第九章 物位检测仪表

1、自动检测技术及仪表自动检测技术及仪表Test & Measurement Technologyand Automation InstrumentsCISTBUCT2012TMT&AI 检测仪表检测仪表l基本概念基本概念l压力的表示方式压力的表示方式l绝对压力（绝压）、表压力（表压）、真空度（负压）、绝对压力（绝压）、表压力（表压）、真空度（负压）、差压差压l大气压力指由于空大气压力指由于空气的重量垂直作用气的重量垂直作用在单位面积上产生在单位面积上产生的压力。的压力。 l绝对压力指流体的绝对压力指流体的实际压力，它以绝实际压力，它以绝对真空为零压力。对真空为零压力。 TMT&a

2、mp;AI 检测仪表检测仪表l液体压力计液体压力计l工作原理工作原理 l以流体静力学为基础以流体静力学为基础l液柱式压力计的形式液柱式压力计的形式U U 形管形管单管单管斜管斜管TMT&AI 检测仪表检测仪表l弹性式压力检测仪表弹性式压力检测仪表l压力压力 微位移微位移l弹簧管压力计弹簧管压力计l电远传压力检测仪表电远传压力检测仪表l压力压力 微位移微位移 电信号电信号l差动变压器式、霍尔式、谐振式差动变压器式、霍尔式、谐振式l电容式差压变送器：工作原理、变换电路电容式差压变送器：工作原理、变换电路l力平衡式力平衡式TMT&AI 检测仪表检测仪表l物性式压力检测仪表物性式压力检

3、测仪表l应变式应变式l应变效应应变效应l测量电路：不平衡电桥、横向效应、温度效应测量电路：不平衡电桥、横向效应、温度效应l压阻式（扩散硅式）压阻式（扩散硅式）l压阻效应压阻效应l测量电路：集成全桥测量电路：集成全桥第第部分部分过程参数检测过程参数检测第三章检测仪表第三章检测仪表物位检测仪表物位检测仪表静压式液位计静压式液位计TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测概念物位检测概念l分类分类l静压式液位计静压式液位计l差压法检测原理差压法检测原理l量程迁移量程迁移TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测概念物位检测概念l物位物位l物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不物

4、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总称。积高度等的总称。l物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。l意义意义l确定容器内储存量确定容器内储存量l通过测量达到控制物位通过测量达到控制物位TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测概念物位检测概念l按其工作原理分类按其工作原理分类 l直读式直读式物位计物位计根据流体的连通性原理测量液位。根据流体的连通性原理测量液位。l静压式静压式物位计物位计根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静

5、根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静( (差差) )压压力的变化的原理测量物位。力的变化的原理测量物位。l浮力式浮力式物位计物位计根据浮子高度随液位高低而改变，或液体对浸沉在液体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中的浮子( (或称沉筒或称沉筒) )的浮力随液位高度变化而变化的原的浮力随液位高度变化而变化的原理测量液位。理测量液位。TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测概念物位检测概念l按其工作原理分类按其工作原理分类 l电气式电气式物位计物位计把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。l声学式声学式物位计物位计根据物位

6、变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。l射线式射线式物位计物位计根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理测量液位。的厚度变化而变化的原理测量液位。l其他形式其他形式物位计物位计如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测概念物位检测概念l根据具体用途分为液位、料位、界位传感器。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器。l检测原理检测原理l基于力学原理基于力学原理 l基于相对变

7、化原理基于相对变化原理 l基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理 TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l检测原理检测原理 l容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l检测原理检测原理 l容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关l由于物料由于物料( (液体液体) )上方的自由空间有大气压力，则根据静上方的自由空间有大气压力，则根据静力学原理，有力学原理，有TMT&AI 检测仪表

8、检测仪表l静压式液位计静压式液位计l检测原理检测原理 l因此要知道物位，需要测出压力容器下部某些与上部自因此要知道物位，需要测出压力容器下部某些与上部自由空间之间的压力差。为此要用差压检测仪表。由空间之间的压力差。为此要用差压检测仪表。l对于液位测量，一般可在容器壁面对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力开孔，安装压力( (差压差压) )传感器；传感器；l对于不易在壁面开孔对于不易在壁面开孔( (常压容器常压容器) )或或容器在地面以下的，可导用投入式容器在地面以下的，可导用投入式压力传感器，将压力传感器投到容压力传感器，将压力传感器投到容器的底部。器的底部。TMT&AI 检测仪

9、表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l量程迁移量程迁移l利用差压变送器测量密闭容器液位时，由于现场的安装利用差压变送器测量密闭容器液位时，由于现场的安装条件不同，存在量条件不同，存在量程无迁移、正迁移程无迁移、正迁移和负迁移三种情况。和负迁移三种情况。l无迁移无迁移当差压变送器的测当差压变送器的测量室与容器最低液量室与容器最低液位安装在同一水平位安装在同一水平面上时无迁移。面上时无迁移。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l量程迁移量程迁移l正迁移正迁移差压变送器输出增加了一差压变送器输出增加了一个固定的压差个固定的压差需要抵消此作用，其方法需要抵消此作用，其方法

10、叫做正迁移。叫做正迁移。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l量程迁移量程迁移l负迁移负迁移差压变送器输出减少了一差压变送器输出减少了一个固定的压差个固定的压差需要抵消此作用，其方法需要抵消此作用，其方法叫做负迁移。叫做负迁移。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l量程迁移量程迁移l差压变送器输出受到附加静压的影响差压变送器输出受到附加静压的影响l例：（课本第例：（课本第188188页）页） TMT&AI 检测仪表检测仪表l静压式液位计静压式液位计l量程迁移量程迁移l量程迁移的方法是用调整变送器的迁移弹簧，使液位由量程迁移的方

11、法是用调整变送器的迁移弹簧，使液位由零变化到最高液位时，差压由零变化到最大，变送器的零变化到最高液位时，差压由零变化到最大，变送器的输出从下限变化到上限。输出从下限变化到上限。l零点迁移弹簧的作用，实质是改变测量范围的上限值和零点迁移弹簧的作用，实质是改变测量范围的上限值和下限值，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。下限值，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。l在差压变送器规格中，一般都注有是否带正、负迁移装在差压变送器规格中，一般都注有是否带正、负迁移装置。型号后面加置。型号后面加“A”“A”的为正迁移，加的为正迁移，加“B”“B”的为负迁移，的为负迁移，必须根据现场要求正确使用

12、。必须根据现场要求正确使用。 第第部分部分过程参数检测过程参数检测第三章检测仪表第三章检测仪表物位检测仪表物位检测仪表浮力式液位计浮力式液位计电容式液位计电容式液位计TMT&AI 检测仪表检测仪表l浮力式液位计浮力式液位计l检测原理检测原理l基于浮力原理，适用于液基于浮力原理，适用于液位的检测。位的检测。l浮力式物位检测有两种方浮力式物位检测有两种方法：恒浮力式，变浮力式。法：恒浮力式，变浮力式。TMT&AI 检测仪表检测仪表l浮力式液位计浮力式液位计l检测原理检测原理l变浮力式：将一截面积相同圆变浮力式：将一截面积相同圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，

13、当液位变化使浮筒的一部上，当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液分被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移位的浮力作用而使浮筒向上移动，直到与弹簧的反作用力重动，直到与弹簧的反作用力重新平衡。新平衡。TMT&AI 检测仪表检测仪表l浮力式液位计浮力式液位计l检测原理检测原理l重力与弹力平衡时重力与弹力平衡时当当 TMT&AI 检测仪表检测仪表l浮力式液位计浮力式液位计l检测原理检测原理l更一般的测量公式为更一般的测量公式为l当用来做界面测量时，需要考虑两种液体组分的密度。当用来做界面测量时，需要考虑两种液体组分的密度。l例：（课本第例：（课本第189189页

14、）页）l如果改为测应力，如何推导液位（界位）测量公式？如果改为测应力，如何推导液位（界位）测量公式？TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液位计l检测原理检测原理l把物位的变化变换为电容量的变化把物位的变化变换为电容量的变化l在国际单位制中，电容的单位称为在国际单位制中，电容的单位称为法拉（简称法），符号为法拉（简称法），符号为 F F 。l通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。l电容器的电容电容器的电容 C 定义：电容器一个极板所带电荷定义：电容器一个极板所带电荷 q（指（指绝对值）和两个极板的电势差绝对值）和两个

15、极板的电势差 UA UB（不是某一极板（不是某一极板的电势）之比，即的电势）之比，即 C = q/(UA UB)。l电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液位计l检测原理检测原理l检测元件常为一个圆筒式电容器。检测元件常为一个圆筒式电容器。由两个圆筒形金属导体中间隔以由两个圆筒形金属导体中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。绝缘物质构成圆筒形电容器。l当两圆筒中间所充介质为空气时，当两圆筒中间所充介质为空气时，该圆筒间的电容量为该圆筒间的电容量为TMT&AI 检测仪表检测

16、仪表l电容式液位计电容式液位计l检测原理检测原理l如果电极的一部分被液体如果电极的一部分被液体( (物料物料) )所浸没时所浸没时TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液位计l检测原理检测原理l若被测介质为导电性液体，电若被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为质，而液体和外圆筒一起作为外电极。外电极。l可见，当几何尺寸一定、被测可见，当几何尺寸一定、被测介质一定时，电容的变化量是介质一定时，电容的变化量是被测介质物位的线性函数。被测介质物位的线性函数。TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液

17、位计l介电常数介电常数TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液位计l等效电路等效电路l边缘效应边缘效应l静电引力静电引力l寄生电容寄生电容l温度影响温度影响l温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响l温度对电解质介质的影响温度对电解质介质的影响TMT&AI 检测仪表检测仪表l电容式液位计电容式液位计l等效电路等效电路l边缘效应边缘效应l静电引力静电引力l寄生电容寄生电容l温度影响温度影响l介电常数变化介电常数变化l电极挂料影响电极挂料影响第第部分部分过程参数检测过程参数检测第三章检测仪表第三章检测仪表物位检测仪表物位检测仪表超声波物位计超声波物位计其它物位计其它物位

18、计TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理 l超声波一般频率高于超声波一般频率高于 20 kHz；l超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前最广泛的超声波换能器是电最广泛的超声波换能器是电声换能器，压电晶体换能声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一；器就是常用的换能器之一；l超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物

19、位计超声波物位计l检测原理检测原理 l当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其中反射率为中反射率为l当声波从气体传播到液体或固体，或者相反的情况下，当声波从气体传播到液体或固体，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理 l超声波物位计根据使用特点可分为超声波物位计根据使用特点可分为定点式物位

20、计和连续式物位计两大类；定点式物位计和连续式物位计两大类；l根据传感器放置位置的介质不同可分为根据传感器放置位置的介质不同可分为气介式、气介式、 液介式和固介式三类；液介式和固介式三类；l超声波传感器既可采用单探头，也可采用双探头。超声波传感器既可采用单探头，也可采用双探头。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l超声波发射和接收换能超声波发射和接收换能器可设置在水中，让超器可设置在水中，让超声波在液体中传播。由声波在液体中传播。由于超声波在液体中的衰于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发减比较小，所以即使发出的超声波脉冲幅度较出的超声波脉冲幅度

21、较小也可以传播。小也可以传播。TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l超声波发射和接收换能超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的器也可以安装在液面的上方，超声波在空气中上方，超声波在空气中进行传播，这种方式便进行传播，这种方式便于安装和维修。由于超于安装和维修。由于超声波在空气中衰减比较声波在空气中衰减比较厉害，因此用于液位变厉害，因此用于液位变化比较大的场合时，必化比较大的场合时，必须采取相应措施。须采取相应措施。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l采用单探头时采用单探头时l采用双探头时采用双探头

22、时TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l超声波的接收和发射超声波的接收和发射l基于压电效应和逆压电效应基于压电效应和逆压电效应 l实现方法实现方法超声波传播速度的补偿方法有超声波传播速度的补偿方法有l温度补偿温度补偿l设置校正具设置校正具l固定距离标志法固定距离标志法TMT&AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l超声波物位计的特点超声波物位计的特点l能定点及连续测量物位，并提供遥控信号；能定点及连续测量物位，并提供遥控信号；l无机械可动部分，安装维修方便；无机械可动部分，安装维修方便；l换能器压电体振动振幅很小，寿命长；换能器压电体振动振幅很小，

23、寿命长；l能实现非接触测量，适用于有毒、高粘度及密封容器内能实现非接触测量，适用于有毒、高粘度及密封容器内的液位测量；的液位测量；l能实现安全火花型防爆。能实现安全火花型防爆。l若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。TMT&AI 检测仪表检测仪表l射线式物位计射线式物位计l检测原理检测原理l当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为随物质的厚度而减小，其变化规律为l不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大、液体其不同的材料有不同的吸收系数，一般

24、固态最大、液体其次、气体最小。次、气体最小。TMT&AI 检测仪表检测仪表l射线式物位计射线式物位计l检测原理检测原理l检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。l实现方法实现方法放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式。多种方式。TMT&AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波物位计又称雷达物位仪。微波物位计又称雷达物位仪。l微波物位计运用了微波的特

25、性，在一定微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波从传感器传播至物料可以通过测量微波从传感器传播至物料表面，并返回到传感器所用的时间来计表面，并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。算出所测量的物位。TMT&AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波是波长为微波是波长为 1 mm1 m 的电磁波，它具有电磁波的的电磁波，它具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。性质，又不同于普通无线电波和光波。l定向辐射的装置容易制造。定向辐射的装置容易制造。l遇到各种障碍物易于反射

26、，绕射能力较差。遇到各种障碍物易于反射，绕射能力较差。l传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等影响较小。影响较小。l介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强，这些特点构成了微波检测的基础。作用最强，这些特点构成了微波检测的基础。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波传感器由振荡器与微波天线等构成。微波传感器由振荡器与微波天线等构成。 TMT&AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l微波物位计有以下主要特点

27、微波物位计有以下主要特点l测量准确测量准确 l可靠性强、寿命长可靠性强、寿命长 l几乎可以测量所有介质几乎可以测量所有介质 l安全节能安全节能 TMT&AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较微微 波波超超 声声 波波波类型波类型电磁波电磁波机械波机械波反射特性反射特性在不同介电常数的界面上反射在不同介电常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压力影响压力影响微不足道微不足道很小很小温度影响温度影响微不足道微不足道需温度补偿需温度补偿传播速度传播速度约约 3108m/s（真

28、空中）（真空中）约约 334 m/s（空气中，（空气中，20）测量盲区测量盲区到天线顶端到天线顶端离辐射面离辐射面250 mm动态范围动态范围高达高达 150 dB高达高达 100 dB传播环境传播环境很少受气相环境影响很少受气相环境影响要求均一的气体环境要求均一的气体环境TMT&AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l所谓磁致伸缩效应可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居所谓磁致伸缩效应可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和尺寸上变化的现象。尺寸上变化的现象。l在铁

29、磁质中存在许多体积很小在铁磁质中存在许多体积很小的区域，每个小区域内部都自的区域，每个小区域内部都自发地磁化到饱和状态，这种自发地磁化到饱和状态，这种自发磁化地区域称为磁畴。发磁化地区域称为磁畴。铁磁质的磁畴铁磁质的磁畴TMT&AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。距发生变化而产生的现象。l外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁质磁化方向上磁质会伸长

30、（或缩短）；质磁化方向上磁质会伸长（或缩短）；l外磁场方向与磁质磁化方向垂直时，在磁外磁场方向与磁质磁化方向垂直时，在磁质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。HHHTMT&AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l磁致伸缩式液位计由测量头（也称传感器，磁致伸缩式液位计由测量头（也称传感器，包括脉冲发包括脉冲发生、回波接生、回波接收、信号检收、信号检测与处理电测与处理电路），波导路），波导线和磁浮子线和磁浮子等组成。等组成。TMT&AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l磁浮子：磁浮子：恒浮力式恒浮力式l磁致伸缩磁致伸缩l机械应变：机械应变：应变效应和应变片应变效应和应变片机械波传播速度的倒数机械波传播速度的倒数称为倾斜度称为倾斜度l测量精确度高（测量精确度高（0.05%0.05%），），可同时测量液位和多界位可同时测量液位和多界位TMT&AI 检测仪表检测仪表l物位检测仪表的使用物位检测仪表的使用l适用介质不同适用介质