傳感器與檢測技術周杏鵬清華大學出版社(11)

1、第十一章第十一章 物位檢測技術物位檢測技術物位檢測包括液位、料位和相界面位置液位、料位和相界面位置的檢測。它一般是液位液位指液體表面位置，液面一般是水平的，但在有些情況下可能有沸騰或起泡。料位料位指容器中固體粉料或顆粒的堆積高度的表面位置，一般固體物料在自然堆積時料面是不平的。相界面相界面指同一容器中互不相溶的兩種物質在靜止或擾動不大時的分界面，包括液液相界面、液固相界面等，相界面檢測的難點在于界面分界不明顯或存在混濁段。 11.1 11.1 液位檢測液位檢測 11.2 11.2 物位檢測物位檢測11.3 11.3 相界面的檢測相界面的檢測11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選

2、用 液位檢測總體上可分為液位檢測總體上可分為直接檢測直接檢測和和間接檢間接檢測測兩種方法，由于測量狀況及條件復雜多兩種方法，由于測量狀況及條件復雜多樣，因而往往采用間接測量，即將液位信樣，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉化為其它相關信號進行測量，如號轉化為其它相關信號進行測量，如壓力壓力法、浮力法、電學法、熱學法法、浮力法、電學法、熱學法等。等。 11.1.1 力學法檢測液位11.1.2 電學與電磁法檢測液位11.1.3 聲學與光學法檢測液位11.1.4 其它液位檢測技術 由于液體對容器底面產生的靜壓力與液位高度成正比， 對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關系： gPH3/

3、mkg1. 1. 壓力法檢測液位壓力法檢測液位 壓力法依據液體重量所產生的壓力進行測量。壓力法依據液體重量所產生的壓力進行測量。式中，被測液體的密度( )。用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計如圖11-1 2.2.浮力法檢測液位浮力法檢測液位浮力法測液位是依據力平衡原理浮力法測液位是依據力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時能夠浮于液面。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。 浮子式液位計按浮子形狀不同，可分為浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等；按機構不同可分為鋼帶式、杠桿鋼帶式、杠桿式式等。（1）鋼帶浮子式液位計圖11-2為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單

4、的液位計，一般只能就地顯示。平衡時，浮子重量與鋼帶拉力之差W與浮力相平衡：hDgW42HhH當液位變化 時，浮子浸入深度 應保持不變才能使測量準確，但由于摩擦等因素，浮子不會馬上跟隨動作，它的浸入深度的變化量為 ，所受浮力變化量: HDgF42克服了摩擦力克服了摩擦力 fr后浮子才會開始動作，這就是后浮子才會開始動作，這就是儀表不靈敏區(qū)的產生原因。儀表不靈敏區(qū)的產生原因。由此可見由此可見靈敏度與浮子直徑有關，適當增大浮子直徑，靈敏度與浮子直徑有關，適當增大浮子直徑，會使相同摩擦情況下浮子的浸入深度變化量會使相同摩擦情況下浮子的浸入深度變化量減小，靈敏度提高，從而提高測量精度減小，靈敏度提高，從

5、而提高測量精度24DgFHfHr可知可知（2）浮筒式液位計浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。圖11-3為浮筒式液位計原理圖 圖11-3所示的液位計是用彈簧平衡浮力，用差動變壓器測量浮筒位移，平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即GgAHkx當液位發(fā)生變化時有 GxHHgAxxk兩式相減得 xgAkH1由此可見由此可見液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測量，既可就地指示，也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進行遠傳控制。 鋼帶浮子式液位計實物圖浮筒式液位計實物圖1 1電學法檢測

6、液位電學法檢測液位電學法按工作原理不同又可分為電學法按工作原理不同又可分為用電學法測量無摩擦件和可動部件，信號轉換、傳送方便，便于遠傳，工作可靠，且輸出可轉換為統一的電信號，與電動單元組合儀表配合使甩，可方便地實現液位的自動檢測和自動控制。 （1）電阻式液位計 電阻式液位計既可進行定點液位控制，也可進行連續(xù)測量。電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。 圖11-4為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖 整個傳感器電阻為 hKKhAHAhHAR21222該傳感器的材料、結構與尺寸確定后，K1、K2均為常數，電阻大小與液位高度成正比。電阻的測量可用圖中的電橋電路完成

7、。 優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點結構和線路簡單，測量準確，通過在與測量臂相鄰的橋臂中串接溫度補償電阻可以消除溫度變化對測量的影響。如極棒表面生銹、極化等，另外，介質腐蝕性將會影響電阻棒的電阻大小，這些都會使測量精度受到影響。（2）電感式液位計電感式液位計利用，液位變化引起線圈電感變化，感應電流也發(fā)生變化。電感式液位計。 圖11-5為電感式液位控制器的原理圖 電感式液位計由于浮子與介質電感式液位計由于浮子與介質接觸。因此不宜于測量易結垢、接觸。因此不宜于測量易結垢、腐蝕性強的液體及高粘度漿液。腐蝕性強的液體及高粘度漿液。（3）電容式液位計電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小電容式液位計利用液位高

8、低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。的原理進行測量。適用范圍非常廣泛，對介質本身性質的要求不象其它方法那樣嚴格，對導電介質導電介質和非導電介質非導電介質都能測量，還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。電容式液位計的結構形式很多，有等等。檢測原理檢測原理在液位的連續(xù)測量中，多使用同心圓柱式電容器，如圖11-6所示。同心圓柱式電容器的電容量dDLCln2液位變化引起等效介電常數變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計的檢測原理。 安裝形式安裝形式電容式液位計的安裝形式因被測介質性質不同而稍有差別，圖11-7為用來測量導電介質的單電極電容液位

9、計 HdDCxln2電容變化量與液位高度成正比 圖11-8為用于測量非導電介質的同軸雙層電極電容式液位計 HdDCCCxln200電容變化量與液位高度成正比；金屬套與內電極間絕緣層越薄，液位計靈敏度就越高。2.2.電磁學法檢測液位電磁學法檢測液位磁致伸縮液位計原理圖磁致伸縮液位計的構成：磁致伸縮液位計的構成：探測桿，電路單元，浮子磁致伸縮液位計的具磁致伸縮液位計的具體測量原理體測量原理磁致伸縮液位JC3010系列特點：高穩(wěn)定、高可靠、高精度可測液位、可測界面也可測溫度和密度防腐、防爆長壽命、免維護、運行成本低安裝方便、標定簡單（按鈕操作、無須液位升降）技術參數測量范圍：測量范圍： 硬桿 06m

10、 軟纜 022m精精 度：度： 0.01% 或 1mm分分 辨辨 率：率： 0.1mm供供 電：電： 24VDC輸輸 出：出： 模擬輸出：二線制或三線制420mA 數字輸出：RS485溫度檢測：溫度檢測： 15個介質密度：介質密度： 0.4g/cm3介質溫度：介質溫度： 常溫型 40100 ，高溫型 0280介質壓力：介質壓力： 10MPa環(huán)境條件：環(huán)境條件： 溫度 2070 ，相對濕度95%1. 1. 聲學法檢測液位聲學法檢測液位超聲波液位計是利用波在介質中的傳播特性超聲波液位計是利用波在介質中的傳播特性，超聲波在傳播中遇到相界面時，一部分反射回來，另一部分則折射入相鄰介質中。當由氣體傳播到

11、液體或固體中，或者由固體、液體傳播到空氣中時，由于介質密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射。 超聲波液位計按傳聲介質不同，可分為氣介式氣介式、液介式液介式和固介式固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭自發(fā)自收的單探頭方式方式和收發(fā)分開的雙探頭方式收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。圖7-17為單探頭超聲波液位計。其中(a)為氣介式，(b)為液介式。(c)為固介式。 單探頭液位計使用一個換能器，由控制電路控制它分時交替作發(fā)射器與接收器。雙探頭式則使用兩個換能器分別作發(fā)射器和接收器。 由圖11-10看出，超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時間為t ，則：tCL21

12、L是與液位有關的量，故測出t便可知液位， t的測量一般是用接收到的信號觸發(fā)門電路對振蕩器的脈沖進行計數來實現。超聲波液位測量的優(yōu)點：(2)超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質粘度、濕度、介電常數、電導率、熱導率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；(1)與介質不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長；(4)能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。(3)不僅可進行連續(xù)測量和定點測量，還能方便地提供遙測或遙控信號；但超聲波儀器結構復雜，價格相對昂貴，而且有些物質對超聲波有強烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時要充分

13、考慮液位測量的具體情況和條件。 2. 2. 光學法檢測液位光學法檢測液位激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點，使測量精度大為提高。激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。 圖7-18為反射式液位檢測原理圖 不同物質對同位素射線的吸收能力不同，一般不同物質對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。固體最強，液體次之，氣體最差。 當射線射入厚度為H的介質時，會有一部分被介質吸收掉。透過介質的射線強度I與入射強度I0之間有如下關系：式中 吸收系數，條件固定時為常數。變形為： 因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的

14、變化量來實現。 HeII0IIHlnln101射線法液位檢測技術射線法液位檢測技術 核幅射式液位計由輻射源、接收器和測量儀表組成。 輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測容器的一側。接收器與前置放大器裝在一起，安裝在被測容器另一側， 射線由蓋革計數管吸收，每接收到一個 粒子，就輸出一個脈沖電流。射線越強，電流脈沖數越多，經過積分電路變成與脈沖數成正比的積分電壓，再經電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關的電流輸出。 圖11-22所示為輻射源與接收器均是為固定安裝方式的核幅射液位計。其中 (a)為長輻射源和長接收器形式，輸出線性度好； (b) 為點輻射源和點接收器形式，輸出線性度較

15、差。 2 2溫差法液位檢測技術溫差法液位檢測技術主要原理：兩種不同物理狀態(tài)的物質間會存在溫度場（如氣體與液體之間）。在同一溫度場內的亮點可以認為溫差近似為零，或者低于某一臨界值，而不同溫度場中的兩點則會存在較大的溫差，顯著高于某一臨界值。此時通過判斷溫度差即可判斷出液面的位置。 測溫法液位計原理圖如圖11-23所示 測溫法液位計主要由溫度傳感器、信號處理電路和液位顯示電路構成。一般在液體容器壁表面的上下方向安裝兩個以上溫度傳感器，由信號處理電路采集溫度傳感器信號并比較各相鄰傳感器的溫度差，根據設定的臨界值即可判斷出當前的液位。 11.1 11.1 液位檢測液位檢測 11.2 11.2 物位檢測

16、物位檢測11.3 11.3 相界面的檢測相界面的檢測11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選用 11.2.1 重錘探測與稱重法檢測料位11.1.2 電磁法檢測料位11.1.3 聲學法檢測料位重錘探測法原理示意圖如圖11-24所示 重錘連在與電機相連的鼓輪上，電機發(fā)訊使重錘在執(zhí)行機構控制下動作，從預先定好的原點處靠自重開始下降，通過計數或邏輯控制記錄重錘下降的位置；當重錘碰到物料時，產生失重信號，控制執(zhí)行機構停轉反轉，使電機帶動重錘迅速返回原點位置。 1.重錘法重錘法一定容積的容器內，物料重量與料位高度應當是成比例的，因此可用稱重傳感器或測力傳感器測算出料位高低。圖11-25為稱重

17、式料位計的原理圖。2.稱重法稱重法1. 1. 電阻式物位計電阻式物位計測量原理示意圖如圖11-26所示 兩支或多支用于不同位置控制的電極置于儲料容器中作為測量電極，金屬容器壁作為另一電極。測量時物料上升或下降至某一位置時，即與相應位置上的電極接通或斷開，使該路信號發(fā)生器發(fā)出報警或控制信號。 2. 2. 電容式料位計電容式料位計電容式料位計測量原理示意圖如圖11-27所示 其應用非常廣泛，不僅能測不同性質的液體，而且還能測量不同性質的物料，如塊狀、顆粒狀、粉狀、導電性、非導電性等物料。但是由于固體摩擦力大，容易“滯留”，產生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。 設輔助電極長L0

18、，它相對于料位為零時的電容變化量 為 ：000ln2LdDCL 0LC電容式料位計在測量時，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質時，會引起介電常數變化，產生測量誤差。為了消除這一介質因素引起的測量誤差，。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。 主電極的電容變化量為 ，則有： xC00LHCCLx由于L0是常數，因此料位變化僅與兩個電容變化量之比有關，而介質因素波動所引起的電容變化對主電極與輔助電極是相同的，相比時被抵消掉，從而起到誤差補償作用。由音叉、壓電元件及電子線路等組成。音叉由壓電元件激振，以一定頻率振動，當料位上升至觸及音叉時，音叉振幅及頻率急劇衰減甚至停振，電子線路

19、檢測到信號變化后向報警器及控制器發(fā)出信號。圖11-28為音叉式料位信號器原理圖1.聲學法聲學法11.1 11.1 液位檢測液位檢測 11.2 11.2 物位檢測物位檢測11.3 11.3 相界面的檢測相界面的檢測11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選用 相界面的檢測包括液-液相界面、液-固相界面的檢測。 液-液相界面檢測與液位檢測相似，因此各種液位檢測方法及儀表(如壓力式液位計、浮力式液位計、反射式激光液位計等等)都可用來進行液-液相界面的檢測。 液-固相界面的檢測與料位檢測更相似，因此通常重錘探測式、遮斷式激光料位計或料位信號器也同樣可用于液-固相界面的檢測控制。 油水相界面

20、檢測主要是指測量油和水混合后靜態(tài)分界面，分段式電容傳感器在線檢測方法是基于油水導電特性的差異設計的一種油水界面檢測儀，可以顯示出罐內水位的動態(tài)變化利用等結構物理電極把整個測量范圍分成各個小層，而每個層而對應著固定的空間高度，逐層測量電容值。如果測量的是同一介質，各段采集的數字量應該一致或接近，反之則有較大差異，利用該現象可以判斷出介質分界面的層段，然后就能計算出界面或液面高度。分段式電容油水相界面的測量圖11-29是一個十段式分段電容傳感器結構簡圖及等效電容圖 從上至下等效為十個電容C1C10。從圖中可以看出，C1C6中都是同一種介質原油，C8, C9和C10中也是同一種介質水，只有C7中有原油和水兩種介質，由于各段電容長度、內徑和外徑都相等C1 C8的電容值是需要經過測量才能得到的，我們就可以判斷出C8、C9和C10充滿的是介質水，C1C4充滿的