《測控基礎(chǔ)物位》課件

在生產(chǎn)過程中，常需要對一些設(shè)備和容器內(nèi)的液體、固體顆粒或粉末、氣體之間的分界面位置進行測量等，我們統(tǒng)稱為物位的測量。物位不僅是物料耗量或產(chǎn)量計量的參數(shù)，也是保證連續(xù)生產(chǎn)和設(shè)備安全的重要參數(shù)?，F(xiàn)代大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，速度高，且常有高溫、高壓、強腐蝕性或易燃易爆物料，對于物位的監(jiān)視和自動控制更是至關(guān)重要。第三章物位測量及變送《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!四、超聲波物位計超聲波是人耳聽不見的一種機械波，頻率在20KHz超聲波的這些特性完成檢測，必須有產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置，這就是超聲波傳感器。物位測量及變送（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!產(chǎn)生超生波的裝置有：壓電式、電磁式等，在檢測技術(shù)上用的較多是壓電式。壓電式超聲波探頭利用壓電材料的壓電效應(yīng)。1、壓電轉(zhuǎn)換元件：某些物質(zhì)如天然石英是一種性能良好的天然壓電晶體，而人造的鈦酸鋇、皓鈦酸鋇也具有極好的壓電功能。壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng):正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)物位測量及變送（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!1、壓電轉(zhuǎn)換元件：①正正電效應(yīng)：

當沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時，在一定表面上產(chǎn)生電荷。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)?？梢岳眠@種特性將接收到的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號，故可用于制造壓電打火機、壓電點火機、炮彈引爆裝置等。

可用來檢測微弱的機械振動并將其轉(zhuǎn)換為電信號，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙感遙測、環(huán)境保護等。因此能完成壓電式超聲波傳感器接收任務(wù)。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!壓電原理：石英晶體屬六方晶系，由于晶體的物理特性與方向有關(guān)，因此需在晶體內(nèi)部選定參考方向，這個方向叫晶體軸。X軸是平行于相鄰棱柱面內(nèi)夾角的等分線，垂直于X軸的棱面上壓電效應(yīng)最強在電場作用下，沿Y軸方向的機械變形最明顯Z軸方向無壓電效應(yīng)，稱中性軸。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!

經(jīng)過人工極化后壓電陶瓷將保持極化狀態(tài)，其一面帶正電，另一面帶負電。但是用儀表測量則無帶電跡象，與想像并不一樣。這是因為極化作用產(chǎn)生在物質(zhì)內(nèi)部，它確實已使一面帶正電，另一面帶負電。然而，它把環(huán)境中的雜散電荷分別吸引到表面上，使得內(nèi)部電場和所吸附的來自空氣中的電荷形成的外部電場完全抵消，所以無帶電反應(yīng)超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

3．

超聲波物位計基本原理超聲波物位計是應(yīng)用回聲測量距離的原理工作的，如圖所示。當超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲波脈沖時，經(jīng)過時間t后，探頭接到從液面反射回來的回聲脈沖。

超聲波物位計（續(xù)）回聲測距原理《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!3．

測量方法

聲波可以在固體、液體、氣體中傳播，并且以在固體中傳播（即固介式）衰減最小，在液體中傳播（液介式）次之，在氣體中傳播（氣介式）衰減最大。根據(jù)超聲物位計分類，聲波在不同介質(zhì)傳播時，可分為固介式、液介式、氣介式。應(yīng)用聲波測量物位，可以使用兩個探頭，也可以使用一個探頭，即雙探頭式及單探頭式。前者是一個探頭發(fā)射聲波，另一個探頭用來接收。后者發(fā)射與接收聲波都是由一個探頭進行，只是發(fā)射與接收時間相互錯開。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!假設(shè)聲脈沖的傳播速度為v0，聲脈沖從校正探頭遇到反射板再會來用的往返時間為t0，則校正探頭到反射板的長度L0為：

假設(shè)被測液位的高度為H，測量探頭發(fā)出的聲脈沖的傳播速度為v，聲脈沖從探頭到液面再回來的往返時間為t，同樣可寫出從探頭到液面的距離H為：

超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

具體辦法為：如果被測液位的計量單位是毫米時，調(diào)節(jié)振蕩器的頻率，使所產(chǎn)生脈沖的周期T0恰好等于聲脈沖往返單位長度（1mm）的時間，例如，校正探頭到反射板的長度為1mm，聲脈沖從校正探頭遇到反射板再回來用的往返時間為脈沖周期t0，這樣電子計數(shù)器在時間t內(nèi)所累計的脈沖數(shù)，便是液位的高度。

例題6：對聲速為1300m/s的油品，調(diào)節(jié)振蕩器的頻率為多少時能較容易的讀出液位高度？超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!五、抽油井井下液面探測井下液面深度，是我們了解抽油井供液能力、抽油泵工作狀況、推算油層壓力大小、掌握抽油井井下狀況的重要依據(jù)。井下液面探測是根據(jù)回聲法測距原理工作的。聲波在氣體介質(zhì)中傳播時，在遇到固體、液體介質(zhì)的情況下，由于兩種介質(zhì)密度相差懸殊，聲波會被全部反射回來。在井口向井下深處發(fā)射一短促的聲脈沖波時，若能測出聲波往返的時間t和聲波傳播速度v，就能確定井下液面與井口聲源之間的距離。物位測量及變送（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!測量前，在油井下油管時，先在油管接箍上裝上一種“回音標”，隨油管下入井下一定深度處，以便確定聲波在井筒中傳播的平均速度?；匾魳耸且粋€空心圓柱體(如圖6-2所示)。回音標的下入深度ho在下油管時已經(jīng)過精確測量?；匾魳说亩嗣娣e一般以遮擋油、套管間環(huán)形截面的50—70％為宜。圖6-2回音標結(jié)構(gòu)圖1一油管；2—接箍；3一音標抽油井井下液面探測（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!根據(jù)測到的上圖所示的記錄曲線，就能計算出井下液面深度，圖中，A是發(fā)射聲脈沖，B是回音標反射聲脈沖，C是液面反射聲脈沖。抽油井井下液面探測（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!采用上述方法測量時，井下必須下有回音標，具有代表性的回聲儀JH一711以及JH一731和BH一73型回聲儀都是采用上述方法測量的，并曾得到廣泛應(yīng)用。有時油井只為測試井下液面而裝設(shè)回音標是很麻煩的，而有些井不適于裝回音標或不能裝回音標(如作偏心井口測試時)。所以上述測量方法在實際測量時有其局限性。近年來，利用油管自然回音標—油管接箍測量井下液面深度的儀表日臻成熟完善。這類儀表一般根據(jù)油管接箍反射信號與液面反射信號的頻率不同，分成兩個信號“通道”分別對相對高頻接箍反射信號和液面、回音標等低頻反射信號進行記錄和處理。如CJ-1，SH2型回聲儀等，他們既能記錄液面、回音標的反射波，又能記錄接箍反射波。抽油井井下液面探測（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!1、壓電轉(zhuǎn)換元件：②逆壓電效應(yīng)：

當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，即將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，當外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。利用這種把電能轉(zhuǎn)換為超聲振動，用于探尋水下魚群，對金屬進行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。利用這種特性產(chǎn)生超聲波，完成壓電式超聲波傳感器發(fā)射任務(wù)?？梢姡瑝弘娛絺鞲惺且环N典型的“雙向傳感器”，壓電效應(yīng)是其主要的工作原理，它只能夠測量動態(tài)應(yīng)力。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!超聲波物位計（續(xù)）2、壓電材料（鐵電性物質(zhì)）：①

天然石英晶體，價格昂貴，壓電系數(shù)小。②

壓電陶瓷：用作壓電陶瓷的鐵電體都是將鈣鈦礦中多種成分混和后，經(jīng)粉碎、成型、1000度以上高溫燒結(jié)而成多晶鐵電體，材料內(nèi)部有小“電疇”，是壓電特性的基礎(chǔ)，它在20－30KV/cm的強化電場中放2-3小時，極性轉(zhuǎn)到接近電場方向，叫“人工極化”工藝《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!

由于壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，加上它的體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，固有頻率高，靈敏度和信噪比高等優(yōu)點，因此，其應(yīng)用獲得飛躍的發(fā)展。在測試技術(shù)中，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換為力的那些物理量，例如壓力，加速度，振動等，因此在聲學、力學、宇航等廣闊領(lǐng)域中部可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。利用逆壓電效應(yīng)可制成多種超聲波發(fā)生器。

超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!當超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲波脈沖時，經(jīng)過時間t后，探頭接到從液面反射回來的回聲脈沖，因此，探頭到液面的距離可由下式求出：H＝式中：C是超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度（聲速）。知道聲速C，就可以通過精確地測量時間t的方法求出距離H（即液位高度），但是聲速必須是恒定的。實際上被測介質(zhì)不同其聲速也不同，即使是同一種介質(zhì)，也因溫度不同有不同的聲速。因此，除非液體密度是均勻的，液體各處溫度也是均勻的，才能認為聲速是定值，否則就不能靠測量時間來精確地測量距離，而必須采取補償措施。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!通過測量聲波傳播時間測距離，其準確性主要是受傳播速度變化的影響，對此，必須采取有效地補償措施，下面只介紹設(shè)置校正具測量方法中的固定校正具方法：固定校正具：如圖所示，在容器底部安置兩組探頭，即除測量探頭外還特意安裝一組校正用的探頭。校正探頭和反射板分別固定在校正具（金屬筒）上。超聲波物位計（續(xù)）固定校正具測量方法《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!因為校正探頭和測量探頭是在同一個介質(zhì)中，如果兩者的傳播速度相等，即v0＝v，則液位高度為：選擇適當?shù)臅r間單位，使t0在數(shù)值上等于L0，則t在數(shù)值上就等于被測液位的高度H。這樣便將液位的測量變?yōu)闇y量聲脈沖的傳播時間，因此，用校正探頭可以在一定程度上消除聲速變化的影響，并可由電子計數(shù)器直接顯示出液位的高度。超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!4．二次儀表超聲波液位計由探頭和二次儀表組成，二次儀表的作用是“控制鐘”控制探頭發(fā)射聲脈沖，同時，計數(shù)器開始對可調(diào)振蕩器發(fā)出的脈沖進行計數(shù)，接收到反射波信號后立即停止計數(shù)，并將聲脈沖到液面的往返時間換算成液位高度顯示出來。

超聲波物位計（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!抽油井井下液面探測（續(xù)）在實際測量中，由于油井內(nèi)氣相介質(zhì)的組成，溫度隨深度不同而不同，所以很難精確地求出反映氣體穿越整個氣相介質(zhì)時的平均聲速。因而在實際應(yīng)用時，經(jīng)常采用固定距離標的方法進行測量的。

回聲法測量液位示意圖《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!回聲儀原理框圖如下圖所示。測量時，通過專門的聲波發(fā)生器產(chǎn)生一個聲波脈沖，使它沿著油、套管間的環(huán)形空間傳向井底。聲脈沖在傳播過程中遇到回音標和液面時隨即有反射聲脈沖波反射到井口，被收聲器接收，并轉(zhuǎn)換成電信號，送入記錄儀，經(jīng)放大器放大后推動記錄筆左右擺動，在恒速移動的記錄紙上記錄下來。抽油井井下液面探測（續(xù)）《測控基礎(chǔ)物位》課件共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!如果一只記錄紙走紙速度v0，就可以根據(jù)記錄曲線上聲波脈沖間距求出聲波從井口傳到回音標所需的時間為：同理可得聲波由井口傳到液面時所需時間為：由回音標下入深度ho求得聲波在井筒中的平均傳