現(xiàn)代檢測技術(shù)第七章講義

現(xiàn)代檢測技術(shù)第七章講義第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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。第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1液位檢測方法

7.2料位檢測方法7.3相界面的檢測7.4物位儀表分類與選用

第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1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)信號進行測量，如壓力法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法等。

第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1.1力學(xué)法檢測液位7.1.2電學(xué)法和電磁法檢測液位7.1.3熱學(xué)法檢測液位7.1.4聲學(xué)與光學(xué)法檢測液位7.1.5核輻射法檢測液位7.1液位檢測方法第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1.1力學(xué)法檢測液位1.壓力法檢測液位（1）直接測量法直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度，如圖7-1所示的玻璃管液位計。第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

式中，——被測液體的密度()。（2）壓力法檢測液位壓力法檢測液位

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進行測量。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：第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日常用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計如圖7-2

壓力法檢測液位第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日對于密閉容器中的液位測量，除可應(yīng)用上述三種液位計外，還可用差壓法進行測量，它可在測量過程中需消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響，差壓式液位計測量原理如圖7-3

壓力法檢測液位第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

一般在低壓管中充滿隔離液體。若隔離液體密度為，被測液體密度為，一般都使，由圖7-3得壓力平衡方程：

P1、P2——引入變送器正壓室和負壓室的壓力(Pa)；

H——液位高度(m)；

h1、h2——容器底面和工作液面距變送器高度(m)。

差壓式液位計原理第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2.浮力法檢測液位

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。7.1.1力學(xué)法檢測液位第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（1）鋼帶浮子式液位計圖7-4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。浮力法檢測液位第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日當液位變化時，浮子浸入深度應(yīng)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，所受浮力變化量鋼帶浮子式液位計的測量誤差平衡時，浮子重量與鋼帶拉力之差W與浮力相平衡：克服了摩擦力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。靈敏度與浮子直徑有關(guān)，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減小，靈敏度提高，從而提高測量精度可見：第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（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。浮力法檢測液位圖7-5為浮筒式液位計原理圖第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日圖7-5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。即當液位發(fā)生變化時有兩式相減得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。浮力法檢測液位第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日鋼帶浮子式液位計實物圖浮筒式液位計實物圖浮力法檢測液位第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1.2電學(xué)法和電磁法檢測液位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。第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（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。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7-6為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖電學(xué)法檢測液位第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日整個傳感器電阻為

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。結(jié)構(gòu)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。特點如極棒表面生銹、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。缺點電阻式液位計第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（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行連續(xù)測量，也可進行液位定點控制。圖7-7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。電學(xué)法檢測液位第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（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的原理進行測量。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。它的適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外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。電容式液位計的這些特點決定了它在液位測量中的重要地位。電學(xué)法檢測液位第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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7-8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。

電容式液位計第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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7-9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電容式液位計第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日圖7-10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。電容式液位計第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（2）反射式微波液位計利用微波反射的原理制作的液位計，可以連續(xù)檢測與實現(xiàn)液位定點控制。通常微波發(fā)射天線傾斜一定的角度向液面發(fā)射微波束，波束遇到液面即發(fā)生反射，反射微波束被微波接收天線接收，從而測定液位，其原理如圖7-12所示電磁法檢測液位第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日微波接收天線接收到的微波功率為：——增益常數(shù)，決定于微波波長、發(fā)射功率及天線的增益——距離常數(shù)，決定于天線安裝的方法與位置，主要是距離。只要測定了天線接收到的微波功率，液位H就知道了：反射式微波液位計第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（3）調(diào)頻連續(xù)波式物位計調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計工作原理如圖所7-13所示電磁法檢測液位第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日固態(tài)源頻率變化規(guī)律為回波頻率為差頻為得被測距離L為調(diào)頻連續(xù)波式物位計第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1.3熱學(xué)法檢測液位1.熱學(xué)法檢測高溫金屬液位利用高溫熔融液體在空氣和高溫液體的分界面處溫度場出現(xiàn)突變的特點，用測量溫度的方法間接獲得高溫金屬熔液液位。熱學(xué)法檢測高溫金屬熔融液位采用熱電偶測量其溫度場，圖7-14為熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日在容器壁上選定一系列測量點，裝上熱電偶，并將各測點上熱電偶的輸出記錄下來，得到如圖7-15所示的溫度-電勢分布曲線，曲線上反映出第7個和第8個測點之間產(chǎn)生了溫度突變，因此液面就在第7與第8測點之間。熱學(xué)法檢測高溫金屬液位第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2．溫差法液位檢測技術(shù)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。7.1.3熱學(xué)法檢測液位主要原理：第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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前的液位。測溫法液位計原理圖如圖7-16所示溫差法液位檢測技術(shù)第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1.4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，有一部分反射回來，另一部分則折射入相鄰介質(zhì)中。但當它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。因此，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。第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

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。聲學(xué)法檢測液位第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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7-17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行計數(shù)來實現(xiàn)。超聲波液位計第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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。超聲波液位計第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日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7.1.4聲學(xué)與光學(xué)法檢測液位第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日不同物質(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)。

7.1.5核幅射法檢測液位第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

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。

7.1.5核幅射法檢測液位第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日圖7-19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。7.1.5核幅射法檢測液位第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1液位檢測方法

7.2料位檢測方法7.3相界面的檢測7.4物位儀表分類與選用

第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.1重錘探測法測料位7.1.2稱重法測料位7.1.3電學(xué)法測料位7.1.4聲學(xué)法測料位7.1.5光學(xué)法測料位7.2料位檢測方法7.1.6微波法測料位第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.1重錘探測法測料位重錘探測法原理示意圖如圖7-20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。第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.2稱重法測料位

一定容積的容器內(nèi)，物料重量與料位高度應(yīng)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7-21為稱重式料位計的原理圖。第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.3電學(xué)法測料位

1.電阻式物位計測量原理示意圖如圖7-22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。第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日圖7-10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。電容式料位計第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.4聲學(xué)法測料位由音叉、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7-24為音叉式料位信號器原理圖第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.5光學(xué)法測料位

光學(xué)法是一種比較古老的料位控制方法。一般只用來進行定點控制，工作方式采用遮斷式。在儲料容器一側(cè)安裝激光發(fā)射器，另一側(cè)安裝接收器，當料位未達到控制位置時接收器能夠正常接收到光信號，而當料位上升至控制位置時，光路被遮斷，接收器接收的信號迅速減小，電子線路檢測到信號變化后轉(zhuǎn)化成報警信號或控制信號。

第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

與普通光相比，激光仍具有如下特點:

光的反射、透射、折射、干涉等特性，但它能量集中，光強度大，因此物位控制范圍大。激光單色性強，不易受外界光線干擾，能用于強烈陽光及火焰照射條件下。激光光束散射小，方向性好，定點控制精度高的特點。

7.2.5光學(xué)法測料位光學(xué)法測量料位最怕在粉料不斷升降過程中對透光孔和接收器光敏元件的粘附和堵塞,因此光學(xué)法不宜用于粘性大的物料，對此必需認真對待。第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.2.6微波法測料位圖7-25為定點式微波料位計原理示意圖振蕩器產(chǎn)生的微波電流，饋送給安裝在料面一側(cè)的發(fā)射天線向料面發(fā)射出去，經(jīng)過料上方被接收天線接收。當料位較低時，定向發(fā)射的微波無衰減的直接為接收天線接收，經(jīng)前置放大器放大到適當?shù)碾娖胶箴佀偷诫娮臃糯笃鳎?jīng)檢波、放大后，與定電壓比較，發(fā)出正常工作的信號，表示料位沒有超過規(guī)定高度。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日接收器由天線收到的功率為當料位升高到遮斷微波束時，微波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率此時微波被接收后經(jīng)放大并在電壓比較電路與定電壓進行比較，其電位低于定電壓，使儀表發(fā)出料位高的信號。這種定點式微波物位計很適合于物位測量的上、下限報警用。7.2.6微波法測料位第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.1液位檢測方法

7.2料位檢測方法7.3相界面的檢測7.4物位儀表分類與選用

第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日相界面的檢測包括液-液相界面、液-固相界面的檢測。7.3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。第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.3.1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，用模擬電路技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)及單片機技術(shù)相結(jié)合，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。系統(tǒng)具有實時性、準確性、智能化、靈敏度高等優(yōu)點。分段式電容油