮子永遠(yuǎn)漂浮在液面上，位置隨著液位變化。浮力不變。浮子永遠(yuǎn)漂浮在液面上，位置隨著液位變化。 浮力變化。浮子浸沒在液體里，浮力隨液位變化。浮力變化。浮子浸沒在液體里，浮力隨液位變化。 確定浮標(biāo)位置確定浮標(biāo)位置液位液位 確定浮力變化確定浮力變化液位液位 測量原理：測量原理： 原理示意原理示意 （一）磁翻轉(zhuǎn)式液位計（一）磁翻轉(zhuǎn)式液位計 每個每個翻板翻板或或翻球翻球的翻轉(zhuǎn)直徑一般為的

4、翻轉(zhuǎn)直徑一般為10mm10mm（誤差）。（誤差）。 一、恒浮力式一、恒浮力式 浮子位置隨液位高低而變，檢測其位移，可知液位高度。浮子位置隨液位高低而變，檢測其位移，可知液位高度。 兩邊不同顏色（紅、白）兩邊不同顏色（紅、白） 特點特點 (1)(1)就地指示，就地指示，指示新穎、讀數(shù)直觀、醒目。指示新穎、讀數(shù)直觀、醒目。 (2) (2) 指示機構(gòu)與被測介質(zhì)完全隔離，因而密封性好，指示機構(gòu)與被測介質(zhì)完全隔離，因而密封性好， 可靠性高，使用安全?？煽啃愿撸褂冒踩?。 (3) (3) 耐腐蝕、無需電源、防爆。耐腐蝕、無需電源、防爆。 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式物位計浮力式物位計 （二）浮球式液位計（二）浮球

5、式液位計 OBGOAFW )（ 1. 工作原理工作原理 2. 特點特點 （1）量程小，受連桿長度和角度限制；）量程小，受連桿長度和角度限制； （2）精度低，最高）精度低，最高0.5級左右；級左右； （3）適用于溫度、粘度較高，壓力不適用于溫度、粘度較高，壓力不 高的液位測量高的液位測量。常壓塔底液位。常壓塔底液位 W浮球的重力；浮球的重力； G重錘的重力；重錘的重力； OA轉(zhuǎn)軸到浮球中心垂直距離；轉(zhuǎn)軸到浮球中心垂直距離； OB轉(zhuǎn)軸到重錘中心垂直距離。轉(zhuǎn)軸到重錘中心垂直距離。 內(nèi)浮球液位計內(nèi)浮球液位計 P4MPa，T450，0.55g/cm3H 1200mm H F (W-F) 杠桿順時針轉(zhuǎn)動杠

6、桿順時針轉(zhuǎn)動F 返回返回 （三）（三） 浮子鋼帶液位計浮子鋼帶液位計 FWT HFTWF TWF 恒力彈簧通過鋼帶直到 液位 浮子 整個系統(tǒng)整個系統(tǒng)力平衡原理力平衡原理，但對于浮子本身仍為，但對于浮子本身仍為恒浮力原理恒浮力原理。 恒力彈簧恒力彈簧在自由狀態(tài)卷緊在恒力在自由狀態(tài)卷緊在恒力 彈簧輪彈簧輪9上，受力反繞軸上，受力反繞軸8上上恢復(fù)恢復(fù) 力力f8始終保持常數(shù)始終保持常數(shù) 。 T不變不變 釘輪軸上安裝轉(zhuǎn)角傳感器或變送器，可實現(xiàn)液位信號的遠(yuǎn)傳。釘輪軸上安裝轉(zhuǎn)角傳感器或變送器，可實現(xiàn)液位信號的遠(yuǎn)傳。 鋼帶線位移鋼帶線位移釘輪角位移釘輪角位移 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式物位計浮力式物位計 機械部 分

7、 電路部 分 2 2 特點特點 （1 1）測量范圍寬，一般為）測量范圍寬，一般為0 020m20m。 （2 2）精度高，可達）精度高，可達 %03. 0 （4 4）可以）可以就地指示或遠(yuǎn)傳就地指示或遠(yuǎn)傳。就地指示為機械結(jié)構(gòu)，不需能源。就地指示為機械結(jié)構(gòu)，不需能源。 （5 5）傳動部件多傳動部件多，易發(fā)生故障，維護量大，對安裝要求比較高。，易發(fā)生故障，維護量大，對安裝要求比較高。 （3 3）適用）適用中、小型中、小型常壓常壓儲罐，但儲罐，但 2020以上的油罐不宜采用，以上的油罐不宜采用， 罐越高，安裝的平行罐越高，安裝的平行 度、垂直度以及盤簧的質(zhì)量要求越高；度、垂直度以及盤簧的質(zhì)量要求越高；

8、 （四）（四） 自動跟蹤式液位計自動跟蹤式液位計 1 測量原理 液位不變時彈簧力與浮標(biāo)系統(tǒng)所液位不變時彈簧力與浮標(biāo)系統(tǒng)所 受重力和浮力之差實現(xiàn)力矩平衡，鐵受重力和浮力之差實現(xiàn)力矩平衡，鐵 芯位于差動變壓器中間位置。芯位于差動變壓器中間位置。 0 0 v 杠桿失去平衡 液位浮力浮標(biāo)對杠桿的拉力杠桿帶動鐵心 杠桿帶動鐵心浮標(biāo)對杠桿的拉力浮標(biāo)可逆電機正轉(zhuǎn) o V 0 o V 直至，電機停轉(zhuǎn)，重新達到平衡 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式液位計浮力式液位計 原理示意原理示意 2 2 特點特點 （1） 測量范圍寬，可達測量范圍寬，可達20m（大罐）（大罐）； （2） 精精度高，可達度高，可達0.02% ,0.02%

9、 ,但粘稠介質(zhì)、流動介質(zhì)會影響精度。但粘稠介質(zhì)、流動介質(zhì)會影響精度。 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式液位計浮力式液位計 二、變浮力式二、變浮力式 介質(zhì)浸沒物體的高度或密度變化時，物體所受浮力發(fā)生介質(zhì)浸沒物體的高度或密度變化時，物體所受浮力發(fā)生 變化。由浮力的變化可測知物位高度。變化。由浮力的變化可測知物位高度。 ( (一）彈簧式一）彈簧式浮筒式液位計浮筒式液位計 工作原理：工作原理： C 彈簧剛度；彈簧剛度； x 彈簧壓縮位移；彈簧壓縮位移； A 浮筒截面；浮筒截面； H 浮筒浸沒高度；浮筒浸沒高度； gAHWCx H浮筒上移浮筒上移x gxHHAWxxC )()( HKH gAC gA x 第二節(jié)第二

10、節(jié) 浮力式液位計浮力式液位計 （二）扭力管式浮筒液位計（二）扭力管式浮筒液位計 1.1.測量元件測量元件作用：作用：H H 浮力浮力 Fx扭角扭角 H = H時：時：扭力扭力作用力為作用力為 21 () (1) x FWA Hxg WAkHgk H=0時：扭力桿作用力為時：扭力桿作用力為 0 =k1max 扭力管產(chǎn)生扭角扭力管產(chǎn)生扭角max(約約7) H = Hmax時，時，扭力管產(chǎn)生最小扭角為扭力管產(chǎn)生最小扭角為min (約約2)。 Fx 原理示意原理示意 液位液位H 與與 成比例關(guān)系成比例關(guān)系。 x=k2H 021max1 (1)()420 x FFFAkgHkkmA 第三節(jié)第三節(jié) 變浮力

11、式液位計變浮力式液位計 2. 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 u I0 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角電量信號的轉(zhuǎn)換通過電量信號的轉(zhuǎn)換通過差動變壓器差動變壓器完成。完成。 設(shè)動臂轉(zhuǎn)角變化為設(shè)動臂轉(zhuǎn)角變化為= max-，則，則 %100K max K 比例系數(shù)。比例系數(shù)。 短路環(huán)短路環(huán)轉(zhuǎn)至中舌轉(zhuǎn)至中舌最左端最左端 時，時，K=0；轉(zhuǎn)至；轉(zhuǎn)至最右端最右端時，時， K=100%。 01=K0 02 =（1-K）0 感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓u1、u2與線圈磁通成正比。與線圈磁通成正比。 因因渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)磁力線不能穿過短路環(huán)，磁力線不能穿過短路環(huán)，中舌磁通中舌磁通0以短路環(huán)以短路環(huán) 為界為界分成左、右兩部分分成左、右兩部分。 差動變壓差動變壓 器

12、器 max= max-min 因為鐵芯兩臂及兩次因為鐵芯兩臂及兩次 級線圈完全對稱：級線圈完全對稱： u2=(1-K ) Z0 =Z02 021 Z)1K2(uuu u1=KZ0 =Z01 u與與K成正比，因成正比，因K與與成正比，則成正比，則u與與成正比成正比。 Z 磁通磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。 2. 轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換部分作用：作用：將將u I0 第二節(jié)第二節(jié) 浮力式液位計浮力式液位計 1. 量程由浮筒長度決定。（適用小液位）量程由浮筒長度決定。（適用小液位） 國產(chǎn)：國產(chǎn)：300、500、800、1200、1600、2000mm （四）特點（四）特點 3. 當(dāng)被測介質(zhì)當(dāng)被測介質(zhì)密度變化

13、時，必須進行密度修正。密度變化時，必須進行密度修正。 2. 可測液位、界位?？蓽y液位、界位。 （適用工藝生產(chǎn)監(jiān)控）（適用工藝生產(chǎn)監(jiān)控） 4.只能用于測量輕、凈介質(zhì)，只能用于測量輕、凈介質(zhì)，不適合高粘度介質(zhì)測量不適合高粘度介質(zhì)測量 （粘）（粘）。 適用適用密度范圍密度范圍：液位計液位計0.51.5g/cm3； 界位計界位計0.1 0.5g/cm3( (密度差）密度差） 液位計精度：液位計精度：1.0（0.5） 界位計精度：界位計精度：1.5 浮筒液位計的安裝浮筒液位計的安裝 （五）校驗（五）校驗 x w x w HH Hx 、Hw分別為被測介質(zhì)的液位高度和水的高度；分別為被測介質(zhì)的液位高度和水的

14、高度； x 、w 分別為被測介質(zhì)的密度和水的密度；分別為被測介質(zhì)的密度和水的密度； 1. 以水代校法以水代校法 2 (1):420 xx FWAHkgImA 22 (1)(1) wwxx AHkgAHkg 浮力相等：浮力相等： （2 2）被測介質(zhì)：被測介質(zhì)：非水非水 x w x w HH LH maxx 校驗點校驗點(%L): 0 25 50 75 100 Hw (%L): 0 輸出輸出(mA): 4 8 12 16 20 25 w x 50 w x 75 w x 100 w x （1）被測介質(zhì)被測介質(zhì):水水 校驗點校驗點(%L): 0 25 50 75 100 輸出輸出(mA): 4 8 1

15、2 16 20 反復(fù)調(diào)反復(fù)調(diào)“零位零位”、調(diào)、調(diào)“滿度滿度”，直至誤差和量程滿足要求。，直至誤差和量程滿足要求。 x w x w HH 在浮筒與杠桿連接處，在浮筒與杠桿連接處，取下浮筒內(nèi)筒，取下浮筒內(nèi)筒，用砝碼代替內(nèi)筒用砝碼代替內(nèi)筒對應(yīng)對應(yīng) 不同液位產(chǎn)生的浮力不同液位產(chǎn)生的浮力F與浮筒自重與浮筒自重W的差值，掛以不同砝碼的差值，掛以不同砝碼G， 校驗液位高度與輸出之間的對應(yīng)關(guān)系。校驗液位高度與輸出之間的對應(yīng)關(guān)系。 2. 掛重法掛重法 :420 x FKWAH gImA 校驗點校驗點(%L): 0 25 50 75 100 G : W 輸出輸出(mA): 4 8 12 16 20 max 25%

16、WAHgmax WAHg 420 x FmAG 驗證驗證：扭力與輸出電流的關(guān)系。 若浮筒本身問題？若浮筒本身問題？ 扭力扭力=砝碼重力：砝碼重力： 扭力管式浮筒扭力管式浮筒界位計界位計 H = H時：時：扭力扭力作用力為作用力為 H=0時：扭力桿作用力為時：扭力桿作用力為 液位液位H 與與 成比例關(guān)系成比例關(guān)系。 x=k2H Fx H L 21x FWALgk 12 2212 1 ()() (1)() x FWA HxgA LHxg WALgAHkg k 0212 1max1 (1)() ()420 x FFFAkgH kkmA 校驗點校驗點(%L): 0 25 50 75 100 Hw (%

17、L): 輸出輸出(mA): 4 8 12 16 20 1 100 w Fx H L 以水代校法以水代校法 2212 1 (1)() 420 xx FWALgAHkg kmA 浮力相等：浮力相等： 212 () wwx AHgALgAHg 212 ()/ wxw HLH 2 100 w （六）浮筒液位計常見故障（六）浮筒液位計常見故障 （1）外筒有雜物進入外筒有雜物進入： 內(nèi)筒體卡住 ： 現(xiàn)象 （液位計輸出電流長時間不變化） 有時敲打外筒后恢復(fù)正常。 內(nèi)筒體掛料 ： 現(xiàn)象（液位計輸出電流指示變低） （3）內(nèi)筒破裂：內(nèi)筒破裂：現(xiàn)象（液位計輸出指示零下） 腐蝕強的物料易出現(xiàn)。 （2）內(nèi)筒脫落內(nèi)筒脫落

18、：現(xiàn)象（液位計輸出電流突然竄至最大） 很少出現(xiàn)，液位劇烈波動時才有可能。 :420 x FWAH gKImA （六）浮筒液位計常見故障（六）浮筒液位計常見故障 （4）被測介質(zhì)密度變化被測介質(zhì)密度變化： 現(xiàn)象（液位計輸出指示與實際不符） 溫度升高造成密度變低密度變低（或含氣泡），浮力減小，指示偏低。 溫度降低造成密度變大密度變大，浮力增加，液位指示偏高。 :420 x FWAH gKImA 第三節(jié)第三節(jié) 靜壓式液位計靜壓式液位計 測量原理測量原理 零點遷移零點遷移 法蘭式液位計法蘭式液位計 吹氣法液位計吹氣法液位計 - +- PPgHPP PPPgH 氣氣 ， 其中：其中：P差壓值；差壓值； H

19、液位高度；液位高度； 介質(zhì)密度；介質(zhì)密度； g重力加速度。重力加速度。 敞口容器：敞口容器：差壓變送器負(fù)壓室通大氣差壓變送器負(fù)壓室通大氣, ,或壓力變送器?；驂毫ψ兯推?。 密閉容器：密閉容器：差壓變送器負(fù)壓室連接容器的氣相部分。差壓變送器負(fù)壓室連接容器的氣相部分。 密度密度已知，通過已知，通過P的測量計算的測量計算H 根據(jù)流體靜力學(xué)原理：根據(jù)流體靜力學(xué)原理： PH 第三節(jié)第三節(jié) 靜壓式液位計靜壓式液位計 一、工作原理一、工作原理 minmax :420PPPImA - +- PPgHPP PPPgH 氣氣 ， 1. 安裝之前，設(shè)計過程：安裝之前，設(shè)計過程：確定差壓變送器測量范圍確定差壓變送器測

20、量范圍 （1）根據(jù)工藝要求，得到測量范圍：）根據(jù)工藝要求，得到測量范圍： （2）根據(jù)測量范圍和安裝位置計算差壓范圍）根據(jù)測量范圍和安裝位置計算差壓范圍 minmax :H HH m inm axm inm ax :HHHPPP 如：如：0-10m :0 1000 9.8 1098PPaKPa例： （3）根據(jù)計算得到的差壓范圍，）根據(jù)計算得到的差壓范圍，調(diào)整調(diào)整差壓變送器測量范圍差壓變送器測量范圍，使，使 =0 KPaI=4mA =98KPaI=20mA P P 例： 然后，安裝后可使用然后，安裝后可使用 min max =I=4mA =I=20mA PP PP 調(diào)整零點： 調(diào)整量程： 2. 實

21、際測量時：實際測量時： 根據(jù)設(shè)計要求安裝后，正常測量時，以下關(guān)系已確定根據(jù)設(shè)計要求安裝后，正常測量時，以下關(guān)系已確定 一一對應(yīng)關(guān)系一一對應(yīng)關(guān)系 線性線性 線性線性 使用時，使用時，I0已知，計算已知，計算H（過程相反）：（過程相反）： minmaxminmax 420mA( PP() o IPH HH 差壓變送器 （） minmaxminmax :420H HHPPPImA 0-10m0-98KPam 例例4-1：I0=12mA，計算，計算H： 124 P(980)0=49KPa 204 490 H(100)0=5m 980 二、零點遷移二、零點遷移 +- PPPgH 差壓變送器測液位，一般情

22、況下：差壓變送器測液位，一般情況下： 實用中，大多數(shù)情況下，由于安裝位置不同、特殊工藝要實用中，大多數(shù)情況下，由于安裝位置不同、特殊工藝要 求等，當(dāng)求等，當(dāng)H=0 ，P 0，差壓下限不為，差壓下限不為0，但是差壓變送器，但是差壓變送器 買來時通常為買來時通常為0，存在根據(jù)需要進行存在根據(jù)需要進行零點遷移（調(diào)整）零點遷移（調(diào)整）問題。問題。 此為理想情況，稱為此為理想情況，稱為無遷移無遷移。 當(dāng)當(dāng)H=0 ，P =0， I =4mA，不需要調(diào)零點，不需要調(diào)零點 （差壓變送器出廠時，（差壓變送器出廠時，P min=0） 實用中，大多數(shù)情況下，存在實用中，大多數(shù)情況下，存在零點遷移零點遷移問題。問題。

23、 1. 正遷移正遷移 ghgHp 正遷移正遷移 + pHgh g - 0p 例例4-2:4-2: H = 0 Pmin=h1g 0，I =4mA ；正遷移正遷移 H = Hmax Pmax=Hmaxg + hg I =20mA minmaxmax :420H HHPghghgHImA H = 0, P = 49kPa ，調(diào)零點遷移使，調(diào)零點遷移使 I= 4mA； H = Hmax , Pmax= 98+49=147kPa, 調(diào)量程遷移使調(diào)量程遷移使 I= 20mA。 :0 10:49 147420HmPKPamA 例例: H:0-10m, h=5m，=1000kg/m3， 變送器原先測量范圍：

24、變送器原先測量范圍：0-98kPa Hmaxg=98kPa（量程）（量程） hg = 49kPa， 與安裝位置有關(guān)與安裝位置有關(guān) 2. 負(fù)遷移負(fù)遷移 1 pHghg 負(fù)壓側(cè)與取壓點之間安裝隔離罐或冷凝罐。負(fù)壓側(cè)與取壓點之間安裝隔離罐或冷凝罐。 H = 0 Pmin= -h1g0H0時時 ， 存在問題：對于存在問題：對于導(dǎo)電粘滯性液體，導(dǎo)電粘滯性液體，隨物位升降電極掛料導(dǎo)致電隨物位升降電極掛料導(dǎo)致電 容值加大，產(chǎn)生誤差大。容值加大，產(chǎn)生誤差大。 Cx= C + C掛 掛 jwC jwLRZ 1 Z Y 1 射頻導(dǎo)納技術(shù)：射頻導(dǎo)納技術(shù)：能消除掛料影響能消除掛料影響的液位測量技術(shù)。的液位測量技術(shù)。

25、測電容測電容 測導(dǎo)納測導(dǎo)納 射頻：射頻：即高頻，所以射頻導(dǎo)納技術(shù)可以理解為用高頻測量導(dǎo)納射頻導(dǎo)納技術(shù)可以理解為用高頻測量導(dǎo)納 導(dǎo)納：導(dǎo)納：阻抗的倒數(shù) 阻抗：阻抗：交流電路中電阻成分、電容成分、電感成分綜合而成 電容式物位計：電容式物位計： 液位液位 液位液位 消除掛料影響消除掛料影響 射頻導(dǎo)納式物位計：射頻導(dǎo)納式物位計： 導(dǎo)電、粘稠導(dǎo)電、粘稠 第五節(jié)第五節(jié) 射頻導(dǎo)納物位計射頻導(dǎo)納物位計 H r R C ln 2 測得總電容為：測得總電容為： C真實物位真實物位H的對應(yīng)的電容；的對應(yīng)的電容； Cx= C + C掛 掛 C掛 掛導(dǎo)電掛料所表現(xiàn)的電容。 導(dǎo)電掛料所表現(xiàn)的電容。 Cx實際測得的實際測得

26、的H對應(yīng)的電容。對應(yīng)的電容。 射頻導(dǎo)納：測得射頻導(dǎo)納：測得C掛 掛 電容法：電容法： 測得測得Cx C = Cx-C掛 掛 真實物位真實物位H 物料橫截面積物料橫截面積掛料層橫截面積掛料層橫截面積且具有導(dǎo)電性，則且具有導(dǎo)電性，則物料電阻可略。物料電阻可略。 掛料層電阻不能忽略掛料層電阻不能忽略。 根據(jù)電學(xué)原理：如果根據(jù)電學(xué)原理：如果掛料足掛料足 夠長夠長(2cm)，則掛料的電容，則掛料的電容 和電阻部分的和電阻部分的阻抗阻抗和和容抗容抗數(shù)數(shù) 值相等：值相等： R C X C 掛掛 掛掛 1 用交流鑒相采樣器，分別 測量：總電容總電容Cx和電阻電阻R C掛 掛 R Cx C = Cx-C掛 掛

27、H r R C ln 2 真實物位真實物位H 適用于適用于水處理、造紙、冶金、電力、石油化工等系水處理、造紙、冶金、電力、石油化工等系 統(tǒng)統(tǒng)污水處理、紙漿、化學(xué)制劑、煤粉灰漿、原油等測量。污水處理、紙漿、化學(xué)制劑、煤粉灰漿、原油等測量。尤尤 其適用于導(dǎo)電其適用于導(dǎo)電(電導(dǎo)率電導(dǎo)率100s/cm) 的粘稠介質(zhì)。的粘稠介質(zhì)。 （2）不受掛料、溫度、壓力、材料密度、濕度、）不受掛料、溫度、壓力、材料密度、濕度、 甚至物料化學(xué)特性變化的影響。甚至物料化學(xué)特性變化的影響。 （3）精度：）精度：0.5級左右級左右 2. 特點及適用范圍特點及適用范圍 非接觸式測量物位計非接觸式測量物位計 第六節(jié)第六節(jié) 超聲

28、波物位計超聲波物位計 第七節(jié)第七節(jié) 雷達物位計雷達物位計 第八節(jié)第八節(jié) 核輻射物位計核輻射物位計 1. 基本概念基本概念 第六節(jié)第六節(jié) 超聲物位計超聲物位計 聲波的本質(zhì)：是一種機械波。 次聲可聽聲超聲微波 4 10 1 10 2 10 5 10 8 10 11 10 14 10 頻率 f (Hz) 可聽聲波：2020 K Hz，能為人耳所聞的機械波； 次聲波：低于20Hz的機械波； 超聲波：高于20 KHz的機械波； 微波：頻率高于3108 Hz的波。 超聲波的特點： （c）在媒質(zhì)中傳播時能產(chǎn)生巨大的作用力，可以用來 為硬質(zhì)材料做切割、鑿孔等； （a）方向性好，幾乎沿直線傳播； （b）穿透能力

29、強，能穿透許多電磁波不能穿透的物質(zhì)； （d）衰減快。 除蝙蝠外,海豚,江豚,白暨豚等某些水生哺乳動物也發(fā)出、 并利用超聲波探測目標(biāo)。 蝙蝠通過它的嘴巴和鼻孔向外發(fā)射強烈的超聲波，并 用它的耳朵收聽反射回來的超聲波，以此探測目標(biāo)， 使飛行、捕食成功率極高。更能抗住比它發(fā)出的超聲 波強100倍的噪聲干擾。 一些動物采用超聲探測目標(biāo) 11 22 1 gL a B C B （1）超聲波的傳播速度 與其他聲波一樣，超聲波波速與介質(zhì)密度和彈性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中(縱波)的傳播速度CgL為： 式中： 介質(zhì)的密度； Ba 絕對壓縮系數(shù)（B為容變模量）。 （2）聲阻抗 聲阻抗值一般為固體液氣體。 聲阻抗

30、 = 密度 * 聲速Zu 幾種媒質(zhì)的聲速和聲阻抗 （3） 超聲波的反射和折射 凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長（稱大界面）時， 產(chǎn)生反射與折射。 當(dāng)通過聲阻抗不同的介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生 反射與折射。 超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。 滿足折射定律：1 2 sin sin v v 如果sinav1/ v2，入射波產(chǎn) 生全反射、沒有折射。 (4) 超聲波的散射與繞射 超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。 當(dāng)通過聲阻抗不同的介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生散 射與繞射。 超聲在傳播時，遇到與超聲波波長近似或小于波長的介質(zhì)時， 產(chǎn)生散射與繞射。 散射為小介質(zhì)向四

31、周發(fā)散超聲，又成為新的聲源； 繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播。 散射 繞射 2 0 Ax II e （5） 超聲波的衰減 （3）晶粒越粗或介質(zhì)密度越小，衰減越快。 式中：I0 距聲源x0處的聲壓和聲強； x觀測點與聲源間的距離；A衰減系數(shù)。 超聲波在一種介質(zhì)中傳播時，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律 衰減。在平面波的情況下，距離聲源 x 處的聲強衰減規(guī)律如下： （1）超聲頻率愈高，介質(zhì)的吸收愈多、衰減也越快； 超聲在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，聲強逐漸減弱 的現(xiàn)象稱為超聲的衰減。其主要原因有： （2）由于反射/折射/散射等使傳播方向上的能量減弱. 設(shè)超聲探頭至物位的垂直距離為設(shè)超聲探

32、頭至物位的垂直距離為H，由發(fā)射到接收的時間，由發(fā)射到接收的時間 為為t，超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為，超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為v，則：，則： 1 2 HLdLv t 若介質(zhì)若介質(zhì)v已知，測得已知，測得t可確定可確定 距離距離H，即得被測物位高度。，即得被測物位高度。 1. 測量原理測量原理 第六節(jié)第六節(jié) 超聲物位計超聲物位計 利用超聲波遇到被測物體表面產(chǎn)生反射：利用超聲波遇到被測物體表面產(chǎn)生反射：采用發(fā)射-反射- 接收的工作模式?；芈暅y距回聲測距法法。 頻率超過20kHz的聲波 （6） 超聲波的超聲場特性 超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，明顯受到超聲振動影響的區(qū) 域稱超聲場。超聲場具有以下特點： 近

33、場區(qū)以外的聲波以某一角度擴散稱遠(yuǎn)場區(qū)。該區(qū)聲波近似 球面向外擴散，聲強分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高， 直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中。 如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長，則所發(fā) 射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，稱為超聲的指向性。 換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平 行而不擴散，近似平面波，該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲 強分布不均勻(盲區(qū))。 發(fā)射聲波發(fā)射聲波：在壓電在壓電晶體晶體兩端面的電極上兩端面的電極上加高頻交變電場加高頻交變電場，沿著晶，沿著晶 體厚度方向會體厚度方向會產(chǎn)生與交變電壓同頻率的機械振動產(chǎn)生與交變電壓同頻率的機械振動，向附近發(fā)射聲，向附

34、近發(fā)射聲 波。波。-逆壓電效應(yīng)： 電能機械能 也稱也稱電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)。 2. 超聲波換能器超聲波換能器 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 用作發(fā)射換能器。用作發(fā)射換能器。 接收聲波：正壓電效應(yīng)-機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 用作用作接收接收換能器。換能器。 超聲波傳感器一般都是可逆的，既能發(fā)射也能接收發(fā)射超聲波。 高頻脈沖 發(fā)生器 高頻脈沖 發(fā)生器 壓電晶體 超聲波 GE公司的超聲波探頭 3、超聲物位測量方法、超聲物位測量方法 據(jù)傳聲介質(zhì)分據(jù)傳聲介質(zhì)分氣介式、液介式氣介式、液介式和和固介式固介式。 據(jù)探頭工作方式分據(jù)探頭工作方式分單探頭單探頭和和雙探頭雙探頭方式。方式。 第六節(jié)第六節(jié)

35、 超聲物位計超聲物位計 （1）氣介式氣介式超聲液位計超聲液位計 1 2 HLvt 特點：特點：(1) 傳播的是機械波，傳播的是機械波，速度速度V與傳播介質(zhì)的密度與傳播介質(zhì)的密度(成分、溫成分、溫 度）有關(guān)。度）有關(guān)。 (2)采用氣體作為采用氣體作為傳播介質(zhì)傳播介質(zhì)氣體密度變化大、不均勻。氣體密度變化大、不均勻。 V、L已知已知, tH B v 測量誤差大，精度低測量誤差大，精度低 測量原理示意測量原理示意 （2）液介式液介式超聲液位計超聲液位計 1 2 Hvt 采用液體作為采用液體作為傳播介質(zhì)傳播介質(zhì)，減少介質(zhì)對減少介質(zhì)對 傳播速度的影響。傳播速度的影響。 01 2/vLt 校正探頭用于測量校

36、正探頭用于測量v v： 測量探頭用于測量測量探頭用于測量H H： 活動校正具方法活動校正具方法 4. 特點特點 （1 1）可測量）可測量10-30的液位的液位,測量精度可達測量精度可達6； （2 2）由于聲波是機械能，受傳播媒介的成分、溫度的變化）由于聲波是機械能，受傳播媒介的成分、溫度的變化 引起引起V V 變化，考慮修正。變化，考慮修正。 （5 5）測量有一定的盲區(qū)）測量有一定的盲區(qū)。 （4 4）氣介：非接觸式）氣介：非接觸式。 液介：接觸式液介：接觸式。 （6 6）通過壓電晶體振動發(fā)射）通過壓電晶體振動發(fā)射 聲波，不能用于高壓聲波，不能用于高壓 （0.3MPa)0.3MPa)、負(fù)壓、高溫

37、；、負(fù)壓、高溫； （3 3）穿透能力、方向性強）穿透能力、方向性強 第七節(jié)第七節(jié) 雷達物位計雷達物位計 1. 工作原理工作原理 C電磁波傳播速度電磁波傳播速度, 300000km/s； d被測介質(zhì)液面與探頭間距；被測介質(zhì)液面與探頭間距； 測量以光速測量以光速c傳播的超高頻電磁波發(fā)射與反射間的時差傳播的超高頻電磁波發(fā)射與反射間的時差t，確，確 定天線與反射面之間的高度（空高定天線與反射面之間的高度（空高d）。）。 天線以波束的形式發(fā)射天線以波束的形式發(fā)射最小最小5.8GHz的雷達信號。的雷達信號。 特點：特點：傳播的是電磁波，傳播的是電磁波，速度速度V與介質(zhì)密度、溫度等無關(guān)。與介質(zhì)密度、溫度等無

38、關(guān)。 1 2 HLdLCt 1 2 HLdLCt 調(diào)頻連續(xù)波調(diào)頻連續(xù)波 脈沖波脈沖波 t t的測量的測量： 發(fā)射信號與反射信號頻率的發(fā)射信號與反射信號頻率的差頻差頻f，它正比于延遲時，它正比于延遲時 間間t，即正比于，即正比于d。 調(diào)頻連續(xù)波：調(diào)頻連續(xù)波：天線發(fā)射的微波是天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制頻率波線性調(diào)制的的 連續(xù)波連續(xù)波,當(dāng)回波被天線接收到時當(dāng)回波被天線接收到時,天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。 10GHz f 功耗大，須采用四線制，電子電路復(fù)雜。功耗大，須采用四線制，電子電路復(fù)雜。 1 2 HLdLCt 脈沖波：脈沖波：測量系統(tǒng)經(jīng)過天線以固定的帶寬周期地發(fā) 射某一固定

39、頻率的微波脈沖，在被測物料表面產(chǎn)生反 射后由雷達系統(tǒng)所接收。 功耗功耗小小，采用，采用兩兩線制，線制，24VDC，本安，本安。 2. 特點及適用范圍特點及適用范圍 （2）非接觸測量方式非接觸測量方式，安裝方便。，安裝方便。 （3）適用于）適用于高粘度、易結(jié)晶、強腐蝕及易爆易燃介質(zhì)。高粘度、易結(jié)晶、強腐蝕及易爆易燃介質(zhì)。尤其大尤其大 型立罐和球罐型立罐和球罐等等導(dǎo)電導(dǎo)電粘稠介質(zhì)液位測量。粘稠介質(zhì)液位測量。 （1）測量精度比超聲液位計高，可達）測量精度比超聲液位計高，可達0.25級，或級，或1mm; 氣體壓力、溫度波動變化不影響電磁波傳播速度。氣體壓力、溫度波動變化不影響電磁波傳播速度。 （4）測

40、量范圍大：）測量范圍大：040m。 （6）價格比超聲式貴（測量電路難度大）價格比超聲式貴（測量電路難度大） （5 5）穿透能力、方向性比超聲差）穿透能力、方向性比超聲差 （7）介電常數(shù)介電常數(shù)1.4：介質(zhì)對微波介質(zhì)對微波反射能力反射能力與介電常數(shù)與介電常數(shù)有關(guān)有關(guān) 對于介電常數(shù)小或泡沫對于介電常數(shù)小或泡沫 為了消除有可能因容器的形狀而導(dǎo)致多重回波所產(chǎn)生的干擾影 響，或是在測量相對介電常數(shù)較小的介質(zhì)波面時，用來提高反 射回波能量，以確保測量準(zhǔn)確度。 導(dǎo)波雷達導(dǎo)波雷達 1 t 2 t 界面測量的要求：上層介質(zhì)的相對介電常數(shù)需顯著小于下層 介質(zhì)的相對介電常數(shù)（1/10），如果兩種介質(zhì)的相對介電常 數(shù)

41、無顯著差異的話，將無法正確測量界面。 磁致伸縮液位計磁致伸縮液位計 測量原理 低壓電流脈沖，低壓電流脈沖， 開始計時開始計時 電脈沖（“詢問脈沖”）伴隨一 個環(huán)形磁場以光速向前傳遞，當(dāng) 該環(huán)形磁場遇到浮子中永久磁鐵 的縱向磁場時，將產(chǎn)生超聲扭轉(zhuǎn) 波返回（“返回脈沖”） 脈沖速度已知，測出“詢問脈 沖”和“返回脈沖” 的時間差， 確定浮子的精確位置。 H=v t2830m/sv 磁致伸縮液位計磁致伸縮液位計 （1）測量高，1mm 特點：特點： （2）可同時測量兩種不同液體 之間的界位測量。 （3）不適合高粘度、重油。 （4）介質(zhì)密度也影響精度。 放射性同位素能放射出放射性同位素能放射出、和和射線射線，透射某些物質(zhì)。，透射某些物質(zhì)。 透射強度隨通過介質(zhì)厚度的增加而減弱。透射強度隨通過介質(zhì)厚度的增加而減弱。 I =I0 e-H 介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)；介質(zhì)對射線的吸收系數(shù)； H 介質(zhì)層的厚度；介質(zhì)層的厚度； I 穿過介質(zhì)后的射線強度。穿過介質(zhì)后的射線強度。 放射源選定，被測介質(zhì)不變時，放射源選定，被測介質(zhì)不變時，I0 與與均為常數(shù)。均為常數(shù)。 1. 工作原理工作原理 氣液固 射線可穿透幾十厘米鋼板。射線可穿透幾十厘米鋼板。 Iln 1 Iln 1 H 0 放射源大