測控傳感器第4章液位、液體重量和體積側(cè)量.ppt

1、11,第4章液位、液體重量和體積側(cè)量,概述,物質(zhì)的量可以用液位、液體體積、重量或力的形式來表示,它們之間都相互關(guān)聯(lián) 。 線性刻度可以估測位于兩刻度線之間的液面，容器的直徑已知時，其標(biāo)定的刻度位置就可以計(jì)算出來。 液體的密度隨著溫度變化而變化。通常隨著溫度增加，液體會膨脹而使其密度變小。 液位和液體的物理參數(shù)可能與質(zhì)量有關(guān)，因此也與力和重量有關(guān),4.1液位測量,4.1.1 可視玻璃管,玻璃管液位計(jì)是一種直讀式液位測量儀表。 適用于工業(yè)生產(chǎn)過程中一般貯液設(shè)備中的液體位置的現(xiàn)場檢測。 其結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確，是傳統(tǒng)的現(xiàn)場液位測量工具。 液位計(jì)兩端各裝有一個針形閥，當(dāng)玻璃管發(fā)生意外事故而破碎時，針形閥在

2、容器壓力作用下自動關(guān)閉，以防容器內(nèi)介質(zhì)繼續(xù)外流,測量范圍 300、500、600、 800、1000、1200、1400、1700、2000mm工作壓力：1.6MPa材質(zhì)：碳鋼、不銹鋼工作溫度：200連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)：HGJ46-91 PN1.6 DN20突面 其它法蘭標(biāo)準(zhǔn)如JB/T、GB、ANSI等，請用戶注明。 伴熱蒸汽壓力：0.6MPa蒸汽夾套接頭：G1/2外螺紋鋼球自封壓力：0.2MPa,主要技術(shù)指標(biāo),玻璃管液位計(jì)測量結(jié)果的精確度取決于讀數(shù)者的經(jīng)驗(yàn)水平及玻璃管標(biāo)定刻度的精確度。 容器中液體的種類和可視玻璃管的直徑也會影響測量的精度。 可視玻璃管用在精確度要求不高的測量中，例如在石油儲罐和家

3、用熱水器中,玻璃管液位計(jì)的特點(diǎn),4.1.2液位標(biāo)尺,也被稱為油標(biāo)尺。 液位標(biāo)尺是標(biāo)定好刻度的細(xì)棒。 把液位標(biāo)尺垂直地插入容器內(nèi)，以便它的下端投入液面以下。 從液體容器中取出油尺時，一些液體會粘附著在液面標(biāo)尺上，從而根據(jù)油液痕跡從刻度上讀出液面高度。 液位標(biāo)尺僅用于現(xiàn)場測量，在實(shí)際測量過程中必須取出液位標(biāo)尺才能讀數(shù),4.1.3 液位浮子表,液位浮子表有兩種常見的形式即平衡重式和電子控制式,平衡重式液位浮子表 浮子隨著液面位置的變化而運(yùn)動，并傳送給指針，表盤刻度是以體積或質(zhì)量的形式來標(biāo)定的。 精確的讀數(shù)可以得到，但其精確度取決于刻線長度以及刻度分度值的精度,浮子被設(shè)計(jì)成隨液面位置而升降的形式 當(dāng)液

4、位變化時，浮子的運(yùn)動導(dǎo)致電位計(jì)指針沿著表盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一個角位移。 電位器電阻的改變，產(chǎn)生一個與液位相對應(yīng)的電壓讀數(shù),電子控制式液位浮子表,4.1.4 電容式液位計(jì),變介質(zhì)型電容式傳感器,圓柱形電容器的初始電容為,電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。 設(shè)C1為液體有效高度hx形成的電容，C2為空氣高度（h-hx）形成的電容，則,由于C1和C2為并聯(lián)，所以總電容為,可見，電容C理論上與液面高度hx成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位高度,為什么電容式液位計(jì)不適用于測量某些液體的液位，例知：(a)水銀，(b)硫酸銅溶液,4.1.5 導(dǎo)電式液位計(jì),是通過測量導(dǎo)電液體電阻的變

5、化側(cè)量液面的一種儀器，其工作原理與電容表相似。 傳感器兩極板間的電阻隨著液位變化而變化，并以適當(dāng)?shù)膯挝粊順?biāo)定，從而用來作為液位或液體量的測量。 使用導(dǎo)電式液位計(jì)時，腐蝕、泄露和被測液體的導(dǎo)電性是需要考慮的重要因素。 環(huán)境溫度的變化，將影響液體的導(dǎo)電性和測量系統(tǒng)。 若探針未被覆蓋住，兩個探針的尖端之間將會出現(xiàn)電弧放電(弧光)，因此不適合測易燃性液體,4.1.6 超聲波液位計(jì),1 超聲波的傳輸特性 人耳能夠聽到的機(jī) 械波，頻率在16Hz20kHz之間，稱為聲波,人耳聽不到的機(jī)械波，頻率高于20kHz的稱為超聲波,頻率在310831011 Hz之間的稱為微波,超聲波可分為縱波、橫波和表面波,質(zhì)點(diǎn)的振

6、動方向和波的傳播方向一致的稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播,質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方面相垂直的稱為橫波，它只能在固體中傳播,質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波和縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的稱為表面波。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)密度、介質(zhì)的彈性系數(shù)及波型。在同一固體中橫波聲速為縱波聲速的一半左右，而表面波聲速又低于橫波聲速。當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中傳播，或者從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，遵循如下一些規(guī)律,3) 超聲波的反射與折射：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，會發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律入射角的正弦與反射

7、角的正弦之比等于入射波速與反射波速之比；入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波速與折射波速之比,4) 超聲波的波形轉(zhuǎn)換：若選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣?，使縱波全反射，那么在折射中只有橫波出現(xiàn)；如果橫波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在,2 超聲波換能器 能將(交流)電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動而向介質(zhì)中輻射(發(fā)射)超聲波，或?qū)⒊晥鲋械臋C(jī)械振動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的裝置稱為超聲波換能器(或稱為探測器、傳感器、探頭)。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,超聲波探頭最常用的是壓電式探頭。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片,超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括 工作頻率。工作頻

8、率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 (2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。 (3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之則靈敏度低,3 超聲波液位計(jì),換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。 超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。 距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表

9、示：S=CxT/2,圖所示為一個典型的超聲波液位儀。 當(dāng)向液體發(fā)射超聲脈沖波時，其中有一小部分被液面反射回來，其余的被液體容器的底面反射。 兩種反射的脈沖的時間差直接與被測物體的深度有關(guān)，并且這個深度可以按人們期望的形式(深度或體積)標(biāo)定并顯示。 顯示在屏幕上，或其他基于時間的顯示或記錄裝置上,4.1.7 氣泡式液位計(jì),吹泡式液位計(jì)是應(yīng)用靜壓原理測量敞口容器液位。 壓縮空氣經(jīng)過過濾減壓閥后，再經(jīng)定值器輸出一定的壓力，經(jīng)節(jié)流元件后分兩路,一路進(jìn)到安裝在容器內(nèi)的導(dǎo)管，由容器底部吹出；另一路進(jìn)入壓力計(jì)進(jìn)行指示。 當(dāng)液位最低時，氣泡吹出沒有阻力，背壓力零，壓力計(jì)指零；當(dāng)液位增高時，氣泡吹出要克服液柱的

10、靜壓力，背壓增加，壓力指示增大。 背壓即壓力計(jì)指示的壓力大小，就反映了液面的高低。 吹泡式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于測量具有腐蝕性、粘度大和含有懸浮顆粒的敞口容器的液位，但精度較低,4.1.8 壓力式液位計(jì),測量液體重量或液面高度的同時還要求以電信號形式輸出，就可以用壓力式液位計(jì)。最典型的應(yīng)用是壓敏電阻傳感器。 在壓力式液位計(jì)中，被側(cè)壓力將使一個膜片產(chǎn)生變形，這種膜片的變形經(jīng)過壓敏電阻傳感器給出一個與壓強(qiáng)對應(yīng)的電信號。 壓力式液位計(jì)放置在將要被測量液體深度的容器里，液體的液面高度的任何變化都會使傳感器產(chǎn)生一個與之成比例變化的輸出信號。 壓強(qiáng)為 P=gh 則液面高度為 h=P/g,式中：-液體

11、的密度，單位為kg/m3 g-重力加速度 ,單位為m/s2 h-液體的高度 ,單位為m,可以看出，由于液體的密度和重力加速度g均為常數(shù)，對于一個給定橫截面尺寸的容器來說，液面高度h與壓強(qiáng)P成正比,4.2 重量或力的測量,4.2.1 測力傳感器,測力傳感器是一種通常利用應(yīng)變片測量未知力(有時稱為負(fù)載)或質(zhì)量的傳感器。 電阻值為定值的傳感元件將被布置在單臂電橋中，其測量的精度取決于所用應(yīng)變片的類型。 單臂電橋以適當(dāng)?shù)膽?yīng)變方式調(diào)制要讀數(shù)的信號，電橋的輸出電壓與所加負(fù)載的大小有關(guān)。 由溫度變化而引起的誤差可以通過相匹配的應(yīng)變片來使其最小化,單臂電橋布置圖,測力傳感器常用于下列測量： 存儲料斗中的材料重

12、量； 過橋車輛的重量； 容器里液體的液位或體積（如果重量是已知的，那么可以換算出其體積或液位）。 這種儀器具有精確.、耐用和相對廉價的優(yōu)點(diǎn)，而且可用于很寬的測量范圍,應(yīng)變片側(cè)力傳感器的說明書,說明書中說明了傳感器的下列特性：精確度、線性度、重復(fù)性、過載等。 我們將在第11章應(yīng)用實(shí)例中再次討論,4.2.2 天平與秤,天平與秤是利用平衡原理來確定未知質(zhì)量和力(重量)的測量裝置,中心支點(diǎn)的天平標(biāo)定,作用在未知質(zhì)量物體上的重力Wx與已知的重力W進(jìn)行比較。 天平是一個已知力和未知力到支點(diǎn)(支承軸)的距離相等的杠桿。 平衡條件是通過給右邊盤中逐漸增加已知質(zhì)量的砝碼直到杠桿達(dá)到水平的方法實(shí)現(xiàn)的,一個帶有滑移

13、質(zhì)量塊的天平要進(jìn)行調(diào)平衡。 先通過增加已知質(zhì)量塊(砝碼)到天平盤上以達(dá)到粗略平衡，然后通過移動滑移質(zhì)量塊(Ws)到最佳位置，從而使天平達(dá)到精確平衡。 Wxa=Wb+Wsc，Ws是一定的，距離c能夠被直接確定出來，在水平橫梁上通常有一個沿質(zhì)量塊滑移方向標(biāo)定好的刻度。 為了增大或減小天平的測量范圍，可以通過相應(yīng)地增減天平底盤上的已知質(zhì)量塊來實(shí)現(xiàn),4.2.3 彈簧秤,圖所示為一種典型的、商業(yè)通用的彈簧秤，其彈簧的一端被固定，另一端被所施加的未知力(重量)下，拉伸。 彈簧的伸長量與所受的力成正比(胡克定律)，其刻度按照力的單位(N)或質(zhì)量的單位(kg)進(jìn)行標(biāo)定。 胡克定律：彈性材料在其彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)變與所受到的力成正比。 材料不再遵循胡克定律的應(yīng)力值稱為彈性變形的極限值。 用彈簧秤的方法不能獲得很高的精確度，但它提供了一種簡便而容易實(shí)現(xiàn)的測量質(zhì)量和力的方法,通過把彈簧秤與電位器結(jié)合可以得到一種與所受載荷大小成正比的電信號輸出。 彈簧秤將所受的力轉(zhuǎn)換成位移，而電位器又將這種位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出，這是一