中国石油大学化工检测仪表第四章物位测量

1、第四章第四章 物位测量物位测量 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 浮力式物位计浮力式物位计 第三节第三节 差压式物位计差压式物位计 第四节第四节 电容式物位计电容式物位计 第五节第五节 射频导纳式物位计射频导纳式物位计 第六节第六节 超声式物位计超声式物位计 第七节第七节 雷达式物位计雷达式物位计 第八节第八节 辐射式物位计辐射式物位计 其它物位计其它物位计 小结小结 液位液位气体和液体间的分界面。气体和液体间的分界面。 第一节第一节 概概 述述 界位界位两种不同液体间的接触面；液体与固体间的两种不同液体间的接触面；液体与固体间的 接触面。接触面。 料位料位气体与固体颗粒或粉末的分界面。气

2、体与固体颗粒或粉末的分界面。 测量测量固体粉末或颗粒状物质的堆积高度固体粉末或颗粒状物质的堆积高度 物位物位：存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。：存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。 测量目的测量目的 2 .对物位进行显示、控制、报警、联锁，保证连续生产和安全。对物位进行显示、控制、报警、联锁，保证连续生产和安全。 1 .正确测知容器或设备中介质容量或质量，进行成本核算（油库）正确测知容器或设备中介质容量或质量，进行成本核算（油库） 第二节第二节 浮力式物位计浮力式物位计 利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液体中浮利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液体中浮 子的浮力变化测知液位或界位。子

3、的浮力变化测知液位或界位。 (1) (1) 恒浮力式恒浮力式 自动跟踪式、浮标式、浮球式、钢带式液位计自动跟踪式、浮标式、浮球式、钢带式液位计等。等。 (2) (2) 变浮力式变浮力式 浮筒式液位计浮筒式液位计 浮力不变。浮子永远漂浮在液面上，位置随着液位变化。浮力不变。浮子永远漂浮在液面上，位置随着液位变化。 浮力变化。浮子浸没在液体里，浮力随液位变化。浮力变化。浮子浸没在液体里，浮力随液位变化。 确定浮标位置确定浮标位置液位液位 确定浮力变化确定浮力变化液位液位 测量原理：测量原理： 原理示意原理示意 （一）磁翻转式液位计（一）磁翻转式液位计 每个每个翻板翻板或或翻球翻球的翻转直径一般为的

4、翻转直径一般为10mm10mm（误差）。（误差）。 一、恒浮力式一、恒浮力式 浮子位置随液位高低而变，检测其位移，可知液位高度。浮子位置随液位高低而变，检测其位移，可知液位高度。 两边不同颜色（红、白）两边不同颜色（红、白） 特点特点 (1)(1)就地指示，就地指示，指示新颖、读数直观、醒目。指示新颖、读数直观、醒目。 (2) (2) 指示机构与被测介质完全隔离，因而密封性好，指示机构与被测介质完全隔离，因而密封性好， 可靠性高，使用安全。可靠性高，使用安全。 (3) (3) 耐腐蚀、无需电源、防爆。耐腐蚀、无需电源、防爆。 第二节第二节 浮力式物位计浮力式物位计 （二）浮球式液位计（二）浮球

5、式液位计 OBGOAFW )（ 1. 工作原理工作原理 2. 特点特点 （1）量程小，受连杆长度和角度限制；）量程小，受连杆长度和角度限制； （2）精度低，最高）精度低，最高0.5级左右；级左右； （3）适用于温度、粘度较高，压力不适用于温度、粘度较高，压力不 高的液位测量高的液位测量。常压塔底液位。常压塔底液位 W浮球的重力；浮球的重力； G重锤的重力；重锤的重力； OA转轴到浮球中心垂直距离；转轴到浮球中心垂直距离； OB转轴到重锤中心垂直距离。转轴到重锤中心垂直距离。 内浮球液位计内浮球液位计 P4MPa，T450，0.55g/cm3H 1200mm H F (W-F) 杠杆顺时针转动杠

6、杆顺时针转动F 返回返回 （三）（三） 浮子钢带液位计浮子钢带液位计 FWT HFTWF TWF 恒力弹簧通过钢带直到 液位 浮子 整个系统整个系统力平衡原理力平衡原理，但对于浮子本身仍为，但对于浮子本身仍为恒浮力原理恒浮力原理。 恒力弹簧恒力弹簧在自由状态卷紧在恒力在自由状态卷紧在恒力 弹簧轮弹簧轮9上，受力反绕轴上，受力反绕轴8上上恢复恢复 力力f8始终保持常数始终保持常数 。 T不变不变 钉轮轴上安装转角传感器或变送器，可实现液位信号的远传。钉轮轴上安装转角传感器或变送器，可实现液位信号的远传。 钢带线位移钢带线位移钉轮角位移钉轮角位移 第二节第二节 浮力式物位计浮力式物位计 机械部 分

7、 电路部 分 2 2 特点特点 （1 1）测量范围宽，一般为）测量范围宽，一般为0 020m20m。 （2 2）精度高，可达）精度高，可达 %03. 0 （4 4）可以）可以就地指示或远传就地指示或远传。就地指示为机械结构，不需能源。就地指示为机械结构，不需能源。 （5 5）传动部件多传动部件多，易发生故障，维护量大，对安装要求比较高。，易发生故障，维护量大，对安装要求比较高。 （3 3）适用）适用中、小型中、小型常压常压储罐，但储罐，但 2020以上的油罐不宜采用，以上的油罐不宜采用， 罐越高，安装的平行罐越高，安装的平行 度、垂直度以及盘簧的质量要求越高；度、垂直度以及盘簧的质量要求越高；

8、 （四）（四） 自动跟踪式液位计自动跟踪式液位计 1 测量原理 液位不变时弹簧力与浮标系统所液位不变时弹簧力与浮标系统所 受重力和浮力之差实现力矩平衡，铁受重力和浮力之差实现力矩平衡，铁 芯位于差动变压器中间位置。芯位于差动变压器中间位置。 0 0 v 杠杆失去平衡 液位浮力浮标对杠杆的拉力杠杆带动铁心 杠杆带动铁心浮标对杠杆的拉力浮标可逆电机正转 o V 0 o V 直至，电机停转，重新达到平衡 第二节第二节 浮力式液位计浮力式液位计 原理示意原理示意 2 2 特点特点 （1） 测量范围宽，可达测量范围宽，可达20m（大罐）（大罐）； （2） 精精度高，可达度高，可达0.02% ,0.02%

9、 ,但粘稠介质、流动介质会影响精度。但粘稠介质、流动介质会影响精度。 第二节第二节 浮力式液位计浮力式液位计 二、变浮力式二、变浮力式 介质浸没物体的高度或密度变化时，物体所受浮力发生介质浸没物体的高度或密度变化时，物体所受浮力发生 变化。由浮力的变化可测知物位高度。变化。由浮力的变化可测知物位高度。 ( (一）弹簧式一）弹簧式浮筒式液位计浮筒式液位计 工作原理：工作原理： C 弹簧刚度；弹簧刚度； x 弹簧压缩位移；弹簧压缩位移； A 浮筒截面；浮筒截面； H 浮筒浸没高度；浮筒浸没高度； gAHWCx H浮筒上移浮筒上移x gxHHAWxxC )()( HKH gAC gA x 第二节第二

10、节 浮力式液位计浮力式液位计 （二）扭力管式浮筒液位计（二）扭力管式浮筒液位计 1.1.测量元件测量元件作用：作用：H H 浮力浮力 Fx扭角扭角 H = H时：时：扭力扭力作用力为作用力为 21 () (1) x FWA Hxg WAkHgk H=0时：扭力杆作用力为时：扭力杆作用力为 0 =k1max 扭力管产生扭角扭力管产生扭角max(约约7) H = Hmax时，时，扭力管产生最小扭角为扭力管产生最小扭角为min (约约2)。 Fx 原理示意原理示意 液位液位H 与与 成比例关系成比例关系。 x=k2H 021max1 (1)()420 x FFFAkgHkkmA 第三节第三节 变浮力

11、式液位计变浮力式液位计 2. 转换器转换器 u I0 转角转角电量信号的转换通过电量信号的转换通过差动变压器差动变压器完成。完成。 设动臂转角变化为设动臂转角变化为= max-，则，则 %100K max K 比例系数。比例系数。 短路环短路环转至中舌转至中舌最左端最左端 时，时，K=0；转至；转至最右端最右端时，时， K=100%。 01=K0 02 =（1-K）0 感应电压感应电压u1、u2与线圈磁通成正比。与线圈磁通成正比。 因因涡流效应涡流效应磁力线不能穿过短路环，磁力线不能穿过短路环，中舌磁通中舌磁通0以短路环以短路环 为界为界分成左、右两部分分成左、右两部分。 差动变压差动变压 器

12、器 max= max-min 因为铁芯两臂及两次因为铁芯两臂及两次 级线圈完全对称：级线圈完全对称： u2=(1-K ) Z0 =Z02 021 Z)1K2(uuu u1=KZ0 =Z01 u与与K成正比，因成正比，因K与与成正比，则成正比，则u与与成正比成正比。 Z 磁通磁通-电压转换系数。电压转换系数。 2. 转换部分转换部分作用：作用：将将u I0 第二节第二节 浮力式液位计浮力式液位计 1. 量程由浮筒长度决定。（适用小液位）量程由浮筒长度决定。（适用小液位） 国产：国产：300、500、800、1200、1600、2000mm （四）特点（四）特点 3. 当被测介质当被测介质密度变化

13、时，必须进行密度修正。密度变化时，必须进行密度修正。 2. 可测液位、界位。可测液位、界位。 （适用工艺生产监控）（适用工艺生产监控） 4.只能用于测量轻、净介质，只能用于测量轻、净介质，不适合高粘度介质测量不适合高粘度介质测量 （粘）（粘）。 适用适用密度范围密度范围：液位计液位计0.51.5g/cm3； 界位计界位计0.1 0.5g/cm3( (密度差）密度差） 液位计精度：液位计精度：1.0（0.5） 界位计精度：界位计精度：1.5 浮筒液位计的安装浮筒液位计的安装 （五）校验（五）校验 x w x w HH Hx 、Hw分别为被测介质的液位高度和水的高度；分别为被测介质的液位高度和水的

14、高度； x 、w 分别为被测介质的密度和水的密度；分别为被测介质的密度和水的密度； 1. 以水代校法以水代校法 2 (1):420 xx FWAHkgImA 22 (1)(1) wwxx AHkgAHkg 浮力相等：浮力相等： （2 2）被测介质：被测介质：非水非水 x w x w HH LH maxx 校验点校验点(%L): 0 25 50 75 100 Hw (%L): 0 输出输出(mA): 4 8 12 16 20 25 w x 50 w x 75 w x 100 w x （1）被测介质被测介质:水水 校验点校验点(%L): 0 25 50 75 100 输出输出(mA): 4 8 1

15、2 16 20 反复调反复调“零位零位”、调、调“满度满度”，直至误差和量程满足要求。，直至误差和量程满足要求。 x w x w HH 在浮筒与杠杆连接处，在浮筒与杠杆连接处，取下浮筒内筒，取下浮筒内筒，用砝码代替内筒用砝码代替内筒对应对应 不同液位产生的浮力不同液位产生的浮力F与浮筒自重与浮筒自重W的差值，挂以不同砝码的差值，挂以不同砝码G， 校验液位高度与输出之间的对应关系。校验液位高度与输出之间的对应关系。 2. 挂重法挂重法 :420 x FKWAH gImA 校验点校验点(%L): 0 25 50 75 100 G : W 输出输出(mA): 4 8 12 16 20 max 25%

16、WAHgmax WAHg 420 x FmAG 验证验证：扭力与输出电流的关系。 若浮筒本身问题？若浮筒本身问题？ 扭力扭力=砝码重力：砝码重力： 扭力管式浮筒扭力管式浮筒界位计界位计 H = H时：时：扭力扭力作用力为作用力为 H=0时：扭力杆作用力为时：扭力杆作用力为 液位液位H 与与 成比例关系成比例关系。 x=k2H Fx H L 21x FWALgk 12 2212 1 ()() (1)() x FWA HxgA LHxg WALgAHkg k 0212 1max1 (1)() ()420 x FFFAkgH kkmA 校验点校验点(%L): 0 25 50 75 100 Hw (%

17、L): 输出输出(mA): 4 8 12 16 20 1 100 w Fx H L 以水代校法以水代校法 2212 1 (1)() 420 xx FWALgAHkg kmA 浮力相等：浮力相等： 212 () wwx AHgALgAHg 212 ()/ wxw HLH 2 100 w （六）浮筒液位计常见故障（六）浮筒液位计常见故障 （1）外筒有杂物进入外筒有杂物进入： 内筒体卡住 ： 现象 （液位计输出电流长时间不变化） 有时敲打外筒后恢复正常。 内筒体挂料 ： 现象（液位计输出电流指示变低） （3）内筒破裂：内筒破裂：现象（液位计输出指示零下） 腐蚀强的物料易出现。 （2）内筒脱落内筒脱落

18、：现象（液位计输出电流突然窜至最大） 很少出现，液位剧烈波动时才有可能。 :420 x FWAH gKImA （六）浮筒液位计常见故障（六）浮筒液位计常见故障 （4）被测介质密度变化被测介质密度变化： 现象（液位计输出指示与实际不符） 温度升高造成密度变低密度变低（或含气泡），浮力减小，指示偏低。 温度降低造成密度变大密度变大，浮力增加，液位指示偏高。 :420 x FWAH gKImA 第三节第三节 静压式液位计静压式液位计 测量原理测量原理 零点迁移零点迁移 法兰式液位计法兰式液位计 吹气法液位计吹气法液位计 - +- PPgHPP PPPgH 气气 ， 其中：其中：P差压值；差压值； H

19、液位高度；液位高度； 介质密度；介质密度； g重力加速度。重力加速度。 敞口容器：敞口容器：差压变送器负压室通大气差压变送器负压室通大气, ,或压力变送器。或压力变送器。 密闭容器：密闭容器：差压变送器负压室连接容器的气相部分。差压变送器负压室连接容器的气相部分。 密度密度已知，通过已知，通过P的测量计算的测量计算H 根据流体静力学原理：根据流体静力学原理： PH 第三节第三节 静压式液位计静压式液位计 一、工作原理一、工作原理 minmax :420PPPImA - +- PPgHPP PPPgH 气气 ， 1. 安装之前，设计过程：安装之前，设计过程：确定差压变送器测量范围确定差压变送器测

20、量范围 （1）根据工艺要求，得到测量范围：）根据工艺要求，得到测量范围： （2）根据测量范围和安装位置计算差压范围）根据测量范围和安装位置计算差压范围 minmax :H HH m inm axm inm ax :HHHPPP 如：如：0-10m :0 1000 9.8 1098PPaKPa例： （3）根据计算得到的差压范围，）根据计算得到的差压范围，调整调整差压变送器测量范围差压变送器测量范围，使，使 =0 KPaI=4mA =98KPaI=20mA P P 例： 然后，安装后可使用然后，安装后可使用 min max =I=4mA =I=20mA PP PP 调整零点： 调整量程： 2. 实

21、际测量时：实际测量时： 根据设计要求安装后，正常测量时，以下关系已确定根据设计要求安装后，正常测量时，以下关系已确定 一一对应关系一一对应关系 线性线性 线性线性 使用时，使用时，I0已知，计算已知，计算H（过程相反）：（过程相反）： minmaxminmax 420mA( PP() o IPH HH 差压变送器 （） minmaxminmax :420H HHPPPImA 0-10m0-98KPam 例例4-1：I0=12mA，计算，计算H： 124 P(980)0=49KPa 204 490 H(100)0=5m 980 二、零点迁移二、零点迁移 +- PPPgH 差压变送器测液位，一般情

22、况下：差压变送器测液位，一般情况下： 实用中，大多数情况下，由于安装位置不同、特殊工艺要实用中，大多数情况下，由于安装位置不同、特殊工艺要 求等，当求等，当H=0 ，P 0，差压下限不为，差压下限不为0，但是差压变送器，但是差压变送器 买来时通常为买来时通常为0，存在根据需要进行存在根据需要进行零点迁移（调整）零点迁移（调整）问题。问题。 此为理想情况，称为此为理想情况，称为无迁移无迁移。 当当H=0 ，P =0， I =4mA，不需要调零点，不需要调零点 （差压变送器出厂时，（差压变送器出厂时，P min=0） 实用中，大多数情况下，存在实用中，大多数情况下，存在零点迁移零点迁移问题。问题。

23、 1. 正迁移正迁移 ghgHp 正迁移正迁移 + pHgh g - 0p 例例4-2:4-2: H = 0 Pmin=h1g 0，I =4mA ；正迁移正迁移 H = Hmax Pmax=Hmaxg + hg I =20mA minmaxmax :420H HHPghghgHImA H = 0, P = 49kPa ，调零点迁移使，调零点迁移使 I= 4mA； H = Hmax , Pmax= 98+49=147kPa, 调量程迁移使调量程迁移使 I= 20mA。 :0 10:49 147420HmPKPamA 例例: H:0-10m, h=5m，=1000kg/m3， 变送器原先测量范围：

24、变送器原先测量范围：0-98kPa Hmaxg=98kPa（量程）（量程） hg = 49kPa， 与安装位置有关与安装位置有关 2. 负迁移负迁移 1 pHghg 负压侧与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐。负压侧与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐。 H = 0 Pmin= -h1g0H0时时 ， 存在问题：对于存在问题：对于导电粘滞性液体，导电粘滞性液体，随物位升降电极挂料导致电随物位升降电极挂料导致电 容值加大，产生误差大。容值加大，产生误差大。 Cx= C + C挂 挂 jwC jwLRZ 1 Z Y 1 射频导纳技术：射频导纳技术：能消除挂料影响能消除挂料影响的液位测量技术。的液位测量技术。

25、测电容测电容 测导纳测导纳 射频：射频：即高频，所以射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳 导纳：导纳：阻抗的倒数 阻抗：阻抗：交流电路中电阻成分、电容成分、电感成分综合而成 电容式物位计：电容式物位计： 液位液位 液位液位 消除挂料影响消除挂料影响 射频导纳式物位计：射频导纳式物位计： 导电、粘稠导电、粘稠 第五节第五节 射频导纳物位计射频导纳物位计 H r R C ln 2 测得总电容为：测得总电容为： C真实物位真实物位H的对应的电容；的对应的电容； Cx= C + C挂 挂 C挂 挂导电挂料所表现的电容。 导电挂料所表现的电容。 Cx实际测得的实际测得

26、的H对应的电容。对应的电容。 射频导纳：测得射频导纳：测得C挂 挂 电容法：电容法： 测得测得Cx C = Cx-C挂 挂 真实物位真实物位H 物料横截面积物料横截面积挂料层横截面积挂料层横截面积且具有导电性，则且具有导电性，则物料电阻可略。物料电阻可略。 挂料层电阻不能忽略挂料层电阻不能忽略。 根据电学原理：如果根据电学原理：如果挂料足挂料足 够长够长(2cm)，则挂料的电容，则挂料的电容 和电阻部分的和电阻部分的阻抗阻抗和和容抗容抗数数 值相等：值相等： R C X C 挂挂 挂挂 1 用交流鉴相采样器，分别 测量：总电容总电容Cx和电阻电阻R C挂 挂 R Cx C = Cx-C挂 挂

27、H r R C ln 2 真实物位真实物位H 适用于适用于水处理、造纸、冶金、电力、石油化工等系水处理、造纸、冶金、电力、石油化工等系 统统污水处理、纸浆、化学制剂、煤粉灰浆、原油等测量。污水处理、纸浆、化学制剂、煤粉灰浆、原油等测量。尤尤 其适用于导电其适用于导电(电导率电导率100s/cm) 的粘稠介质。的粘稠介质。 （2）不受挂料、温度、压力、材料密度、湿度、）不受挂料、温度、压力、材料密度、湿度、 甚至物料化学特性变化的影响。甚至物料化学特性变化的影响。 （3）精度：）精度：0.5级左右级左右 2. 特点及适用范围特点及适用范围 非接触式测量物位计非接触式测量物位计 第六节第六节 超声

28、波物位计超声波物位计 第七节第七节 雷达物位计雷达物位计 第八节第八节 核辐射物位计核辐射物位计 1. 基本概念基本概念 第六节第六节 超声物位计超声物位计 声波的本质：是一种机械波。 次声可听声超声微波 4 10 1 10 2 10 5 10 8 10 11 10 14 10 频率 f (Hz) 可听声波：2020 K Hz，能为人耳所闻的机械波； 次声波：低于20Hz的机械波； 超声波：高于20 KHz的机械波； 微波：频率高于3108 Hz的波。 超声波的特点： （c）在媒质中传播时能产生巨大的作用力，可以用来 为硬质材料做切割、凿孔等； （a）方向性好，几乎沿直线传播； （b）穿透能力

29、强，能穿透许多电磁波不能穿透的物质； （d）衰减快。 除蝙蝠外,海豚,江豚,白暨豚等某些水生哺乳动物也发出、 并利用超声波探测目标。 蝙蝠通过它的嘴巴和鼻孔向外发射强烈的超声波，并 用它的耳朵收听反射回来的超声波，以此探测目标， 使飞行、捕食成功率极高。更能抗住比它发出的超声 波强100倍的噪声干扰。 一些动物采用超声探测目标 11 22 1 gL a B C B （1）超声波的传播速度 与其他声波一样，超声波波速与介质密度和弹性有关。 超声波在气体和液体中(纵波)的传播速度CgL为： 式中： 介质的密度； Ba 绝对压缩系数（B为容变模量）。 （2）声阻抗 声阻抗值一般为固体液气体。 声阻抗

30、 = 密度 * 声速Zu 几种媒质的声速和声阻抗 （3） 超声波的反射和折射 凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时， 产生反射与折射。 当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生 反射与折射。 超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。 满足折射定律：1 2 sin sin v v 如果sinav1/ v2，入射波产 生全反射、没有折射。 (4) 超声波的散射与绕射 超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。 当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生散 射与绕射。 超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长的介质时， 产生散射与绕射。 散射为小介质向四

31、周发散超声，又成为新的声源； 绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。 散射 绕射 2 0 Ax II e （5） 超声波的衰减 （3）晶粒越粗或介质密度越小，衰减越快。 式中：I0 距声源x0处的声压和声强； x观测点与声源间的距离；A衰减系数。 超声波在一种介质中传播时，其声压和声强按指数函数规律 衰减。在平面波的情况下，距离声源 x 处的声强衰减规律如下： （1）超声频率愈高，介质的吸收愈多、衰减也越快； 超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱 的现象称为超声的衰减。其主要原因有： （2）由于反射/折射/散射等使传播方向上的能量减弱. 设超声探头至物位的垂直距离为设超声探

32、头至物位的垂直距离为H，由发射到接收的时间，由发射到接收的时间 为为t，超声波在介质中传播的速度为，超声波在介质中传播的速度为v，则：，则： 1 2 HLdLv t 若介质若介质v已知，测得已知，测得t可确定可确定 距离距离H，即得被测物位高度。，即得被测物位高度。 1. 测量原理测量原理 第六节第六节 超声物位计超声物位计 利用超声波遇到被测物体表面产生反射：利用超声波遇到被测物体表面产生反射：采用发射-反射- 接收的工作模式。回声测距回声测距法法。 频率超过20kHz的声波 （6） 超声波的超声场特性 超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区 域称超声场。超声场具有以下特点： 近

33、场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似 球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高， 直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中。 如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发 射的超声波能量集中成束状向前传播，称为超声的指向性。 换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平 行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声 强分布不均匀(盲区)。 发射声波发射声波：在压电在压电晶体晶体两端面的电极上两端面的电极上加高频交变电场加高频交变电场，沿着晶，沿着晶 体厚度方向会体厚度方向会产生与交变电压同频率的机械振动产生与交变电压同频率的机械振动，向附近发射声，向附

34、近发射声 波。波。-逆压电效应： 电能机械能 也称也称电致伸缩效应。电致伸缩效应。 2. 超声波换能器超声波换能器 逆压电效应逆压电效应 用作发射换能器。用作发射换能器。 接收声波：正压电效应-机械能转变为电能 正压电效应正压电效应 用作用作接收接收换能器。换能器。 超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。 高频脉冲 发生器 高频脉冲 发生器 压电晶体 超声波 GE公司的超声波探头 3、超声物位测量方法、超声物位测量方法 据传声介质分据传声介质分气介式、液介式气介式、液介式和和固介式固介式。 据探头工作方式分据探头工作方式分单探头单探头和和双探头双探头方式。方式。 第六节第六节

35、 超声物位计超声物位计 （1）气介式气介式超声液位计超声液位计 1 2 HLvt 特点：特点：(1) 传播的是机械波，传播的是机械波，速度速度V与传播介质的密度与传播介质的密度(成分、温成分、温 度）有关。度）有关。 (2)采用气体作为采用气体作为传播介质传播介质气体密度变化大、不均匀。气体密度变化大、不均匀。 V、L已知已知, tH B v 测量误差大，精度低测量误差大，精度低 测量原理示意测量原理示意 （2）液介式液介式超声液位计超声液位计 1 2 Hvt 采用液体作为采用液体作为传播介质传播介质，减少介质对减少介质对 传播速度的影响。传播速度的影响。 01 2/vLt 校正探头用于测量校

36、正探头用于测量v v： 测量探头用于测量测量探头用于测量H H： 活动校正具方法活动校正具方法 4. 特点特点 （1 1）可测量）可测量10-30的液位的液位,测量精度可达测量精度可达6； （2 2）由于声波是机械能，受传播媒介的成分、温度的变化）由于声波是机械能，受传播媒介的成分、温度的变化 引起引起V V 变化，考虑修正。变化，考虑修正。 （5 5）测量有一定的盲区）测量有一定的盲区。 （4 4）气介：非接触式）气介：非接触式。 液介：接触式液介：接触式。 （6 6）通过压电晶体振动发射）通过压电晶体振动发射 声波，不能用于高压声波，不能用于高压 （0.3MPa)0.3MPa)、负压、高温

37、；、负压、高温； （3 3）穿透能力、方向性强）穿透能力、方向性强 第七节第七节 雷达物位计雷达物位计 1. 工作原理工作原理 C电磁波传播速度电磁波传播速度, 300000km/s； d被测介质液面与探头间距；被测介质液面与探头间距； 测量以光速测量以光速c传播的超高频电磁波发射与反射间的时差传播的超高频电磁波发射与反射间的时差t，确，确 定天线与反射面之间的高度（空高定天线与反射面之间的高度（空高d）。）。 天线以波束的形式发射天线以波束的形式发射最小最小5.8GHz的雷达信号。的雷达信号。 特点：特点：传播的是电磁波，传播的是电磁波，速度速度V与介质密度、温度等无关。与介质密度、温度等无

38、关。 1 2 HLdLCt 1 2 HLdLCt 调频连续波调频连续波 脉冲波脉冲波 t t的测量的测量： 发射信号与反射信号频率的发射信号与反射信号频率的差频差频f，它正比于延迟时，它正比于延迟时 间间t，即正比于，即正比于d。 调频连续波：调频连续波：天线发射的微波是天线发射的微波是频率波线性调制频率波线性调制的的 连续波连续波,当回波被天线接收到时当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变。天线发射频率已经改变。 10GHz f 功耗大，须采用四线制，电子电路复杂。功耗大，须采用四线制，电子电路复杂。 1 2 HLdLCt 脉冲波：脉冲波：测量系统经过天线以固定的带宽周期地发 射某一固定

39、频率的微波脉冲，在被测物料表面产生反 射后由雷达系统所接收。 功耗功耗小小，采用，采用两两线制，线制，24VDC，本安，本安。 2. 特点及适用范围特点及适用范围 （2）非接触测量方式非接触测量方式，安装方便。，安装方便。 （3）适用于）适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易爆易燃介质。高粘度、易结晶、强腐蚀及易爆易燃介质。尤其大尤其大 型立罐和球罐型立罐和球罐等等导电导电粘稠介质液位测量。粘稠介质液位测量。 （1）测量精度比超声液位计高，可达）测量精度比超声液位计高，可达0.25级，或级，或1mm; 气体压力、温度波动变化不影响电磁波传播速度。气体压力、温度波动变化不影响电磁波传播速度。 （4）测

40、量范围大：）测量范围大：040m。 （6）价格比超声式贵（测量电路难度大）价格比超声式贵（测量电路难度大） （5 5）穿透能力、方向性比超声差）穿透能力、方向性比超声差 （7）介电常数介电常数1.4：介质对微波介质对微波反射能力反射能力与介电常数与介电常数有关有关 对于介电常数小或泡沫对于介电常数小或泡沫 为了消除有可能因容器的形状而导致多重回波所产生的干扰影 响，或是在测量相对介电常数较小的介质波面时，用来提高反 射回波能量，以确保测量准确度。 导波雷达导波雷达 1 t 2 t 界面测量的要求：上层介质的相对介电常数需显著小于下层 介质的相对介电常数（1/10），如果两种介质的相对介电常 数

41、无显著差异的话，将无法正确测量界面。 磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计 测量原理 低压电流脉冲，低压电流脉冲， 开始计时开始计时 电脉冲（“询问脉冲”）伴随一 个环形磁场以光速向前传递，当 该环形磁场遇到浮子中永久磁铁 的纵向磁场时，将产生超声扭转 波返回（“返回脉冲”） 脉冲速度已知，测出“询问脉 冲”和“返回脉冲” 的时间差， 确定浮子的精确位置。 H=v t2830m/sv 磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计 （1）测量高，1mm 特点：特点： （2）可同时测量两种不同液体 之间的界位测量。 （3）不适合高粘度、重油。 （4）介质密度也影响精度。 放射性同位素能放射出放射性同位素能放射出、和和射线射线，透射某些物质。，透射某些物质。 透射强度随通过介质厚度的增加而减弱。透射强度随通过介质厚度的增加而减弱。 I =I0 e-H 介质对射线的吸收系数；介质对射线的吸收系数； H 介质层的厚度；介质层的厚度； I 穿过介质后的射线强度。穿过介质后的射线强度。 放射源选定，被测介质不变时，放射源选定，被测介质不变时，I0 与与均为常数。均为常数。 1. 工作原理工作原理 气液固 射线可穿透几十厘米钢板。射线可穿透几十厘米钢板。 Iln 1 Iln 1 H 0 放射源大