第7章 物位檢測技術(shù)-1

第7章物位檢測技術(shù)7.1液位檢測方法7.2料位檢測方法7.3相界面的檢測7.1

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。7.1.1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(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。7.1.2壓力法

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)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：

下面圖7-2為用于測量開口容器液位高度的三種壓力式液位計。(a)壓力表式液位計(b)法蘭式液位變送器(c)吹氣式液位計 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(jìn)行測量，它可在測量過程中消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響，下圖7-3示出差壓式液位計測量原理。

7.1.3浮力法

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。1.鋼帶浮子式液位計 右圖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。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。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器。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

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。7.1.4電學(xué)法

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。

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。所謂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。 右圖7-6為用于連續(xù)測量的電阻式液位計原理圖。圖中：1-電阻棒；2-絕緣套；3-測量電橋 該液位計的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。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。

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7-7為電感式液位控制器的原理圖。傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，當(dāng)液面高度變化時，浮子隨著移動。線圈固定在液位上下限控制點，當(dāng)浮子隨液面移動到控制位置時，引起線圈感應(yīng)電勢變化，以此信號控制繼電器動作，可實現(xiàn)上、下液位的報警與控制。圖中：1、3-上下限線圈；2-浮子

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(jìn)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(yán)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。(1)檢測原理

在液位的連續(xù)測量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖7-8所示。同心圓柱式電容器的電容量：式中：D、d——外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑(m)；ε——極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)；

L——極板相互重疊的長度(m)。

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。 圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極。(2)安裝形式 右圖7-9為用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。1-內(nèi)電極；2-絕緣套 右圖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。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。 圖中：1、2-內(nèi)、外電極；3-絕緣套；4-流通孔。7.1.5熱學(xué)法

在冶金行業(yè)中常遇到高溫熔融金屬液位的測量。由于測量條件的特殊性，目前除使用核幅射法外，還常用熱學(xué)方法進(jìn)行檢測。它利用了高溫熔融液體本身的特性，即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)法按溫度測量轉(zhuǎn)換原理的不同，通常又分為熱電法和熱磁感應(yīng)法。1.熱電法

熱電法采用熱電偶測量溫度場，右圖7-11為熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖。圖中:a-容器壁；b-凝固金屬；c-鋼水；d-熱電偶。圖7-11熱電偶測量高溫金屬熔液液位原理圖 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7-12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。圖7-12溫度-電勢分布圖

熱電偶測液位只是一個較為粗略的測量方法，精度一般不高；而且精度與熱電偶分布、安裝情況有關(guān)。適當(dāng)減小各熱電偶的間距、增加測量點，則可提高金屬液位測量分辨力和測量精度。另外，熱電偶工作端與容器的接觸點要細(xì)而牢固，為此可將熱電偶絲焊在容器壁上，由容器壁充當(dāng)熱電偶的另一極。這種測量方法雖然精度不高，但很可靠；在連鑄機結(jié)晶過程等應(yīng)用場合中，仍是一種很適用的液位檢測控制方法

2.熱磁感應(yīng)法

熱磁感應(yīng)法也稱熱磁敏法.前面熱電法測溫元件為一組耐高溫?zé)犭娕迹鼈儼呀饘偃垡阂好嫣帨囟葓龀霈F(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電勢大小的變化；熱磁感應(yīng)法測溫元件為一組熱敏磁性元件，把金屬熔液液面處溫度場出現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電抗（電感）大小的變化。7.1.6超聲波法

超聲波液位計利用波在介質(zhì)中的傳播特性。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。 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。(a)氣介式(b)液介式(c)固介式圖7-13單探頭超聲波液位計 由圖7-13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L便可知液位，L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)。

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，對于固介式，需要有兩根金屬棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。超聲波液位測量有許多優(yōu)點：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；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；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；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。超聲波液位測量也有缺點：超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格相對昂貴；當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波液位計應(yīng)有相應(yīng)的補償措施，否則嚴(yán)重影響測量精度；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。7.1.7核幅射法

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)。

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)。幅射源在結(jié)構(gòu)上只能允許射線經(jīng)鉛室的一個小孔或窄縫透出。 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。

圖7-14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。a)b)圖7-14核輻射式液位計1-放射源；2-接收器 輻射式液位計既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行定點發(fā)送信號和進(jìn)行控制；射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實現(xiàn)完全非接觸測量。以上這些特點使得輻射式液位計適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下不常有人之處的液位測量，如高溫、高壓、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測量。但在使用時仍要注意控制劑量，作好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害。7.1.8微波法

在電磁波譜中將波長為1～1000mm的電磁波稱為微波。微波的特點是:

(1)在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；

(2)在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小，具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力。

1.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。圖7-15反射式微波液位計原理圖

微波功率的測量通?？捎脽犭娀驘嶙璧仍?，再配合相應(yīng)的測量電路，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集和信號處理根據(jù)接收到的微波信號功率，顯示和輸出液位測量結(jié)果。 在測量環(huán)境有大量水蒸汽時，由于水（蒸汽）會對微波產(chǎn)生強烈吸收，因