傳感器與檢測課件cgq11物位檢測技術(shù)液位

第十一章

物位檢測技術(shù)1精品PPT|實用可編輯第一頁，共五十八頁。概述物位檢測包括液位、料位和相界面位置的檢測。它一般是以容器口為起點，測量物料相對起點的位置。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。相界面指同一容器中互不相溶的兩種物質(zhì)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。2精品PPT|實用可編輯第二頁，共五十八頁。11.1液位檢測

11.2物位檢測11.3相界面的檢測11.4物位儀表分類與選用

3精品PPT|實用可編輯第三頁，共五十八頁。11.1液位檢測方法

液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法，由于測量狀況及條件復(fù)雜多樣，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號進(jìn)行測量，如壓力法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法等。

4精品PPT|實用可編輯第四頁，共五十八頁。11.1.1力學(xué)法檢測液位11.1.2電學(xué)與電磁法檢測液位11.1.3聲學(xué)與光學(xué)法檢測液位11.1.4其它液位檢測技術(shù)11.1液位檢測方法5精品PPT|實用可編輯第五頁，共五十八頁。

由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。

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(guān)系：

11.1.1力學(xué)法檢測液位1.壓力法檢測液位

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。式中，——被測液體的密度()。6精品PPT|實用可編輯第六頁，共五十八頁。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

1.壓力法檢測液位7精品PPT|實用可編輯第七頁，共五十八頁。配色花哨文字多套用模板套用模板邏輯不清內(nèi)容空洞太土太雜太亂太繁“”精品PPT·實用可編輯第八頁，共五十八頁。2.浮力法檢測液位11.1.1力學(xué)法檢測液位

浮力法測液位是依據(jù)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。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時，浮子就會跟隨液面上下移動。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、浮筒式等等；按機構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿式等。9精品PPT|實用可編輯第九頁，共五十八頁。（1）鋼帶浮子式液位計圖11-2為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。2.浮力法檢測液位10精品PPT|實用可編輯第十頁，共五十八頁。(1)鋼帶浮子式液位計平衡時，浮子重量與鋼帶拉力之差W與浮力相平衡：當(dāng)液位變化時，浮子浸入深度應(yīng)保持不變才能使測量準(zhǔn)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:

克服了摩擦力fr后浮子才會開始動作，這就是儀表不靈敏區(qū)的產(chǎn)生原因。11精品PPT|實用可編輯第十一頁，共五十八頁。由此可見靈敏度與浮子直徑有關(guān)，適當(dāng)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減小，靈敏度提高，從而提高測量精度(1)鋼帶浮子式液位計可知12精品PPT|實用可編輯第十二頁，共五十八頁。（2）浮筒式液位計浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當(dāng)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2.浮力法檢測液位13精品PPT|實用可編輯第十三頁，共五十八頁。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。即當(dāng)液位發(fā)生變化時有兩式相減得（2）浮筒式液位計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(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。14精品PPT|實用可編輯第十四頁，共五十八頁。鋼帶浮子式液位計實物圖浮筒式液位計實物圖2.浮力法檢測液位15精品PPT|實用可編輯第十五頁，共五十八頁。11.1.2電學(xué)與電磁法檢測液位1．電學(xué)法檢測液位電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。用電學(xué)法測量無摩擦件和可動部件，信號轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號，與電動單元組合儀表配合使甩，可方便地實現(xiàn)液位的自動檢測和自動控制。16精品PPT|實用可編輯第十六頁，共五十八頁。（1）電阻式液位計電阻式液位計既可進(jìn)行定點液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測量。定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。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1.電學(xué)法檢測液位17精品PPT|實用可編輯第十七頁，共五十八頁。整個傳感器電阻為

該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，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。（1）電阻式液位計優(yōu)點缺點結(jié)構(gòu)和線路簡單，測量準(zhǔn)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(zhì)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。18精品PPT|實用可編輯第十八頁，共五十八頁。（2）電感式液位計電感式液位計利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。電感式液位計既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行液位定點控制。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(zhì)接觸。因此不宜于測量易結(jié)垢、腐蝕性強的液體及高粘度漿液。1.電學(xué)法檢測液位19精品PPT|實用可編輯第十九頁，共五十八頁。（3）電容式液位計1.電學(xué)法檢測液位電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量。適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)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(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等等。20精品PPT|實用可編輯第二十頁，共五十八頁。①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液位變化引起等效介電常數(shù)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。（3）電容式液位計21精品PPT|實用可編輯第二十一頁，共五十八頁。②安裝形式電容式液位計的安裝形式因被測介質(zhì)性質(zhì)不同而稍有差別，圖11-7為用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計電容變化量與液位高度成正比（3）電容式液位計22精品PPT|實用可編輯第二十二頁，共五十八頁。圖11-8為用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計電容變化量與液位高度成正比；金屬套與內(nèi)電極間絕緣層越薄，液位計靈敏度就越高。（3）電容式液位計23精品PPT|實用可編輯第二十三頁，共五十八頁。2.電磁學(xué)法檢測液位磁致伸縮液位計原理圖11.1.2電學(xué)與電磁法檢測液位磁致伸縮液位計的構(gòu)成：探測桿，電路單元，浮子磁致伸縮液位計的具體測量原理24精品PPT|實用可編輯第二十四頁，共五十八頁。擴展閱讀磁致伸縮液位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(hù)、運行成本低安裝方便、標(biāo)定簡單（按鈕操作、無須液位升降）25精品PPT|實用可編輯第二十五頁，共五十八頁。擴展閱讀技術(shù)參數(shù)測量范圍：硬桿0～6m

軟纜0～22m精度：

±0.01%或±1mm分辨率：

±0.1mm供電：

24VDC輸出：模擬輸出：二線制或三線制4—20mA

數(shù)字輸出：RS485溫度檢測：

1～5個介質(zhì)密度：

≥0.4g/cm3介質(zhì)溫度：常溫型—40℃～100℃

，高溫型0℃～280℃介質(zhì)壓力：

≤10MPa環(huán)境條件：溫度—20℃～70℃

，相對濕度＜95%26精品PPT|實用可編輯第二十六頁，共五十八頁。11.1.3聲學(xué)與光學(xué)法檢測液位1.聲學(xué)法檢測液位超聲波液位計是利用波在介質(zhì)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(zhì)中。當(dāng)由氣體傳播到液體或固體中，或者由固體、液體傳播到空氣中時，由于介質(zhì)密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射。在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。27精品PPT|實用可編輯第二十七頁，共五十八頁。

超聲波液位計按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(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。1.聲學(xué)法檢測液位28精品PPT|實用可編輯第二十八頁，共五十八頁。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Δt

，則：L是與液位有關(guān)的量，故測出Δt便可知液位，Δt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(jìn)行計數(shù)來實現(xiàn)。1.聲學(xué)法檢測液位29精品PPT|實用可編輯第二十九頁，共五十八頁。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(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)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(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格相對昂貴，而且有些物質(zhì)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考慮液位測量的具體情況和條件。1.聲學(xué)法檢測液位30精品PPT|實用可編輯第三十頁，共五十八頁。2.光學(xué)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11.1.3聲學(xué)與光學(xué)法檢測液位31精品PPT|實用可編輯第三十一頁，共五十八頁。11.1.4其它液位檢測技術(shù)

不同物質(zhì)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。當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強度I與入射強度I0之間有如下關(guān)系： 式中—吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為：

因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。

1．射線法液位檢測技術(shù)32精品PPT|實用可編輯第三十二頁，共五十八頁。

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(cè)。

接收器與前置放大器裝在一起，安裝在被測容器另一側(cè)，射線由蓋革計數(shù)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(shù)越多，經(jīng)過積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓，再經(jīng)電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關(guān)的電流輸出。1.射線法液位檢測技術(shù)33精品PPT|實用可編輯第三十三頁，共五十八頁。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，輸出線性度較差。1.射線法液位檢測技術(shù)34精品PPT|實用可編輯第三十四頁，共五十八頁。2．溫差法液位檢測技術(shù)11.1.4其它液位檢測技術(shù)主要原理：兩種不同物理狀態(tài)的物質(zhì)間會存在溫度場（如氣體與液體之間）。在同一溫度場內(nèi)的亮點可以認(rèn)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。35精品PPT|實用可編輯第三十五頁，共五十八頁。測溫法液位計原理圖如圖11-23所示2.溫差法液位檢測技術(shù)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(gòu)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(jù)設(shè)定的臨界值即可判斷出當(dāng)前的液位。36精品PPT|實用可編輯第三十六頁，共五十八頁。11.1液位檢測

11.2物位檢測11.3相界面的檢測11.4物位儀表分類與選用

37精品PPT|實用可編輯第三十七頁，共五十八頁。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(xué)法檢測料位11.2料位檢測38精品PPT|實用可編輯第三十八頁，共五十八頁。11.2.1重錘探測與稱重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(gòu)控制下動作，從預(yù)先定好的原點處靠自重開始下降，通過計數(shù)或邏輯控制記錄重錘下降的位置；當(dāng)重錘碰到物料時，產(chǎn)生失重信號，控制執(zhí)行機構(gòu)停轉(zhuǎn)——反轉(zhuǎn)，使電機帶動重錘迅速返回原點位置。1.重錘法39精品PPT|實用可編輯第三十九頁，共五十八頁。一定容積的容器內(nèi)，物料重量與料位高度應(yīng)當(dāng)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為稱重式料位計的原理圖。11.2.1重錘探測與稱重法檢測料位2.稱重法40精品PPT|實用可編輯第四十頁，共五十八頁。11.2.2電磁法檢測料位1.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(yīng)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。41精品PPT|實用可編輯第四十一頁，共五十八頁。2.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(yīng)用非常廣泛，不僅能測不同性質(zhì)的液體，而且還能測量不同性質(zhì)的物料，如塊狀、顆粒狀、粉狀、導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性等物料。但是由于固體摩擦力大，容易“滯留”，產(chǎn)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。11.2.2電磁法檢測料位42精品PPT|實用可編輯第四十二頁，共五十八頁。

設(shè)輔助電極長L0，它相對于料位為零時的電容變化量為：

2.電容式料位計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(zhì)時，會引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測量誤差，一般將一根輔助電極始終埋入被測物料中。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。43精品PPT|實用可編輯第四十三頁，共五十八頁。

主電極的電容變化量為，則有：

2.電容式料位計由于L0是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)—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。44精品PPT|實用可編輯第四十四頁，共五十八頁。11.2.3聲學(xué)法檢測料位由音叉、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(dāng)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(xué)法45精品PPT|實用可編輯第四十五頁，共五十八頁。11.1液位檢測

11.2物位檢測11.3相界面的檢測11.4物位儀表分類與選用

46精品PPT|實用可編輯第四十六頁，共五十八頁。相界面的檢測包括液-液相界面、液-固相界面的檢測。11.3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(jìn)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。47精品PPT|實用可編輯第四十七頁，共五十八頁。11.3.1分段式電容法檢測油水相界面油水相界面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(dǎo)電特性的差異設(shè)計的一種油水界面檢測儀，可以顯示出罐內(nèi)水位的動態(tài)變化利用等結(jié)構(gòu)物理電極把整個測量范圍分成各個小層，而每個層而對應(yīng)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(zhì)，各段采集的數(shù)字量應(yīng)該一致或接近，反之則有較大差異，利用該現(xiàn)象可以判斷出介質(zhì)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48精品PPT|實用可編輯第四十八頁，共五十八頁。圖11-29是一個十段式分段電容傳感器結(jié)構(gòu)簡圖及等效電容圖從上至下等效為十個電容C1~C10。從圖中可以看出，C1~C6中都是同一種介質(zhì)原油，C8,C9和C10中也是同一種介質(zhì)水，只有C7中有原油和水兩種介質(zhì)，由于各段電容長度、內(nèi)徑和外徑都相等11.3.1分段式電容法檢測油水相界面49精品PPT|實用可編輯第四十九頁，共五十八頁。C1~C8的電容值是需要經(jīng)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(zhì)水，C1~C4充滿的是介質(zhì)原油，C1中充入的是原油但沒有充滿，C7中充有原油和水兩種介質(zhì)，也就是說原油與水的分界面在C7段電容傳感器中，由于每個傳感器的高度都為L0，由圖7-26很容易得到油水界面高度為：可以得出：C1<C2=C3=C4=C5=C6<C7<C8=C9=C10H=3L0+Lx

11.3.1分段式電容法檢測油水相界面50精品PPT|實用可編輯第五十頁，共五十八頁。精品PPT·收集整理第五十一頁，共五十八頁。11.3.2超聲波檢測液-液相界面利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及在不同密度液體相界面之間的反射特性來檢測液-液相界面。圖11-30液介式超聲波液-液相界面測量示意圖。52精品PPT|實用可編輯第五十二頁，共五十八頁。超聲波探頭激勵與接收信號波形如圖所示11.3.2超聲波檢測液-液相界面53精品PPT|實用可編輯第五十三頁，共五十八頁。PPT內(nèi)容概述第十一章

物位檢測技術(shù)。壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。平衡時，浮子重量與鋼帶拉力之差W與浮力相平衡：。定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。在容器底部或頂部安裝