第七章物位检测技术

1、信息采集技术第第7 7章章 物位检测技术物位检测技术 物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不溶液物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不溶液体介质的分界面的高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的体介质的分界面的高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。根据具体用途分为总称。根据具体用途分为液位液位、料位、相界面位置传感器料位、相界面位置传感器。 工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储的物工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储的物质的体积量和质量质的体积量和质量, ,能迅速正确反映某一特定基准面上物料的相能迅速正确反映某一特定基准面上物料的相对变化对变化,

2、 ,监视或连续控制容器设备中的介质物位监视或连续控制容器设备中的介质物位, ,或对物位上下或对物位上下极限位置进行报警。极限位置进行报警。液位液位 一般水平一般水平, ,有沸腾和起泡的。有沸腾和起泡的。料位料位 自然堆积，料面不平。自然堆积，料面不平。相界面位置相界面位置 液液相界面，液固相界面。液液相界面，液固相界面。电子信息工程系信息采集技术7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 分为直接检测方法和间接检测分为直接检测方法和间接检测方法，常用间接检测方法。方法，常用间接检测方法。7.1.1 7.1.1 直接测量法直接测量法 根据液体的连通性原理测量液根据液体的连通性原理测量液位。位。优点

3、：简单、经济、直观、无需优点：简单、经济、直观、无需 外界能源、防爆安全。外界能源、防爆安全。缺点：信号不能远传、容器内温缺点：信号不能远传、容器内温 度压力不能太高、不能测度压力不能太高、不能测 量粘稠和深色介质。量粘稠和深色介质。电子信息工程系信息采集技术7.1.2 7.1.2 压力法压力法 根据液体重量所产生的压力进行测量。根据液体重量所产生的压力进行测量。 液位高度与液体静压力成正比。液位高度与液体静压力成正比。 式中：式中：H-H-为液位高度（为液位高度（m m）; ; - -为液体的密度（为液体的密度（kg/mkg/m3 3）; ; g- g-为重力加速度（为重力加速度（m/sm/

4、s2 2）; ; P- P-为容器底部的压力（为容器底部的压力（PaPa）。）。常压开口容器液位测量：常压开口容器液位测量：压力表式液位计、法兰式液位变送压力表式液位计、法兰式液位变送器、吹气式液位计。器、吹气式液位计。密闭容器中的液位测量：密闭容器中的液位测量： 除上述三种方法外，可用差压法除上述三种方法外，可用差压法进行测量。进行测量。 gPH 电子信息工程系信息采集技术7.1.3 7.1.3 浮力法浮力法 浮力法测液位是依据浮力法测液位是依据力平衡力平衡原理，根据浮子高度随液位高低原理，根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液而改变或液体对浸沉在液体中

5、的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理测量液位。位高度变化而变化的原理测量液位。1 1、钢带浮子式液位计、钢带浮子式液位计 电子信息工程系信息采集技术 外浮球式液位计外浮球式液位计适合测量温度较高、适合测量温度较高、 粘度较大粘度较大的液体介质的液体介质, 但量程范围较窄。但量程范围较窄。浮球式液位控制器浮球式液位控制器4电子信息工程系信息采集技术2 2、浮筒式液位计、浮筒式液位计 浮筒式液位计属于变浮力液位计，通过测浮筒式液位计属于变浮力液位计，通过测量浮力的变化确定出液位的变化量。量浮力的变化确定出液位的变化量。电子信息工程系信息采集技术7.1.4 7.1.4 电学法电学法1

6、1、电阻式液位计、电阻式液位计基于液位变化引起电极间电阻变化基于液位变化引起电极间电阻变化的工作原理。的工作原理。缺点：介质腐蚀性将会影响电阻棒缺点：介质腐蚀性将会影响电阻棒 的电阻和寿命。的电阻和寿命。2 2、电感式液位计、电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化。线圈电感变化。电感式液位计由于浮子与介质接电感式液位计由于浮子与介质接触，不宜于测量易结垢、腐蚀性强触，不宜于测量易结垢、腐蚀性强的液体及高粘度浆液。的液体及高粘度浆液。电子信息工程系信息采集技术3 3、电容式液位计、电容式液位计 电容式液位计利用液位高低电容式液位计利用液位高低变化影响

7、电容器电容量大小的原变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。理进行测量。测量导电介质：测量导电介质： 单电极电容式液位计；单电极电容式液位计；测量非导电介质：测量非导电介质： 同轴双层电极电容式液位计；同轴双层电极电容式液位计；电子信息工程系信息采集技术7.1.5 7.1.5 热学法热学法 冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。1 1、热电法、热电法 采用热电偶测量温度场。采用热电偶测量温度场。 是一种较为粗略的测量方法，精度一般不高。是一种较为粗略的测量方法，精度一般不高。2 2、热磁感应法、热磁感应法 热磁敏法热敏磁性材料作为感温元件。热磁敏法热敏

8、磁性材料作为感温元件。7.1.5 7.1.5 超声波法超声波法 超声波液位计是利用波在介质中的传播特性超声波液位计是利用波在介质中的传播特性制造的。制造的。振动在弹性介质内的传播称为波动振动在弹性介质内的传播称为波动, , 简称波。频简称波。频率在率在162162104 Hz104 Hz之间之间, , 能为人耳所闻的机械波能为人耳所闻的机械波, ,称为声波称为声波; ; 低于低于16 Hz16 Hz的机械波的机械波, , 称为次声波称为次声波; ; 高高于于2 2104 Hz104 Hz的机械波的机械波, , 称为超声波。称为超声波。电子信息工程系信息采集技术 当超声波由一种介质入射到另一种介

9、质时当超声波由一种介质入射到另一种介质时, , 由于在两种介质由于在两种介质中传播速度不同中传播速度不同, , 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。现象。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等磁式等, ,而以压电式最为常用。而以压电式最为常用。 压电式超声波探头压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, , 这这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的效应来工作的:

10、 : 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, ,从而产生超声波从而产生超声波, , 可作为发射探头可作为发射探头; ; 而利用正压而利用正压电效应电效应, , 将超声振动波转换成电信号将超声振动波转换成电信号, , 可用为接可用为接收探头。收探头。 电子信息工程系电子信息工程系信息采集技术 压电式超声波探头：主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、压电式超声波探头：主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。压电晶片多为圆板形保护膜组成。压电晶片多为圆板形, , 厚度为厚度为。超声波频率。超声波频率f f与其厚度与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层成

11、反比。压电晶片的两面镀有银层, , 作导电的极作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, ,吸收声能量。如果吸收声能量。如果没有阻尼块没有阻尼块, ,当激励的电脉冲信号停止时当激励的电脉冲信号停止时, ,晶片将会继续振荡晶片将会继续振荡, ,加长超声波的脉冲宽度加长超声波的脉冲宽度, , 使分辨率变差。使分辨率变差。 电子信息工程系信息采集技术 超声波液位计是利用超声波超声波液位计是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉性而制成的。如果从发射超声脉冲开始冲开始, , 到接收换能器接收到反到接收换能

12、器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知射波为止的这个时间间隔为已知, , 就可以求出分界面的位置就可以求出分界面的位置, , 利利用这种方法可以对液位进行测。用这种方法可以对液位进行测。 根据发射和接收换能器的功根据发射和接收换能器的功能能, ,传感器又可分为单换能器和传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能射和接收超声波均使用一个换能器器, , 而双换能器的传感器发射和而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。接收各由一个换能器担任。 电子信息工程系信息采集技术 测量超声波传播的时间，来测量超声波传播的距离。测量超声波

13、传播的时间，来测量超声波传播的距离。选用超声波液位计（测距传感器）应选用超声波液位计（测距传感器）应注意的问题注意的问题：1 1、盲区：换能器表面与检测范围起点间的距离，不能阻挡。、盲区：换能器表面与检测范围起点间的距离，不能阻挡。2 2、物体的颜色不影响测距（透明的玻璃、塑料都能检测），但、物体的颜色不影响测距（透明的玻璃、塑料都能检测），但目标物的温度将影响检测距离（灼热的物体表面对声波反射能目标物的温度将影响检测距离（灼热的物体表面对声波反射能力较弱。力较弱。3 3、纺织品、泡沫状物质、毛皮等能够吸收声波，不易为目标物。、纺织品、泡沫状物质、毛皮等能够吸收声波，不易为目标物。4 4、多个

14、超声波传感器同时工作时，声束相互干扰，、多个超声波传感器同时工作时，声束相互干扰，采用下列方法解决：采用下列方法解决：A A、使用传感器同步功能；、使用传感器同步功能；B B、各传感器交替工作；、各传感器交替工作；C C、最小安装距离。、最小安装距离。电子信息工程系信息采集技术7.1.7 7.1.7 核辐射法核辐射法 不同物质对同位素射线的吸收能力不同。不同物质对同位素射线的吸收能力不同。 测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化来实现。测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化来实现。核辐射液位计：辐射源、接收器和测量仪表组成。核辐射液位计：辐射源、接收器和测量仪表组成。用途：用途：特殊场

15、合和恶劣环境。特殊场合和恶劣环境。注意：注意：控制剂量、做好防护、控制剂量、做好防护、 严防泄漏。严防泄漏。电子信息工程系信息采集技术7.1.8 7.1.8 微波法微波法电磁波中波长为电磁波中波长为1 11000mm1000mm的电磁波称为微波。的电磁波称为微波。微波的特点：微波的特点： 各种障碍上都能产生良好的反射，定向性各种障碍上都能产生良好的反射，定向性能良好，受粉尘、烟雾、火焰及强光影响小，能良好，受粉尘、烟雾、火焰及强光影响小，环境适应能力强。环境适应能力强。1 1、反射式微波液位计、反射式微波液位计 利用微波反射的原理，制作的液位计，利用微波反射的原理，制作的液位计，可以连续检测与

16、实现液位定点控制。可以连续检测与实现液位定点控制。注意：注意：环境含有大量水蒸汽，对测量结果环境含有大量水蒸汽，对测量结果影响较大。影响较大。2 2、调频连续波式物位计、调频连续波式物位计微波物位计的测量精度可达微波物位计的测量精度可达1 1，测量，测量范围一般为范围一般为0.50.520 m20 m。电子信息工程系信息采集技术7.1.9 7.1.9 磁电法磁电法 利用磁电转换原理，进行液位测量磁致伸缩液位计。利用磁电转换原理，进行液位测量磁致伸缩液位计。磁致伸缩现象：磁致伸缩现象：大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导

17、致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为度，这种现象称为磁致伸缩现象磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为现象称为电致伸缩现象电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（

18、或应变）（或应变）来描述，来描述，电子信息工程系信息采集技术（lHlolHlo）lolo， lolo为原来的长度，为原来的长度，IHIH为物质在外磁场作用下伸长（或缩为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的短）后的长度。一般铁磁性物质的很小，约百万分之一，通常用很小，约百万分之一，通常用ppmppm（Parts Per Million Parts Per Million 百万分率）代百万分率）代表。例如金属镍（表。例如金属镍（NiNi）的）的约约40ppm40ppm。电子信息工程系信息采集技术工作原理：振荡发生器产生振荡脉工作原理：振荡发生器产生振荡脉冲，经电子部件内的激励

19、装置加以冲，经电子部件内的激励装置加以变换转换成沿振弦传播的电流脉冲，变换转换成沿振弦传播的电流脉冲，其产生的磁场与油水浮子附近的磁其产生的磁场与油水浮子附近的磁环矢量相加形成螺旋磁场，产生瞬环矢量相加形成螺旋磁场，产生瞬时扭力，使波导线扭动并产生张力时扭力，使波导线扭动并产生张力脉冲，这个脉冲以固定的速度沿振脉冲，这个脉冲以固定的速度沿振弦传回，在接受变压器的线圈中产弦传回，在接受变压器的线圈中产生感生电流脉冲，生感生电流脉冲，通过测量两个脉冲之通过测量两个脉冲之间的时间来精确地确间的时间来精确地确定被测位移量，定被测位移量，电子信息工程系信息采集技术7.1.10 7.1.10 光学法光学法

20、 激光式液位检测仪，由激光发生器、接收器及测量控制电激光式液位检测仪，由激光发生器、接收器及测量控制电路组成。路组成。 一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。电子信息工程系信息采集技术7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 固体物料的状态特性与液体有些差别，有些方法不同。固体物料的状态特性与液体有些差别，有些方法不同。7.2.1 7.2.1 重锤探测法重锤探测法 粗略的方法。定期测定物料。粗略的方法。定期测定物料。7.2.2 7.2.2 称重法称重法 比较粗略的方法。比较粗略的方法。7.2.3 7.2.3 电磁法电磁法 电阻式和电容式同样用于料位

21、测量。电阻式和电容式同样用于料位测量。1 1、电阻式物位计、电阻式物位计 定点控制，要求导电介质或含有一定水分。定点控制，要求导电介质或含有一定水分。2.2.电容式物位计电容式物位计 应用广泛，测量不同性质的物料。应用广泛，测量不同性质的物料。7.2.4 7.2.4 声学法声学法 超声波、音叉式（声振动法）。超声波、音叉式（声振动法）。电子信息工程系信息采集技术7.2.5 7.2.5 光学法光学法 定点控制，不宜用于粘性大的物料测量。定点控制，不宜用于粘性大的物料测量。7.2.6 7.2.6 微波法微波法 7.3 7.3 相界面的检测相界面的检测 液液液相界面、液液相界面、液固相界面。固相界面。超声