第09章 物位测量

1、第第9章章 物位测量物位测量9.1 液位检测（重点）液位检测（重点） 9.2 料位检测料位检测 9.3 相界面检测相界面检测 9.1 液位检测方法液位检测方法 n液位检测：液位检测：1.直接检测直接检测2.间接检测间接检测;n测量状况及条件复杂多样，决定了间接测量更测量状况及条件复杂多样，决定了间接测量更加常用，将液位信号转化为其它相关信号，有加常用，将液位信号转化为其它相关信号，有压力法、浮力法、电学法、热学法压力法、浮力法、电学法、热学法等。等。 9.1.1 直接测量法直接测量法 n直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，利用直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，利用连通器的原理，将容器

2、中的液体引入带有标尺的观连通器的原理，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。察管中，通过标尺读出液位高度。图图9.1 9.1 玻璃管液位计玻璃管液位计9.1.2 压力法压力法 n压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。n由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，通过测比，通过测容器中液体的压力容器中液体的压力即可得到液位高度。即可得到液位高度。 n对常压开口容器，液位高度对常压开口容器，液位高度H与液体静压力与液体静压力P之间有之间有如下关系：如下关系： 式中，式中， 被测液体的密度

3、被测液体的密度(kg/m3)。gPH测量开口容器液位高度测量开口容器液位高度图图9.2 用于测量开口容器液位高度的用于测量开口容器液位高度的3种压力式液位计种压力式液位计(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 差压法差压法n对于密闭容器中的对于密闭容器中的液位测量，除可应液位测量，除可应用上述三种液位计用上述三种液位计外，还可用差压法外，还可用差压法进行测量进行测量;n优点：消除优点：消除液面上液面上部气压部气压及及气压波动气压波动对示值的影响。对示值的影响。 图图9.3 差压式液位计差压式液位计P1、P2引入变送器正压室和负

4、压室的压力引入变送器正压室和负压室的压力(Pa)；H 液位高度液位高度(m)；h1、h2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)。 Z0为为零点迁移量零点迁移量，它与差压计安装情况有关。，它与差压计安装情况有关。一般的差压计都有一般的差压计都有零点迁移量调节机构零点迁移量调节机构，通过调节可使，通过调节可使Z00，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。一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为一般在低压管中充满隔离液体。若隔离液体密度为 2，被测，被测液体密度为液体密度为 1 ， 1 2 ，得压力平衡方程：，得压力平衡方程：PhHgP1

5、11PghP222012211121ZgHghghgHPPP11220ghghZ9.1.3 浮力法浮力法 n浮力法测液位依据浮力法测液位依据力平衡原理力平衡原理，借助浮子一类的，借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，在平衡时能够浮于悬浮物，浮子做成空心刚体，在平衡时能够浮于液面。液面。n当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。n分类：分类：1.按浮子形状不同，可分为按浮子形状不同，可分为浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等；等；2.按机构不同可分为按机构不同可分为钢带式钢带

6、式、杠杆式杠杆式等。等。 1. 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计n如图如图9.4为直读式钢为直读式钢带浮子式液位计，带浮子式液位计，这是一种最简单的这是一种最简单的液位计，一般只能液位计，一般只能当地显示。当地显示。图图9.4 9.4 直读式钢带浮子式液位计直读式钢带浮子式液位计2. 浮筒式液位计浮筒式液位计 n浮筒式液位计属于变浮力液位浮筒式液位计属于变浮力液位计计;n当被测液面位置变化时，浮筒当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。液位的变化量。n原理分析（原理分析（pgdn）图图9.5

7、 浮筒式液位计浮筒式液位计1-浮筒；浮筒；2-弹簧；弹簧；3-差动变压器差动变压器 。浮筒式浮筒式液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即平衡。即GgAHkx式中式中 k：弹簧刚度弹簧刚度(N/m)； x：弹簧压缩量弹簧压缩量(m)； ：液体密度液体密度(kg/m3)； H：浮筒浸入深度浮筒浸入深度(m)； A：浮筒截面积浮筒截面积(m2)。液位高度变化与弹簧变形量成正比。液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可当地指示，也可用变

8、换弹簧变形量可用多种方法测量，既可当地指示，也可用变换器器（如差动变压器如差动变压器）变换成电信号进行远传控制。变换成电信号进行远传控制。 9.1.4 电学法电学法n电学法按工作原理不同又可分为电学法按工作原理不同又可分为电阻式电阻式、电感式电感式、电容式电容式等。等。n电学法的优点：电学法的优点：n无无摩擦件摩擦件和和可动部件可动部件，信号转换、传送方便，便于远，信号转换、传送方便，便于远传，与电动单元组合仪表配合使用传，与电动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液可方便地实现液位的自动检测和自动控制。位的自动检测和自动控制。 1. 电阻式液位计电阻式液位计n原理：液位变化原理：液位变化电极间

9、电阻变化电极间电阻变化反映液位情况。反映液位情况。n优点：既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。优点：既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。n定点控制定点控制n指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断指液位上升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。开，引发报警器报警。图图9.6 电阻式液位计电阻式液位计1-电阻棒；电阻棒；2-绝缘套；绝缘套；3-测量电桥测量电桥 电阻式液位计的两根电极是由两根电阻式液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同材料、截面积相同的具有的具有大电阻率大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。

10、整个传感器电阻为：个传感器电阻为：式中式中 H、h：电阻棒全长及液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( m)； 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；均为常数；电阻大小与液位高度成正比。电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥完成。电阻的测量可用图中的电桥完成。 hKKhAHAhHAR212222.电感式液位计电感式液位计n原理：原理：n利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。应电流也发生变化。n

11、既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。 电感式液位控制器的原理图电感式液位控制器的原理图n组成：组成：不导磁管字不导磁管字、导磁性浮子导磁性浮子及及线线圈圈。n管子与被测容器相连通，管子内的管子与被测容器相连通，管子内的导导磁性浮子磁性浮子浮在液面上，当液面高度变浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。化时，浮子随着移动。n线圈固定在液位上下限控制点；线圈固定在液位上下限控制点；n当浮子随液面移动到控制位置时，引当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈起线圈感应电势感应电势变化，此信号控制继变化，此信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警电器动作，

12、可实现上、下液位的报警与控制。与控制。图图9.7 9.7 电感式液位控制器的原理图电感式液位控制器的原理图1 1、3-3-上下限线圈；上下限线圈； 2-2-浮子浮子3. 电容式液位计电容式液位计 n原理：液位高低变化影响电容器电容量大小。原理：液位高低变化影响电容器电容量大小。n结构形式：结构形式：平极板式、同心圆柱式平极板式、同心圆柱式等。等。n优点：优点：n适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对法那样严格，对导电介质导电介质和和非导电介质非导电介质都能测量，此外都能测量，此外还能测量有还能测量有倾斜晃动倾斜晃动及及高速

13、运动高速运动的容器的液位。不仅可的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于作液位控制器，还能用于连续测量连续测量。n电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要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。地位。 (1) 检测原理（同心圆柱式电容器）检测原理（同心圆柱式电容器）在液位的连续测量中，常用同心圆柱式在液位的连续测量中，常用同心圆柱式电容器，其电容量：电容器，其电容量： D,d：外电极内径和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变化，从而液位变化引

14、起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化。使电容器的电容量变化。dDLCln2图图9.8 9.8 同心圆柱式电容器同心圆柱式电容器1.1.内电极；内电极；2.2.外电极外电极(2) 安装形式安装形式1n具体测量时，电容式液位计的安装形具体测量时，电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而稍有差别。式因被测介质性质不同而稍有差别。n右图为用来右图为用来测量导电介质测量导电介质的单电极电的单电极电容液位计，用一根电极作为电容器的容液位计，用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管聚四氟乙烯塑料管或涂或涂搪瓷搪瓷作为绝缘作为绝缘层，而导

15、电液体和容器壁构成电容器层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。的外电极。 图图9.9 单电极电容液位计单电极电容液位计1-1-内电极；内电极；2-2-绝缘套绝缘套n图图9.10为用于为用于测量非导电测量非导电介质介质的同轴双层电极电容的同轴双层电极电容式液位计。式液位计。n内电极内电极和与之绝缘的和与之绝缘的同轴同轴金属套金属套(外电极外电极)组成电容组成电容的两极，外电极上开有很的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板多流通孔使液体流入极板间。间。图图9.10 9.10 同轴双层电极电容式液位计同轴双层电极电容式液位计1 1、2-2-内、外电极；内、外电极；3-3-绝缘套；绝缘套；4

16、-4-流通孔。流通孔。(3) 安装形式安装形式2(4)其它特殊安装形式其它特殊安装形式1.对于大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵对于大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，用一根电极，敏度，用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极壁构成电容器的两极；2.在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两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容；根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；3.在测极低温度下的液态气体时，由于在测极低温度下的液态气体时，由于 接近接近 0，一个电容，一个电容灵敏度

17、太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数灵敏度太低。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组电极，变成相当于多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。个电容并联，以增加灵敏度。 9.1.5 热学法热学法 n在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。由于测量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，目前除使用条件的特殊性，目前除使用核辐射法核辐射法外，还常用热学方法外，还常用热学方法进行检测。进行检测。n热学法利用了热学法利用了高温熔融液体本身的特性高温熔融液体本身的特性，即在，即在空气空气和和高温高温液体液体的

18、的分界面处温度场出现突变分界面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方的特点，用测量温度的方法法间接间接获得高温金属熔液液位。获得高温金属熔液液位。n热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分为热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分为热电法热电法和和热磁感应法热磁感应法。 1. 热电法热电法 n热电法采用热电偶测量温热电法采用热电偶测量温度场，图度场，图9.11为热电偶测量为热电偶测量高温金属熔液高温金属熔液液位原理图。液位原理图。图图9.119.11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a-a-容器壁；容器壁；b-b-凝固金属；凝固金属；c-c-钢水；钢水；d-d-热

19、电偶热电偶n在容器壁上选定一系列在容器壁上选定一系列测量点，装上热电偶测量点，装上热电偶;n将各测点上热电偶的输将各测点上热电偶的输出记录下来，得到如图出记录下来，得到如图9.12所示的温度所示的温度-电势分电势分布曲线布曲线;n曲线上反映出第曲线上反映出第7个和第个和第8个测点之间产生了温度个测点之间产生了温度突变，因此液面就在第突变，因此液面就在第7与第与第8测点之间。测点之间。 图图9.12 9.12 温度温度- -电势分布图电势分布图 热电法原理热电法原理n热电偶测液位是一种较粗略的测量方法，精度一般不高；热电偶测液位是一种较粗略的测量方法，精度一般不高；n测量精度与热电偶分布、安装情

20、况有关。适当减小各热电测量精度与热电偶分布、安装情况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点，可提高金属液位测量分辨率和测偶的间距、增加测量点，可提高金属液位测量分辨率和测量精度。量精度。n热电偶工作端与容器的接触点要细而牢固，为此可将热电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，由容器壁充当热电偶的另一极。偶丝焊在容器壁上，由容器壁充当热电偶的另一极。n这种方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等这种方法虽然精度不高，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制方法。应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控制方法。热电法特点热电法特点2.

21、 热磁感应法热磁感应法 n热磁感应法也称热磁感应法也称热磁敏法热磁敏法，这是近年来发展很快的一种检，这是近年来发展很快的一种检测方法；测方法；n测量安装方式类似热电法，在容器外壁上选择一系列测量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为感温元件，对应于点，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通以交流电。每个磁性元件安装一个测量线圈并通以交流电。n热电法测温元件为热电法测温元件为一组耐高温热电偶一组耐高温热电偶，它们把金属熔液液，它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为面处温度场出现变化转换为电势电势的变化；的变化

22、；n热磁感应法测温元件为热磁感应法测温元件为一组热敏磁性元件一组热敏磁性元件，把金属熔液液，把金属熔液液面处温度场出现变化转换为面处温度场出现变化转换为电感电感的变化。的变化。 9.1.6 超声波法超声波法n测量原理测量原理1.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；2.具体地说，超声波在传播中遇到相界面时，有一部分反具体地说，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。射回来，另一部分则折射入相邻介质中。3.当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传当它由气体传播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空气中时，由于介

23、质密度相差太大而几乎全部发生播到空气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。反射。4.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，测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出超声波从发射到接收的时间差时间差，便可测出液位高低。，便可测出液位高低。n分类：分类：n按按传声介质传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；n按按探头的工作方式，探头的工作方式，可分为自发自收的可分为自发自收的单探头方式单探头方式和收发和收发分

24、开的分开的双探头方式双探头方式。n相互组合可以得到六种液位计的方案。相互组合可以得到六种液位计的方案。(a)(a)气介式气介式 (b) (b) 液介式液介式 (c)(c)固介式固介式图图9.13 9.13 单探头超声波液位计单探头超声波液位计 L是与液位有关的量，故测出是与液位有关的量，故测出L便可知液位，便可知液位， L的测量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数来实现。行计数来实现。n单探头液位计单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。时交替作发射器与接收器。n

25、双探头式双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射对于固介式，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道。波与接收波的传输管道。 tCL21由图由图9.13可知，超声波传播距离为可知，超声波传播距离为L，波的传播速度为，波的传播速度为C，传播时间为，则：传播时间为，则：超声波液位测量的优点超声波液位测量的优点(1)与介质不接触，无可动部件与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；幅小，仪器寿命长；(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质的粘度、

26、湿度、介超声波传播速度比较稳定，光线、介质的粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于于有毒、腐蚀性或高粘度有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；等特殊场合的液位测量；(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供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测或遥控遥控信号；信号；(4)能测量能测量高速运动高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、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。飞机、轮船中的液位。 超声波液位测量的不足超声波液位测量的不足n超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；

27、超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；n当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，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。响测量精度。n有些物质对超声波有强烈吸收作用。有些物质对超声波有强烈吸收作用。n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件。况和条件。9.1.7 核辐射法核辐射法n不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，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

28、射线射入厚度为液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强与入射强度度I0之间有如下关系：之间有如下关系：n式中式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：吸收系数，条件固定时为常数。变形为： n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。实现。 HeII0IIHlnln10n核辐射式液位计由核辐射式液位计由辐射源辐射源、接收器接收器和测量仪表组成。辐射和测量仪表组成。辐射源一般用源一般用钴钴60或或铯铯，放在专门的铅室中，安装

29、在被测容，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。辐射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小器的一侧。辐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。孔或窄缝透出。 n接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧， 射线射线由由盖革计数管盖革计数管吸收，每接收到一个吸收，每接收到一个 粒子，就输出粒子，就输出一个一个脉冲电流脉冲电流。 射线越强，电流脉冲数越多，经过射线越强，电流脉冲数越多，经过积分积分电路电路变成与脉冲数成正比的变成与脉冲数成正比的积分电压积分电压，再经电流放大和电，再经电流放大和电桥电路，最终得到桥电路，最终得到与液

30、位相关的电流输出与液位相关的电流输出。 图图9.14所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核辐所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核辐射液位计。其中射液位计。其中 (a)为为长辐射源长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；和长接收器形式，输出线性度好； (b) 为为点辐射源点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。和点接收器形式，输出线性度较差。 (a) (b)图图9.14 核辐射式液位计核辐射式液位计1-放射源；放射源； 2-接收器接收器辐射式液位计特点辐射式液位计特点1.辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号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；和进行

31、控制；2.射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，能实现完全的非接触测量。透各种介质，包括固体，能实现完全的非接触测量。n适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量，如高温、高压、适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温强腐蚀、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。熔融体等的液位测量。n在使用时要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人在使用时要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。体造成伤害。9.1.8 微波法微波法n

32、在电磁波谱中将波长为在电磁波谱中将波长为11000mm的电磁波称为微波。的电磁波称为微波。n微波的特点：微波的特点：n在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向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；辐射性能；n在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，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。具有很强的环境适应能力。 1. 反射式微波液位计反射式微波液位计 n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。通常微波发射天线位定点控制。通常微波发射天线倾斜一定的角度倾斜一

33、定的角度向液面发射向液面发射微波束，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，如图天线接收，从而测定液位，如图9.15。 图图9.15 9.15 反射式微波液位计反射式微波液位计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为两天线距液面的垂直距离。为两天线距液面的垂直距离。发射功率发射功率P1，波长波长 天线增益天线增益GiGr保持稳定不变，上式可简化为：保持稳定不变，上式可简化为：式中式中K1 : 增益常数增益常数，决定于微波波长、发射功率及天线的增益；，决定于微波波长、发射功率及天线

34、的增益； K2: 距离常数距离常数，决定于天线安装的方法与位置，主要是距离。，决定于天线安装的方法与位置，主要是距离。因此因此，只要测定了天线接收到的微波功率，就可得到液位只要测定了天线接收到的微波功率，就可得到液位H，即，即22424)(HdGGPrriiP22122411424)(HKKHdGGPrriiPrPKKH21n微波功率的测量通常可用热电或热阻等元件，再配合相应微波功率的测量通常可用热电或热阻等元件，再配合相应的测量电路，最后经数据采集和信号处理根据接收到的微的测量电路，最后经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果。也可用专门的微波信号功率，显示和输出

35、液位测量结果。也可用专门的微波检波管（如波检波管（如2DV检波二极管）检波成直流电流由微安表检波二极管）检波成直流电流由微安表直接显示。直接显示。n在测量环境有大量水蒸气时，会对微波产生强烈吸收，会在测量环境有大量水蒸气时，会对微波产生强烈吸收，会对测量结果产生较大的影响。对测量结果产生较大的影响。 2. 调频连续波式物位计调频连续波式物位计n在工程应用较多的调频连在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和续波式微波物位（液位和料位）计。料位）计。图图9.16 调频式微波物位计调频式微波物位计 工作原理工作原理n只需将发射、接收天线装在只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可被测料仓

36、（罐）上方，即可对物位进行连续测量。对物位进行连续测量。n特点：特点：这种调频连续波式微波物这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物快速而准确地测出目标物体的物位值。体的物位值。图图9.17 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 固态源频率变化规律固态源频率变化规律n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； f0 ：固态源初始频率；固态源初始频率； f2 ：本振本振频率；频率； f0 ：固态源在调制信号固态源

37、在调制信号1/2周期内的频偏范围；周期内的频偏范围； t：时间。时间。 02000022fdfffffF ftdtT回波频率回波频率式中式中 f1回波频率回波频率； t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为为光速，光速，L为为被测距离；被测距离； 1002ffF ftt差频频率差频频率 f 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 f成正比。当成正比。当固态源的调制频率固态源的调制频率F和频偏和频偏 f一定时，只要测出一定时，只要测出 f ，就可以计算得到就可以计

38、算得到L。 0210422F fLfffF fLCC 04C fLF f当固态工作频偏当固态工作频偏 f0=300MHz，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的部分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，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微波物位计的测量精确度可达1%。测量范围一般为测量范围一般为0.520 m。6384 1000 300 104 103 10fLL 9.1.9 磁电法磁电法 n磁致伸缩液位计磁

39、致伸缩液位计磁电转换原理磁电转换原理图图9.18 磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计原理图原理图 工作原理工作原理n磁致伸缩液位计组成：磁致伸缩液位计组成：1.探测杆（内装有磁致伸缩线）探测杆（内装有磁致伸缩线）2.电路单元电路单元3.浮子组成。浮子组成。n探测杆上端部的电子部件产生一个低压电流探测杆上端部的电子部件产生一个低压电流“询问询问”脉脉冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场，同时产生一个磁场沿波导线向下传播；的磁场，同时产生一个磁场沿波导线向下传播；n探测杆外配有浮子，浮子随着液位变化沿测杆上下移动，探测杆外配有浮子，浮子随

40、着液位变化沿测杆上下移动，由于浮子内有一组磁铁，也产生一个磁场，由于浮子内有一组磁铁，也产生一个磁场，当电流磁场当电流磁场与浮子磁场两个磁场相遇时与浮子磁场两个磁场相遇时，波导线扭曲形成，波导线扭曲形成“返回返回”脉冲，脉冲，精确测量精确测量“询问询问”脉冲到接受脉冲到接受“返回返回”脉冲的时脉冲的时间，即便可计算得到液位的准确位置。间，即便可计算得到液位的准确位置。 常州常州NWDZ-F磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计 n量程范围量程范围 805000 mm（可根据用户要求定制）（可根据用户要求定制）非线性误差非线性误差 0.05%FS；量程；量程300mm以下最大误差以下最大误差0.1mm重复

41、性误差重复性误差 0.002%FS分辨率分辨率 0.02mm迟滞迟滞 0.002%FS温温 漂漂 50ppm/工作电压工作电压 +11VDC+36VDC工作电流工作电流 15mA(随量程的变化而增减随量程的变化而增减)工作温度工作温度 T1:0+70, T2:-40+85, T3:-50+125负载特性负载特性 电压输出时最大负载电阻电压输出时最大负载电阻3k电流输出时最大负载电阻电流输出时最大负载电阻600输出形式输出形式 05V、010V、15V、110V、420mADC、RS485工作压力工作压力 34MPa(可根据用户要求定制可根据用户要求定制)电子仓外壳材料电子仓外壳材料 OCr18

42、Ni9(304)测杆材料测杆材料 OCr18Ni9(304)、316L不锈钢（特殊定制）不锈钢（特殊定制）连接形式连接形式 M18x1.5、M20 x1.5、3/4-16UNF（英制）（英制）9.1.10 光学法光学法 n激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、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、易受方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，提高测量精度。干扰等缺点，提高测量精度。 激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制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。电路组成。工作方式有工作方式有反射式反射式和和遮断式遮断式，在液位测量中两

43、种方式，在液位测量中两种方式都可使用，但都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量连续测量。9.19 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-激光发射器；激光发射器； 2-上液位接收器；上液位接收器； 3-下液位接收器下液位接收器 n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。当液位在面反射到接收器的光敏检测元件上。当液位在正常范围正常范围时，时，上、下液位接收器光敏元件均无接收到激光反射信号；当液上、下液位接收器光敏元件均无接收到激光反射信号；当液

44、面上升或下降到面上升或下降到上下限位置上下限位置，相应位置的光敏检测元件产生，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。信号，进行报警或推动执行机构控制开始加液或停止加液。n激光发射器有以激光发射器有以红宝石红宝石为工作物质的固体激光器，也有为工作物质的固体激光器，也有氦氦氖气体激光器氖气体激光器及及砷化镓半导体激光器砷化镓半导体激光器；接收器可用；接收器可用光敏电阻光敏电阻、光电二极管光电二极管、光电三极管光电三极管、光电管光电管、光电倍增管光电倍增管等各种光电等各种光电元件。元件。工作原理工作原理 汽车刹车油箱专用液位开关汽车刹车油箱专用液位开关 FS-

45、5001 n汽车刹车油工作环境恶劣，对检测刹汽车刹车油工作环境恶劣，对检测刹车油箱中油量所用液位开关的浮子的车油箱中油量所用液位开关的浮子的要求：性能稳定，不分解，不吸油膨要求：性能稳定，不分解，不吸油膨胀；长期耐受胀；长期耐受80的高温不老化变质的高温不老化变质变色；内部发泡均匀一致，在刹车油变色；内部发泡均匀一致，在刹车油或水中平衡效果良好。或水中平衡效果良好。 n工作原理：当刹车油量下降至浮子下工作原理：当刹车油量下降至浮子下落时，通过浮子上的环形磁铁使盒中落时，通过浮子上的环形磁铁使盒中的干簧管由常开变为闭合状态，通过的干簧管由常开变为闭合状态，通过连接驾驶室的指示仪表则显示为红灯连接

46、驾驶室的指示仪表则显示为红灯亮亮(需加油需加油)。图图9.20 汽车刹车油箱液汽车刹车油箱液位传感器位传感器汽车的油位传感器汽车的油位传感器 n一般情况下就是一个滑动变阻器，阻值由一个浮子控制，一般情况下就是一个滑动变阻器，阻值由一个浮子控制，随着油量的变化，阻值也就会变化；随着油量的变化，阻值也就会变化；n在加载电压固定的条件下，输出电流变化。电流值反映到在加载电压固定的条件下，输出电流变化。电流值反映到汽车仪表上，按照一定的比例转换为汽油油量汽车仪表上，按照一定的比例转换为汽油油量. n一般由于油箱的不规则性，所以变阻器的电阻变化也并不一般由于油箱的不规则性，所以变阻器的电阻变化也并不是规

47、则的。是规则的。奥迪奥迪A6 1.8T轿车轿车 n该系统由仪表板、装该系统由仪表板、装在油底上的油位在油底上的油位/温度温度传感器及连接仪表板传感器及连接仪表板和传感器的导线和传感器的导线3部分部分组成组成(图图1)。n油位油位/温度信息由传感器通过导线以脉冲宽度调制信号的形温度信息由传感器通过导线以脉冲宽度调制信号的形式连续不断地传递到仪表板，仪表对信号进行分析计算后式连续不断地传递到仪表板，仪表对信号进行分析计算后将油温信息显示在仪表上，而油位信息则用于低油位警告将油温信息显示在仪表上，而油位信息则用于低油位警告灯开启的依据。除此之外，油温、油位的信息还用于仪表灯开启的依据。除此之外，油温

48、、油位的信息还用于仪表对燃油消耗量及行驶里程的计算以及保养间隔里程及时间对燃油消耗量及行驶里程的计算以及保养间隔里程及时间的确定。的确定。9.2 （固体）料位检测方法（固体）料位检测方法n固体物料的状态特性与液体有差别固体物料的状态特性与液体有差别n料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法n本节将介绍一些典型的和常用的料位检测方法。本节将介绍一些典型的和常用的料位检测方法。9.2.1 重锤探测法重锤探测法 n原理原理:n重锤连在与电机相连的鼓轮上，重锤连在与电机相连的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控电机发讯使重锤在执行机构控制下动作

49、，从预先定好的原点制下动作，从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位或逻辑控制记录重锤下降的位置；置；n当重锤碰到物料时，产生失重当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构信号，控制执行机构停转停转反转反转，使电机带动重锤迅速返，使电机带动重锤迅速返回原点位置。回原点位置。 图图9.21 重锤探测式料位计重锤探测式料位计1-重锤；重锤；2-伺服电机；伺服电机；3-鼓轮鼓轮 9.2.2 称重法称重法 n一定容积的容器内，一定容积的容器内，物料重量物料重量与与料位高度料位高度成比例，成比例，因此可用因此可用称重传感器称重传感器或或测力传感器测

50、力传感器测算出料位高低。测算出料位高低。图图9.22 称重式料位计称重式料位计1-支承；支承； 2-称重传感器称重传感器9.2.3 电磁法电磁法 n前面介绍的液位检测用电阻式和电容式测量方法同样适用前面介绍的液位检测用电阻式和电容式测量方法同样适用于料位检测，但传感器安装方法与液位测量有些差别。于料位检测，但传感器安装方法与液位测量有些差别。图图9.23 电极接触式料位计（电极接触式料位计（电阻式电阻式）1-绝缘套；绝缘套； 2、3、4 -电极电极5-信号器；信号器； 6-金属容器壁金属容器壁 1. 电阻式物位计电阻式物位计n电阻式物位计在料位检测中一般用电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的

51、定点控制作料位的定点控制，因此，因此也称作也称作电极接触式物位计电极接触式物位计。n其测量原理如图其测量原理如图9.23。n两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。使该路信号发生器发出报警或控制信号。n特点：特点：n要求物料是导电介质要求物料是导电介质或本身虽不导电但含有一定水分能微或本身虽不导电但含有

52、一定水分能微弱导电；弱导电；n不宜于测量粘附性的浆液或流体不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物料的粘附而，否则会因物料的粘附而产生误信号。产生误信号。 2. 电容式料位计电容式料位计n特点特点：n应用非常广泛，可测不同性质应用非常广泛，可测不同性质的液体及物料，如块状、颗粒的液体及物料，如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性状、粉状、导电性、非导电性等物料。等物料。n由于固体摩擦力大，容易由于固体摩擦力大，容易“滞滞留留”，产生虚假料位，因此一，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。一根电极棒。 图图9.24 电容式料位计电容式料位计1-金属电

53、容；金属电容；2-测量电极；测量电极；3-辅助电极；辅助电极； 4-绝缘套绝缘套电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极辅助电极与测量电极(也称主电极也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长设辅助电极长L0，它相对于料位为零时的电容变化量，它相对于料

54、位为零时的电容变化量CL0为为 ：0002lnLCLD d 主电极的电容变化量为主电极的电容变化量为Cx，则有：，则有：由于由于L0是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。 00 xLCCH L9.2.4 声学法声学法n上一节介绍过利用超声波在两种密度相差较大的介质间传上一节介绍过利用超声波在两种密度相差较大的介质间传播时发生全反射的特性进行液位测量

55、，这种方法也可用于播时发生全反射的特性进行液位测量，这种方法也可用于料位测量。料位测量。n除此以外，还可用声振动法进行料位定点控制。除此以外，还可用声振动法进行料位定点控制。n图图9.24为音叉式料位信号器原理图。为音叉式料位信号器原理图。n结构原理：结构原理：n由音叉、压电元件及电子线路等由音叉、压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发信号变化后向报警器及控制器发

56、出信号。出信号。 n特点：特点：n这种料位控制器灵敏度高，从密这种料位控制器灵敏度高，从密度很小的微小粉体到颗粒体一般度很小的微小粉体到颗粒体一般都能测量，但不适于测量高粘度都能测量，但不适于测量高粘度和有长纤维的物质。和有长纤维的物质。 图图9-25 音叉式料位控制器音叉式料位控制器 9.2.5 光学法光学法 n光学法是一种比较古老的料位控制方法。一般只用来进行光学法是一种比较古老的料位控制方法。一般只用来进行定点控制，工作方式采用遮断式。定点控制，工作方式采用遮断式。n原理：原理：n在储料容器一侧安装激光发射器，另一侧安装接收器，在储料容器一侧安装激光发射器，另一侧安装接收器，当料位未达到控制位置时接收器能够正常接收到光信当料位未达到控制位置时接收器能够正常接收到光信号，而当料位上升至控制位置时，光路被遮断，接收号，而当料位上升至控制位置时，光路被遮断，接收器接收的信号迅速减小，电子线路检测到信号变化后器接收的信号迅速减小，电子线路检测到信号变化后转化成报警信号或控制信号。转化成报警信号或控制信号。特点：特点：1.激光能量集中，光强度大，因此物位控制范围大，可达激光能量集中，光强度大，