传感器与仪表课件魏红昀的第六章物位测量

1、2022-4-191第六章第六章 物位的测量物位的测量 本章学习液位、料位、相界本章学习液位、料位、相界面的检测的测量方法。面的检测的测量方法。2022-4-192第一节第一节 概述概述液位检测方法液位检测方法 液位检测总体上可分为直接检测和间接检液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电磁法、热学法等。电磁法、热学法等。 2022-4-193直接测量法直接测量

2、法 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。管液位计。 图图6 61 1 玻璃管液位计玻璃管液位计2022-4-194第二节第二节 压力法测量液位压力法测量液位 压力法依据液体重量所产生的压力进行测压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即

3、高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度对常压开口容器，液位高度H H与液体静压与液体静压力力P P之间有如下关系：之间有如下关系： 式中，式中， 被测液体的密度被测液体的密度( )( )。gPH3/mkg2022-4-195 下面图下面图6-2为用于测量开口容器液位高度的三种压为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。力式液位计。(a) 压力表式液位计压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计吹气式液位计 图图6-2 6-2 压力式液位计压力式液位计2022-4-196 对于密闭容器中的液位测量

4、，除可应用上述三种液对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中需位计外，还可用差压法进行测量，它可在测量过程中需消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图6-36-3示出差压式液位计测量原理。示出差压式液位计测量原理。 2022-4-197 一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为密度为 ，被测液体密度为，被测液体密度为 ，一般都，一般都使使 ，由图，由图6-36-3得压力平衡方程：得压力平衡方程：则则 P1P1、P2P2引入变送器正压室和负压室的压力引入变送

5、器正压室和负压室的压力(Pa)(Pa)；HH液位高度液位高度(m)(m)；h1h1、h2h2容器底面和工作液面距变送器高度容器底面和工作液面距变送器高度(m)(m)。 这里这里ZoZo 称为称为零点迁移量，它与差压计安装情况有关。一般的差零点迁移量，它与差压计安装情况有关。一般的差压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使压计都有零点迁移量调节机构，通过调节可使ZoZo0 0，这时差压计的读数直接反映液面高度，这时差压计的读数直接反映液面高度H H。21PhHgP111PghP222012211121ZgHghghgHPPP211122ghgh2022-4-198液位传感器液位传感器n液位传感器

6、多采用静压液位传感器多采用静压法，利用随液位上升产法，利用随液位上升产生线性变化的压力信号，生线性变化的压力信号，以压力元件测量液位信以压力元件测量液位信号，再由应变计等转换号，再由应变计等转换为电子信号。为电子信号。 液位传感器液位传感器Cgh2022-4-199第三节第三节 浮力法测量液位浮力法测量液位 浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出

7、浮子的位移就可知液位变化液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。 2022-4-1910一、一、 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图右图6-4为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。简单的液位计，一般只能就地显示。增大浮子直径可提高灵敏度和精度增大浮子直径可提高灵敏度和精度钢带应轻，膨胀系数应小。钢带应轻，膨胀系数应小。2022-4-191

8、1一、一、 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计2022-4-1912二、浮球式液位计二、浮球式液位计只用于小量程或液位开关信号。只用于小量程或液位开关信号。2022-4-1913三、三、 浮筒式液位计浮筒式液位计 图图 6-7 浮筒式液位计浮筒式液位计2022-4-1914四、四、 磁性浮子式液位计磁性浮子式液位计 2022-4-1915第四节第四节 电磁法测量液位电磁法测量液位 电磁法按工作原理不同又可分为电阻式、电电磁法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电磁法测量无摩擦件和可动部感式和电容式。用电磁法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，件，信号转换、

9、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液位的自动检测和仪表配合使用，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。自动控制。 2022-4-1916一、一、 电阻式液位计电阻式液位计 电阻式液位计既可进行定点液位控制，也电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引

10、起电极间电阻变化，由电阻变化反液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况映液位情况 2022-4-1917 右图右图6-9为用于为用于连续测量的电阻式液连续测量的电阻式液位计原理图。图中：位计原理图。图中： 1-电阻棒；电阻棒； 2-绝缘套；绝缘套； 3-测量电桥测量电桥 一、一、 电阻式液位计电阻式液位计2022-4-1918 该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为容器绝缘。整个传感器电阻为 式中式中 H、h电阻棒全长及液

11、位高度电阻棒全长及液位高度(m)； 电阻棒的电阻率电阻棒的电阻率( )； A电阻棒截面积电阻棒截面积(m2)。 该传感器的材料、结构与尺寸确定后，该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。可用图中的电桥电路完成。 mhKKhAHAhHAR212222022-4-1919二、电感式液位计二、电感式液位计 电感式液位计利用电磁感应现象，液位变电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测

12、量，也可进行液电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。位定点控制。 2022-4-1920 图图6-106-10为电感式液位控制器为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控线圈感应电势变化

13、，以此信号控制继电器动作，可实现上、下液制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。位的报警与控制。1 1、3-3-上下限线圈；上下限线圈； 2-2-浮子浮子二、电感式液位计二、电感式液位计2022-4-1921三、三、 电容式液位计电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。电容式液位容器电容量大小的原理进行测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质质的

14、要求不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。电容式液位计的控制器，还能用于连续测量。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。 2022-4-19221.检测原理检测原理 在液位的连续测量中，多用在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如右图同心圆柱式电容器，如右图7-8所所示。同心圆柱式电容器的电容量：示。同心圆柱式电容器的电容量：式中：式中： D、d外电极内径和

15、内电极外径外电极内径和内电极外径(m)； 极板间介质介电常数极板间介质介电常数(F/m)；L极板相互重叠的长度极板相互重叠的长度(m)。 液位变化引起等效介电常数液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测化，这就是电容式液位计的检测原理。原理。图中：图中：1-内电极；内电极；2-外电极外电极 。dDLCln22022-4-19232.2.安装形式安装形式在具体测量时。电容在具体测量时。电容式液位计的安装形式因被式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差测介质性质不同而稍有差别。别。右图右图6-126-12为用来测量为用来测量导

16、电介质的单电极电容液导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外和容器壁构成电容器的外电极。电极。 1-1-内电极；内电极；2-2-绝缘套绝缘套三、三、 电容式液位计电容式液位计 2022-4-1924 右图为用于测量右图为用于测量非导电介质的同轴双非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容同轴金属套组成电容

17、的两极，外电极上开的两极，外电极上开有很多流通孔使液体有很多流通孔使液体流入极板间。流入极板间。 三、三、 电容式液位计电容式液位计 1 1、2-2-内、外电极；内、外电极；3-3-绝缘套；绝缘套；4-4-流通孔。流通孔。2022-4-1925 以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁

18、构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，由于容；在测极低温度下的液态气体时，由于 接接近近 ，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。 02022-4-19263.3.电容式传感器的测量电路电容式

19、传感器的测量电路 （1）高频交流电桥法）高频交流电桥法（2）充放电法（）充放电法（P114、P88）（3）运算放大电路法）运算放大电路法（4）调频电路法）调频电路法2022-4-1927高频交流电桥法高频交流电桥法3.3.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 2022-4-1928充放电法充放电法3.3.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 2022-4-1929充放电法充放电法3.3.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 2022-4-1930充放电法充放电法3.3.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 2022-4-1931充放电法充放电法3.3.电容式传感

20、器的测量电路电容式传感器的测量电路 2022-4-1932电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 （调频电路（调频电路 ） 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。产生相应的变化。 01 5-22fL C2022-4-1933调频（调频（FM）电路）电路 2022-4-1934一、电容式液位计一、电容式液位计 棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，测面包裹聚四氟乙烯套管，

21、测量导电液体。量导电液体。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套电容式传感器的应用电容式传感器的应用 2022-4-1935电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。2022-4-1936液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设

22、定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮2022-4-1937智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯2022-4-1938二、电容式油量表二、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动

23、电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。2022-4-1939电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动同时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置达到新的平衡状态

24、，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。处）。 该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？2022-4-1940 上页所示的油量表在倾斜状态时可上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？以使用吗？为什么？ 该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱2022-4-1941三、电容式接近开关三、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等） ；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。 调节接近开关尾部的灵敏度

25、调节电位调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。 2022-4-1942电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式2022-4-1943非齐平式接近开关的安装非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。装支架，易损坏。2022-4-1944全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）2022-4-1945电容接近开关的规格电容接近开关的规格2022-4-1946电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用202

26、2-4-1947 电容式接近开关在电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用液位物位测量控制中的使用2022-4-1948 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示中的使用演示2022-4-1949不同材料的非金属检测物对电容式接不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响近开关动作距离的影响2022-4-1950声波的分类声波的分类(1)(1)次声波次声波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心

27、脏停止跳动。人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。1.1.超声波法超声波法 测量液位测量液位第五节第五节 其他液位测量方式其他液位测量方式2022-4-1951(2)(2)可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2022-4-1952(3)(3)超声波超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。2022-4-1953蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食2022-4-1954第五节第五节 其他液位测量方式其他液位测量方式超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具超声波液位计是利用波在介质中的传播特性，具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反体地说

28、，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高

29、低。低。1.1.超声波法测量液位超声波法测量液位2022-4-1955 超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。图以得到六种液位计的方案。图6-176-17为单探头超声波液为单探头超声波液位计。其中位计。其中(a)(a)为气介式，为气介式，(b)(b)为液介式。为液介式。(c)(c)为固介式。为固介式。 (a)气介式气介式 (b) 液介式

30、液介式 (c)固介式固介式图图6-17 单探头超声波液位计单探头超声波液位计 2022-4-1956 由图由图6-17看出，超声波传播距离为看出，超声波传播距离为L，波的传播，波的传播速度为速度为C，传播时间为，则：，传播时间为，则： L是与液位有关的量，故测出便可知液位，的测量一般是与液位有关的量，故测出便可知液位，的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。数来实现。 单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个它分时交替作发射器与接收器

31、。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。道。 tCL212022-4-1957超声波液位测量有许多优点：超声波液位测量有许多优点：(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；振幅小，仪器寿命长；(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因介电常数、电导率

32、、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；量；(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；测或遥控信号；(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。汽车、飞机、轮船中的液位。 2022-4-1958 但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且当超声波传播介质温度或密度发生变化，声而且当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变

33、化，对此超声波液位计应有相应的速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度。另外，有些补偿措施，否则严重影响测量精度。另外，有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。件。2022-4-1959 超声波可以被聚焦，超声波可以被聚焦，具有能量集中的特点。具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器超声波应用超声波应用2022-4-1960 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄

34、脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。 超声波塑料焊接超声波塑料焊接机机2022-4-1961超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机2022-4-1962便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器2022-4-1963超声波在医学检查超声波在医学检查中的应用中的应用 胎儿的胎儿的 B B超影像超影像2022-4-1964超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙生一定的负压，即液体体积增

35、加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声

36、波清洗正是利，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。机械、玻璃、医疗仪器等行业。2022-4-1965超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物2022-4-1966超声波换能器超声波换能器 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的

37、工作原超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。空气传导探头以及其他专用探头等。 2022-4-1967各种超声波探头各种超声波探头 （以下参考常州市（以下参考常州市常超检测设备有限常超检测设备有限公司资料）公司资料）常用频率范围：常用频率范围：

38、0.510MHz0.510MHz，常见晶片直径：常见晶片直径：530mm530mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入射（纵波垂直入射到被检介质）到被检介质） 外壳用金属制外壳用金属制作，保护膜用硬度作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止压电晶片作，防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件2022-4-1968接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合装配将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔

39、离。绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。制电路较单晶直探头简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片2022-4-1969各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：15MHz15MHz2022-4-1970二、光学法测量液位二、光学法测量液位 激光用于液位测量，克服了普通光亮度激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大

40、为提高。受干扰等缺点，使测量精度大为提高。 2022-4-1971 激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。图制，不易进行连续测量。图6-18为反射式液位检测原为反射式液位检测原理图。理图。 6-18 6-18 反射式激光液位检测原理图反射式激光液位检测原理图1-1-激光发射器；激光发射器； 2- 2-上液位接收器；上液位接收器； 3- 3-下液位

41、接收器下液位接收器 2022-4-1972 激光发射器发出激光束以一定角度照射到被测激光发射器发出激光束以一定角度照射到被测液面上，经液面反射到接收器的光敏检测元件上。当液面上，经液面反射到接收器的光敏检测元件上。当液位在正常范围时，上、下液位接收器光敏元件均无液位在正常范围时，上、下液位接收器光敏元件均无接收到激光反射信号；当液面上升或下降到上下限位接收到激光反射信号；当液面上升或下降到上下限位置，相应位置的光敏检测元件产生信号，进行报警或置，相应位置的光敏检测元件产生信号，进行报警或推动执行机构控制开始加液或停止加液。推动执行机构控制开始加液或停止加液。 激光发射器有以红宝石为工作物质的固

42、体激光激光发射器有以红宝石为工作物质的固体激光器，也有氦氖气体激光器及砷化镓半导体激光器；器，也有氦氖气体激光器及砷化镓半导体激光器；接收器可用光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光接收器可用光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电管、光电倍增管等各种光电元件。它们都能将光强电管、光电倍增管等各种光电元件。它们都能将光强信号转化为电信号。信号转化为电信号。 2022-4-1973三、核幅射法测量液位三、核幅射法测量液位 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，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为射入厚度为H的介质

43、时，会有一部分被介质吸的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度收掉。透过介质的射线强度I与入射强度与入射强度I0之间之间有如下关系：有如下关系：式中式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形吸收系数，条件固定时为常数。变形为：为： 因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。的变化量来实现。 HeII0IIHlnln102022-4-1974 核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。辐射源一般用钴组成。辐射源一般用钴6060或铯，放在专门的铅室中，或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一

44、侧。幅射源在结构上只能允许射安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。线经铅室的一个小孔或窄缝透出。 接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，器另一侧， 射线由盖革计数管吸收，每接收到一个射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。流输

45、出。 三、核幅射法测量液位三、核幅射法测量液位2022-4-1975三、核幅射法测量液位三、核幅射法测量液位辐射源与接收器的安装方式：固定方式和随辐射源与接收器的安装方式：固定方式和随动安装。动安装。2022-4-1976三、核幅射法测量液位三、核幅射法测量液位辐射源与接收器的安装方式：固定方式和随辐射源与接收器的安装方式：固定方式和随动安装。动安装。测量范围大测量范围大2022-4-1977 图图6-19所示为辐射源与接收器均是为固定安装方所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中式的核幅射液位计。其中 (a)为长辐射源和长接收器形为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；式，

46、输出线性度好； (b) 为点辐射源和点接收器形式，为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。输出线性度较差。 a) 长辐射源长接收器长辐射源长接收器 b)点辐射源点接收器点辐射源点接收器图图6-19 核辐射式液位计核辐射式液位计1-放射源；放射源； 2-接收器接收器2022-4-1978 辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。这些特点使

47、得辐射式液位计适合实现完全非接触测量。这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害害 2022-4-1979四、微波法测量液位四、微波法测量液位 在电磁波谱中将波长为在电磁波谱中将波长为1 11000mm1000mm的电磁的电磁波

48、称为微波。微波的特点是在各种障碍物上能波称为微波。微波的特点是在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。影响小，具有很强的环境适应能力。 2022-4-19801. 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，可以连续检利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液位定点控制。通常微波发射天线倾斜一定测与实现液位定点控制。通常微波发射天线倾斜一定的角度向液面发射微波束，波束遇到液面即发生反射，的角

49、度向液面发射微波束，波束遇到液面即发生反射，反射微波束被微波接收天线接收，从而测定液位，其反射微波束被微波接收天线接收，从而测定液位，其原理如图原理如图6-21所示。所示。 图图6-21反射式微波液位计原理图反射式微波液位计原理图 2022-4-1981微波接收天线接收到的微波功率为：微波接收天线接收到的微波功率为：式中式中 H两天线距料面垂直距离。两天线距料面垂直距离。由于发射功率由于发射功率 ，波长，波长 天线增益天线增益 都是保持稳定都是保持稳定不变的，故上式可简化为：不变的，故上式可简化为：式中式中 增益常数，决定于微波波长、发射功率及增益常数，决定于微波波长、发射功率及天线的增益；天

50、线的增益； 距离常数，决定于天线安装的方法与位置，距离常数，决定于天线安装的方法与位置，主要是距离。主要是距离。可见，只要测定了天线接收到的微波功率，液位可见，只要测定了天线接收到的微波功率，液位 就就测量了，即测量了，即 22424)(HdGGPrriiP22122411424)(HKKHdGGPrriiPiPriGG1K2KHrPKKH212022-4-19822. 2. 对射式微波物位计对射式微波物位计 2022-4-1983 微波功率的测量通常可用热电或热敏电阻等元件，微波功率的测量通常可用热电或热敏电阻等元件，再配合相应的测量电路，最后经数据采集和信号处理再配合相应的测量电路，最后经

51、数据采集和信号处理根据接收到的微波信号功率，显示和输出液位测量结根据接收到的微波信号功率，显示和输出液位测量结果。也可用专门的微波检波管（如果。也可用专门的微波检波管（如2DV检波二极管）检波二极管）检波成直流电流由微安表直接显示。检波成直流电流由微安表直接显示。 在测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）会在测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收，因此可能会对测量结果产生较对微波产生强烈吸收，因此可能会对测量结果产生较大的影响，对此应该引起足够重视。大的影响，对此应该引起足够重视。 2022-4-19842. 2. 调频连续波式物位计调频连续波式物位计 下图是目前在工程应用

52、较多的调频连续波式微波下图是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。物位（液位和料位）计。调频式微波物位计调频式微波物位计 2022-4-1985 通常只需将发射、接收天通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物快速而准确地测出目标物体的物位值。位值。 调频连续波式微波物位计调频连续波式微波物

53、位计工作原理如图所示。工作原理如图所示。 调频式微波液位计调频式微波液位计原理示意图原理示意图 2022-4-1986固态源频率变化规律为固态源频率变化规律为 ：式中式中 ：T调制波周期；调制波周期；F调制波频率；调制波频率； 固态源初始频率；固态源初始频率； 本振频率；本振频率； 固态源在调制信号固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围；周期内的频偏范围； 时间。时间。 02000022fdfffffF ftTdt0f2f0ft2022-4-1987回波频率为回波频率为 ：式中式中 回波频率；回波频率；微波往返于被测对象之间的延迟时间微波往返于被测对象之间的延迟时间t=2L/C，C为光速，为光

54、速，L为被测距离；为被测距离； 1002ffF ftt1ft2022-4-1988所以，差频频率所以，差频频率 为为 由上式整理得被测距离由上式整理得被测距离L为为从上式可以看出被测距离从上式可以看出被测距离L与差频频率与差频频率 成正成正比。当固态源的调制频率比。当固态源的调制频率F和频偏和频偏 一定时，一定时，只要测出只要测出 ，就可以计算得到，就可以计算得到L。 f0210422F fLfffF fLCC 04C fLF ffff2022-4-1989 当固态工作频偏当固态工作频偏 =300 MHz，调制频率，调制频率F=1kHz,则有：则有： 即被测距离即被测距离L 每变化每变化1 m

55、时，差频频率为时，差频频率为4 kHz。 采用三角波双重调制可以克服调频式微波物位计采用三角波双重调制可以克服调频式微波物位计的部分固有误差；加上采取其他措施，微波物位计的的部分固有误差；加上采取其他措施，微波物位计的测量精确度可达测量精确度可达1%。测量范围一般为。测量范围一般为0.520 m，最，最大可达几十米（由固态源发射功率大小决定）以上。大可达几十米（由固态源发射功率大小决定）以上。0f6384 1000 300 104 103 10fLL 2022-4-1990热学法热学法 在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。由于测量条件的特殊性，目前除使

56、用测量。由于测量条件的特殊性，目前除使用 核幅射法外，还常用热学方法进行检测。它利核幅射法外，还常用热学方法进行检测。它利用了高温熔融液体本身的特性，即在空气和高用了高温熔融液体本身的特性，即在空气和高温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分为热电法和热磁感应法。为热电法和热磁感应法。 2022-4-19911.1.热电法热电法 热电法采用热电偶热电法采用热电偶测量温度场，右图为热电测量温度场，右

57、图为热电偶测量高温金属熔液液位偶测量高温金属熔液液位原理图。原理图。 图中图中:a-容器壁；容器壁；b-凝固金属凝固金属 ；c-钢水；钢水；d-热电偶。热电偶。热电偶测量高温热电偶测量高温金属熔液液位原理图金属熔液液位原理图2022-4-1992 在容器壁上选定一在容器壁上选定一系列测量点，装上热电系列测量点，装上热电偶，并将各测点上热电偶，并将各测点上热电偶的输出记录下来，得偶的输出记录下来，得到如图所示的温度到如图所示的温度-电势电势分布曲线，曲线上反映分布曲线，曲线上反映出第出第7个和第个和第8个测点之个测点之间产生了温度突变，因间产生了温度突变，因此液面就在第此液面就在第7与第与第8测

58、测点之间。点之间。 温度温度-电势分布图电势分布图 2022-4-1993热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；而且精度与热电偶分布、法，精度一般不高；而且精度与热电偶分布、安装情况有关。适当减小各热电偶的间距、增安装情况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点，则可提高金属液位测量分辨力和测加测量点，则可提高金属液位测量分辨力和测量精度。另外，热电偶工作端与容器的接触点量精度。另外，热电偶工作端与容器的接触点要细而牢固，为此可将热电偶丝焊在容器壁上，要细而牢固，为此可将热电偶丝焊在容器壁上，由容器壁充当热电偶的另一极。这种测量方法由容器壁充

59、当热电偶的另一极。这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控等应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控制方法制方法 2022-4-19942. 2. 热磁感应法热磁感应法 热磁感应法也称热磁敏法，这是近年来发展很快的热磁感应法也称热磁敏法，这是近年来发展很快的一种检测方法，测量安装方式类似热电法，在容器外壁一种检测方法，测量安装方式类似热电法，在容器外壁上选择一系列测量点，在这些点上焊上热敏磁性材料作上选择一系列测量点，在这些点上焊上热敏磁性材料作为感温元件，对应于每个磁性元件安装一个测量线圈并为感温元件，

60、对应于每个磁性元件安装一个测量线圈并通以交流电。前面热电法测温元件为一组耐高温热电偶，通以交流电。前面热电法测温元件为一组耐高温热电偶，它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电势大小它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电势大小的变化；热磁感应法测温元件为一组热敏磁性元件，把的变化；热磁感应法测温元件为一组热敏磁性元件，把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电抗（电感）大金属熔液液面处温度场出现变化转换为电抗（电感）大小的变化。小的变化。 2022-4-19953.3.磁电法磁电法 利用磁电转换原理利用磁电转换原理进行液位测量的磁致伸进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出缩液位计是近年来推