傳感器與檢測技術(shù)(5)

1、第第7 7章章 物位檢測物位檢測 7.1 7.1 物位的定義及物位檢測儀表的分類物位的定義及物位檢測儀表的分類 7.2 7.2 常用物位檢測儀表常用物位檢測儀表 7.3 7.3 影響物位檢測的因素影響物位檢測的因素 7.1 7.1 物位的定義及物位檢測儀表的分類物位的定義及物位檢測儀表的分類 （1 1）物位的定義）物位的定義 物位統(tǒng)指設(shè)備和容器中液體和固體物料的物位統(tǒng)指設(shè)備和容器中液體和固體物料的表面位置表面位置， 是是液位、料位、界位液位、料位、界位的總稱。的總稱。 l液位：指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。液位：指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。 l料位：指設(shè)備和容器中所存儲的塊狀、顆?；?/p>

2、粉末狀料位：指設(shè)備和容器中所存儲的塊狀、顆粒或粉末狀 固體物料的堆積高度。固體物料的堆積高度。 l界位：指界面的位置，液界位：指界面的位置，液- -液界面、液液界面、液- -固界面。固界面。 （2 2）物位檢測儀表的分類）物位檢測儀表的分類 l測量方式測量方式:連續(xù)測量和定點測量連續(xù)測量和定點測量 連續(xù)測量方式能持續(xù)測量物位的變化連續(xù)測量方式能持續(xù)測量物位的變化 定點測量方式只能檢測物位是否達(dá)到上限、下限或某定點測量方式只能檢測物位是否達(dá)到上限、下限或某 個特定的位置，定點測量儀表一般稱為物位開關(guān)個特定的位置，定點測量儀表一般稱為物位開關(guān) l按工作原理：按工作原理： 直讀式直讀式：采用側(cè)壁開窗

3、口或旁通管方式，直接顯示容：采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容 器中的物位高度。主要用于液位檢測和壓力較低的場器中的物位高度。主要用于液位檢測和壓力較低的場 合。合。 靜壓式靜壓式：基于：基于靜力學(xué)原理靜力學(xué)原理液位檢測，有壓力式、吹氣液位檢測，有壓力式、吹氣 式和差壓式。式和差壓式。 （2 2）物位檢測儀表的分類）物位檢測儀表的分類 l按工作原理：按工作原理： 浮力式：浮力式：基于基于阿基米德定律阿基米德定律液位檢測，有浮筒式和浮液位檢測，有浮筒式和浮 子式液位計。子式液位計。 機(jī)械式：機(jī)械式：通過測量物位探頭與物料面接觸時的機(jī)械力通過測量物位探頭與物料面接觸時的機(jī)械力 實現(xiàn)物位的測量。

4、實現(xiàn)物位的測量。 有重錘式、音叉式。有重錘式、音叉式。 電氣式：電氣式：將電氣敏感元件置于被測介質(zhì)中，根據(jù)物位將電氣敏感元件置于被測介質(zhì)中，根據(jù)物位 變化與電氣參數(shù)變化關(guān)系來測量物位。變化與電氣參數(shù)變化關(guān)系來測量物位。 l其他方法其他方法 如聲學(xué)式、射線式、光纖式等，見表如聲學(xué)式、射線式、光纖式等，見表7 1 （2 2）物位檢測儀表的分類）物位檢測儀表的分類 (1)(1)直讀式液位檢測儀表直讀式液位檢測儀表 l測量原理：基于連通器原理而實現(xiàn)液位的測量。測量原理：基于連通器原理而實現(xiàn)液位的測量。 l結(jié)構(gòu)：形式多樣結(jié)構(gòu)：形式多樣 連通閥，用于切斷玻連通閥，用于切斷玻 璃液位計與容器璃液位計與容器

5、特點：最簡單、經(jīng)濟(jì)特點：最簡單、經(jīng)濟(jì) 7.2 7.2 常用物位檢測儀表常用物位檢測儀表 （2 2）靜壓式液位檢測儀表）靜壓式液位檢測儀表 工作原理：工作原理：把物位的測量轉(zhuǎn)換為壓把物位的測量轉(zhuǎn)換為壓 力或壓差的測量。如圖力或壓差的測量。如圖7-1所示。所示。 B點為選定的零液位。則從液面至點為選定的零液位。則從液面至 零液位處的差壓：零液位處的差壓： 式中式中為被測介質(zhì)密度；為被測介質(zhì)密度；g為重力加為重力加 速度。速度。 n特點：特點：測量簡單、無可動部件、工作可靠、壓力表精度高。測量簡單、無可動部件、工作可靠、壓力表精度高。 凡是可以測壓力和差壓的儀表，選擇合適的量程均可用于檢凡是可以測壓

6、力和差壓的儀表，選擇合適的量程均可用于檢 測液位。測液位。 n壓力式液位計壓力式液位計：用于敞口容器中液位的測量。：用于敞口容器中液位的測量。 n差壓式液位計差壓式液位計：用于密閉容器中液位的測量。：用于密閉容器中液位的測量。 壓力變送器壓力變送器 2.1 壓力、差壓式液位計壓力、差壓式液位計 n壓力信號的引出壓力信號的引出：采用引壓管采用引壓管 對于有腐蝕性、結(jié)晶顆粒或黏度對于有腐蝕性、結(jié)晶顆粒或黏度 大、易凝固的液體介質(zhì)可用法蘭大、易凝固的液體介質(zhì)可用法蘭 式儀表（法蘭式壓力變送器）。式儀表（法蘭式壓力變送器）。 儀表是用法蘭直接與容器上的法蘭儀表是用法蘭直接與容器上的法蘭 相連，金屬感壓

7、膜盒安裝在法蘭中，相連，金屬感壓膜盒安裝在法蘭中， 與測量室間用充滿硅油的帶保護(hù)套與測量室間用充滿硅油的帶保護(hù)套 的毛細(xì)管相連。在這個密閉系統(tǒng)中的毛細(xì)管相連。在這個密閉系統(tǒng)中 充滿硅油用以傳遞壓力。充滿硅油用以傳遞壓力。 注：法蘭（注：法蘭（flange ）是一種盤狀零件，在管道工程中，法蘭主）是一種盤狀零件，在管道工程中，法蘭主 要用于管道的連接。要用于管道的連接。 2.1 壓力、差壓式液位計壓力、差壓式液位計 n讀數(shù)的修正讀數(shù)的修正：由于測壓儀表的安裝位置一般不能和被測容器由于測壓儀表的安裝位置一般不能和被測容器 的最低液位處在同一高度上的最低液位處在同一高度上 圖圖(a)中的情況，差壓計

8、安裝中的情況，差壓計安裝 在最低液面以下，這時加在差在最低液面以下，這時加在差 壓計兩側(cè)的差壓為壓計兩側(cè)的差壓為： 這種附加差壓可以調(diào)整儀表的零點來消除，即當(dāng)差壓計有這種附加差壓可以調(diào)整儀表的零點來消除，即當(dāng)差壓計有 hg的差壓作用時，其指示值調(diào)為零。這種零點遷移稱為的差壓作用時，其指示值調(diào)為零。這種零點遷移稱為正正 遷移。遷移。 2.1 壓力、差壓式液位計壓力、差壓式液位計 圖圖(b)(b)所示的系統(tǒng)為帶有隔離介質(zhì)的測量系統(tǒng)。此時加在差壓所示的系統(tǒng)為帶有隔離介質(zhì)的測量系統(tǒng)。此時加在差壓 計兩側(cè)的差壓為：計兩側(cè)的差壓為： 這種情況下的遷移量為負(fù)值，稱為這種情況下的遷移量為負(fù)值，稱為負(fù)遷移負(fù)遷移

9、。 2.1 壓力、差壓式液位計壓力、差壓式液位計 2.2吹氣式液位計吹氣式液位計 將一根吹氣管插入至被測液體最將一根吹氣管插入至被測液體最 低位，使吹氣管通入一定的氣體，低位，使吹氣管通入一定的氣體， 使吹氣管中的壓力與管口處液柱使吹氣管中的壓力與管口處液柱 靜壓力相等靜壓力相等( (氣泡氣泡) )。用壓力計測。用壓力計測 量吹氣管上端壓力，就可測得液量吹氣管上端壓力，就可測得液 位位 n特點：可將壓力檢測點移至頂特點：可將壓力檢測點移至頂 部，其使用和維修均很方便。很部，其使用和維修均很方便。很 適合于地下儲罐、深井等場合以適合于地下儲罐、深井等場合以 及腐蝕性較強(qiáng)或沉淀嚴(yán)重的液體。及腐蝕性

10、較強(qiáng)或沉淀嚴(yán)重的液體。 n精度影響因素：測壓儀表的精精度影響因素：測壓儀表的精 度；度；液體溫度液體溫度 水深測量儀水深測量儀 3.1 浮子浮子(bobber)(bobber)式液位計式液位計恒浮力式恒浮力式 n原理原理：把液位的變化傳給浮在液面上的浮子，浮子受液體把液位的變化傳給浮在液面上的浮子，浮子受液體 的浮力而漂在液面上，當(dāng)浮力與重量相等時，的浮力而漂在液面上，當(dāng)浮力與重量相等時，浮子的位置浮子的位置 就代表液位就代表液位，并且隨液位同步移動。，并且隨液位同步移動。 n浮子的形狀：圓盤形、圓柱形和球形，要根據(jù)使用條件和浮子的形狀：圓盤形、圓柱形和球形，要根據(jù)使用條件和 使用要求來設(shè)計。

11、使用要求來設(shè)計。 n浮子位置的檢測方式：直接指示和信號遠(yuǎn)傳。浮子位置的檢測方式：直接指示和信號遠(yuǎn)傳。 （3 3）浮力式物位檢測儀表）浮力式物位檢測儀表 （3 3）浮力式物位檢測儀表）浮力式物位檢測儀表 31 Fm gmg 浮子重錘液位計浮子重錘液位計 2 4 D Fh g 浮力浮力 恒浮力式恒浮力式液位計液位計 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 不利因素：不利因素： 浮子浮子浸入液體深度浸入液體深度改變改變 1. 不靈敏區(qū)域：不靈敏區(qū)域：液位的變化只有克服了儀液位的變化只有克服了儀 表的摩擦阻力之后達(dá)到一定的值時浮子表的摩擦阻力之后達(dá)到一定的值時浮子 才能運動，與才能運動，與直徑和密度直徑和密度成反比成反比

12、舌簧管式液位計舌簧管式液位計 液面變化瞬間液面變化瞬間 引起浮力變化引起浮力變化 鋼絲繩張力鋼絲繩張力 發(fā)生變化發(fā)生變化 張力傳感器張力傳感器 輸出變化輸出變化 輸出偏輸出偏 差信號差信號 步進(jìn)電步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)轉(zhuǎn)動 鼓輪的旋轉(zhuǎn)量即鼓輪的旋轉(zhuǎn)量即 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 步數(shù)反映液位的步數(shù)反映液位的 變化量變化量 傳動軸轉(zhuǎn)傳動軸轉(zhuǎn) 矩改變矩改變 浮子移動至浮浮子移動至浮 力恢復(fù)原值力恢復(fù)原值 伺服平衡式浮子伺服平衡式浮子 液位計液位計 浮筒式液位計浮筒式液位計 0 cxmgAH g 工作原理工作原理 當(dāng)液位變化時當(dāng)液位變化時 0 ()()c xxmgA HHxg (1) c Hx A g

13、 7.2.3.1 7.2.3.1 電容式物位計電容式物位計 l電氣式電氣式（可測量液位、料位和界位）（可測量液位、料位和界位） l工作原理工作原理：圓筒形電容器的電容值圓筒形電容器的電容值 隨兩極板之間的電介質(zhì)的不同而變隨兩極板之間的電介質(zhì)的不同而變 化，故可以通過測量電容量的變化化，故可以通過測量電容量的變化 來測量物位。由同軸圓筒電極組成來測量物位。由同軸圓筒電極組成 的電容器的電容量為：的電容器的電容量為： 2 ln L C D d 21 ln CkH D d 當(dāng)液位變化時當(dāng)液位變化時 組成組成：測量電極和測量電路組成測量電極和測量電路組成 測量電極的型式：隨被測介質(zhì)的不同而不同。測量電

14、極的型式：隨被測介質(zhì)的不同而不同。 非導(dǎo)電液體液位測量非導(dǎo)電液體液位測量 同心套筒電極，外電極同心套筒電極，外電極 開許多孔開許多孔 1-1-內(nèi)電極內(nèi)電極 2-2-外電極外電極 3-3-絕緣套絕緣套 非導(dǎo)電固體料位測量非導(dǎo)電固體料位測量 1-1-內(nèi)設(shè)的金屬棒內(nèi)電極內(nèi)設(shè)的金屬棒內(nèi)電極 2-2-金屬容器壁作外電極金屬容器壁作外電極 構(gòu)成同心電容器構(gòu)成同心電容器 導(dǎo)電液體液位測量導(dǎo)電液體液位測量 1-1-帶絕緣套的金屬棒作帶絕緣套的金屬棒作 內(nèi)電極內(nèi)電極 2-2-絕緣套管絕緣套管 4-4- 導(dǎo)電液體作導(dǎo)電液體作3-3-外電極外電極 粘度大的液體容易粘上，造粘度大的液體容易粘上，造 成虛假液位成虛假液

15、位 電容式油量表電容式油量表 聲波式一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過程，當(dāng)振聲波式一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過程，當(dāng)振 動頻率在十余赫到萬余赫時可以引起人的聽覺，稱為聞聲波；動頻率在十余赫到萬余赫時可以引起人的聽覺，稱為聞聲波； 更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；20kHz20kHz以上頻率的機(jī)械波稱以上頻率的機(jī)械波稱 為超聲波。物位檢測一般應(yīng)用的都是超聲波。為超聲波。物位檢測一般應(yīng)用的都是超聲波。 超聲波用于物位檢測主要利用了它的以下性質(zhì)：超聲波用于物位檢測主要利用了它的以下性質(zhì)： 和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，且有各和其他聲波一樣

16、，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，且有各 自的傳播速度。自的傳播速度。 聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大， 液體其次，固體吸收最小。液體其次，固體吸收最小。 聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束也越聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束也越 尖銳，超聲波近似直線傳播，具有很好的方向性。尖銳，超聲波近似直線傳播，具有很好的方向性。 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為介質(zhì)密度不同，聲波當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為介質(zhì)密度不同，聲波 傳播速度不同，分界面上有反射和

17、折射現(xiàn)象。傳播速度不同，分界面上有反射和折射現(xiàn)象。 7.2.3.2.超聲波物位檢測超聲波物位檢測 l回波測距法回波測距法聲波在介質(zhì)中的傳播有一定的速度，但聲波在介質(zhì)中的傳播有一定的速度，但 在密度不同的介質(zhì)分界面處會產(chǎn)生反射和折射。從發(fā)在密度不同的介質(zhì)分界面處會產(chǎn)生反射和折射。從發(fā) 射超聲波到收到反射回波的時間間隔與分界面位置有射超聲波到收到反射回波的時間間隔與分界面位置有 關(guān)，從而測得物位。關(guān)，從而測得物位。 l分類：固介式、液介式、氣介式分類：固介式、液介式、氣介式 采用單探頭時，采用單探頭時， 探頭與液面的距離為：探頭與液面的距離為：/2hct 2 222 2 ct hsaa 采用雙探頭

18、時：采用雙探頭時： 7.2.3.2.超聲波物位檢測超聲波物位檢測 放射性同位素在蛻變的過程中會發(fā)射出放射性同位素在蛻變的過程中會發(fā)射出、三種射線。三種射線。射射 線穿透能力最強(qiáng)，電離能力最弱。由于射線的線穿透能力最強(qiáng)，電離能力最弱。由于射線的可穿透性可穿透性，常用于，常用于情情 況特殊或環(huán)境條件惡劣的場合況特殊或環(huán)境條件惡劣的場合實現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測，如位實現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測，如位 移、材料厚度、流體密度、流量和物位等的檢測。移、材料厚度、流體密度、流量和物位等的檢測。 原理：射線在穿透物質(zhì)時，原理：射線在穿透物質(zhì)時，它的強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度指數(shù)降它的強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度指數(shù)降 低低，

19、只要測出通過物質(zhì)前后的輻射強(qiáng)度，就可知厚度（物位），只要測出通過物質(zhì)前后的輻射強(qiáng)度，就可知厚度（物位） 射線射入一定厚度的介質(zhì)時，其強(qiáng)度與厚度的關(guān)系：射線射入一定厚度的介質(zhì)時，其強(qiáng)度與厚度的關(guān)系： 不同的介質(zhì)對射線的吸收能力不同，當(dāng)射線源與被測介質(zhì)確定不同的介質(zhì)對射線的吸收能力不同，當(dāng)射線源與被測介質(zhì)確定 后，則后，則I I0 0和和 （吸收系數(shù)）（吸收系數(shù)） 確定，測量射線通過物體后的輻確定，測量射線通過物體后的輻 射強(qiáng)度射強(qiáng)度I I即可測得物位。即可測得物位。 7.2.3.3.核輻射式物位計核輻射式物位計 組成組成：射線源、防護(hù)容器、射線檢測器、電子轉(zhuǎn)換和指示電路射線源、防護(hù)容器、射線檢測

20、器、電子轉(zhuǎn)換和指示電路 檢測器檢測器 前置放大前置放大整形整形計數(shù)計數(shù)顯示顯示 放射源放射源 被測物被測物 電子轉(zhuǎn)換電子轉(zhuǎn)換指示指示 放射源：放射源：一般為一般為射線源，鈷（射線源，鈷（Co)Co)或銫（或銫（Cs)Cs)。 射線檢測器：射線檢測器：可將射線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號。可將射線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號。 電子電路：電子電路：接收檢測器輸出的脈沖信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后接收檢測器輸出的脈沖信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后 輸出與被測物位相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號。輸出與被測物位相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號。 7.2.3.3.核輻射式物位計核輻射式物位計 檢測方式：有固定安裝式和隨動式兩種檢測方式：有固定安裝式和隨動式兩種 特點：具有非

21、接觸式測量的特點，可用于高溫高壓、真空密閉特點：具有非接觸式測量的特點，可用于高溫高壓、真空密閉 等各種容器中液體或固體物料的物位測量；可適應(yīng)腐蝕、有毒、等各種容器中液體或固體物料的物位測量；可適應(yīng)腐蝕、有毒、 高粘度、爆炸性等各種困難介質(zhì)和高溫、高濕、多粉塵、強(qiáng)干高粘度、爆炸性等各種困難介質(zhì)和高溫、高濕、多粉塵、強(qiáng)干 擾等惡劣的工作條件。其放射性安全防護(hù)措施需按有關(guān)規(guī)范操擾等惡劣的工作條件。其放射性安全防護(hù)措施需按有關(guān)規(guī)范操 作。作。 a)a)自動跟蹤方式：電機(jī)帶動射線自動跟蹤方式：電機(jī)帶動射線 源和接受器沿導(dǎo)軌隨物位的變化源和接受器沿導(dǎo)軌隨物位的變化 而升降，且始終保持同一高度，而升降，且

22、始終保持同一高度， 可連續(xù)測量范圍寬、但存在運動可連續(xù)測量范圍寬、但存在運動 部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 b)固定安裝方式：透射式測量，固定安裝方式：透射式測量， 隨物位的變化，射線的衰減程度隨物位的變化，射線的衰減程度 變化，從而可測得物位。無運動變化，從而可測得物位。無運動 機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。 c)c)、d)d)、e)e)發(fā)射源或接收器多點發(fā)射源或接收器多點 組合方式方式：射測量變化范圍組合方式方式：射測量變化范圍 大的物位，可連續(xù)測量，很好的大的物位，可連續(xù)測量，很好的 改善了線性關(guān)系，但增加了安裝改善了線性關(guān)系，但增加了安裝 與維護(hù)的困難與維護(hù)的困難 7.2.3.4

23、 7.2.3.4 物位開關(guān)物位開關(guān) l進(jìn)行進(jìn)行定點測量定點測量的物位的物位 開關(guān)是用于檢測物位開關(guān)是用于檢測物位 是否達(dá)到預(yù)定高度，是否達(dá)到預(yù)定高度， 并發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)量并發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)量 信號信號 l對象對象: :液位、料位、液位、料位、 固固- -液分界面、液液分界面、液- -液液 分界面，以及判斷物分界面，以及判斷物 料的有無料的有無 一、光的反射、折射一、光的反射、折射 光纖液位探測光纖液位探測 器器 當(dāng)光由光密物質(zhì)發(fā)當(dāng)光由光密物質(zhì)發(fā) 射至光疏物質(zhì)時，發(fā)射至光疏物質(zhì)時，發(fā) 生折射。生折射。 （a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角： （b b）臨界狀態(tài)：）臨界狀態(tài)： （c c）全反射）全反射 ： 1122 sinsinnn )/arcsin( 12 0 nn i 0 ii 光在光在光纖中光纖中的全反射的全反射 光纖液位探測器的幾種結(jié)構(gòu)形式：光纖液位探測器的幾種結(jié)構(gòu)形式： a. Ya. Y形光纖結(jié)構(gòu)形光纖結(jié)構(gòu) 由由Y Y形光纖和全反射椎體以形光纖和全反射椎體以 及光源和光電二極管等組成。及光源和光電二極管等組成。 b. Ub. U形結(jié)