第11章界位传感器及工程应用

1、第11章 界位传感器及工程应用第第11章章 界位传感器及工程应用界位传感器及工程应用11.1 界界位测量概述位测量概述11.2 液位传感器及工程应用液位传感器及工程应用11.3 料位传感器及料位传感器及工程工程应用应用11.4 物位传感器及物位传感器及工程工程应用应用11.5 界位传感器工程应用案例界位传感器工程应用案例返回主目录第11章 界位传感器及工程应用界位是指两种不同物质分界面的位置，实现界位测量的传感器称作界位传感器。为了叙述方便，通常人们把液体和气体的分界面位置称作液位；把细小颗粒状或粉末状固体与气体的分界面位置称作料位；把大块固体与气体的分界面位置称作物位。测量界位的传感器种类较

2、多，按其工作原理可分为下列几种： 直读式根据流体的连通性原理来测量液位。 浮力式根据浮子高度或浮力大小随液位高度变化而变化的原理来测量液位。11.1 界界位测量概述位测量概述第11章 界位传感器及工程应用 差压式根据液位高度变化对某点产生的静(差)压力变化原理来测量液位。 电学式根据物位变化与某种电量变化有一一对应关系原理来测量物位。 核辐射式根据核辐射透过物料时，其强度随厚度变化而变化的原理来测量物位。 声学式根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化原理来测量物位。 其他形式如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等。本章重点介绍常用的几种界位传感器。 第11章 界位传感器及工程应用11.2 液

3、位传感器及工程应用液位传感器及工程应用11.2.1 浮力式液位传感器浮力式液位传感器浮力式液位传感器是利用液体浮力来测量液位的。根据测量原理，它可分为恒浮力式和变浮力式两大类型。1.1.恒浮力式液位传感器恒浮力式液位传感器最原始简单的恒浮力式液位传感器就是一个浮子。把它置于液体中，它受到浮力的作用就会漂浮在液面上，其液位检测原理如图11 1所示。图图11 1 浮子式液位检测原理浮子式液位检测原理第11章 界位传感器及工程应用由图可知，由于浮子由绳索经滑轮与塔外的重锤相连，当液面发生变化时，重锤带着指针便可移动，其位置便可反映水位的高低。但与直观印象相反，标尺下端代表水位高，若使指针动作方向与水

4、位变化方向一致，应增加滑轮数目，但引起摩擦阻力增加，误差也会增大。 若将标尺上的滑动电触点与报警电路适当相连，可实现超限报警。若将标尺上的滑动电触点与水塔水箱进水口的电磁阀门执行机构配合，可实现阀门的自动启停，进行液位的自动控制。若把浮子换成浮球，测量机构从容器内移到容器外，可直接显示罐内液位的变化。常见的一种外浮球式液位检测原理如图11 2所示。第11章 界位传感器及工程应用这种液位传感器适合测量温度较高、粘度较大的液体介质，但量程范围较窄。如在该液位传感器的基础上增加机电信号变换装置，可实现液位的自动控制。 图图11 2 外浮球式液位检测原理外浮球式液位检测原理2. 变浮力式液位传感器变浮

5、力式液位传感器变浮力式液位传感器最常见的就是浮筒式传感器，它是利用变浮力的原理来测量液位的。图11 3是浮筒式传感器液位检测原理图。它由浮筒、弹簧和差动变压器组成。第11章 界位传感器及工程应用设悬挂在弹簧上的空心金属圆筒(浮筒)横截面积为A，质量为m，弹簧的下端被固定，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，则有(11-1)图图11 3 浮筒液位检测原理浮筒液位检测原理mggAh0Amh 0(11-2)式中，h0为浮筒浸没在液体的深度； 为浸没浮筒的液体密度。如果浮筒重力与浮力平衡时，浮筒底面所处的液面高度为H0，以h0+H0作为初始液位（即使弹簧处于原始长度）。第11章 界位传感器及工程应用假设当

6、液位高度为H，且浮筒受到的浮力和重力与弹簧力平衡时，浮筒上移了x，浸没在液体中的深度为h。因浮筒上移的距离x即为弹簧的位移，则有(11-3)式中，k为弹簧的弹性系数。由图11 3可知，被测液位H可表示为kxmggAh0hxgAkAmxgAkh(11-4)000)1 (HhxgAkHxhH由式(11 5)可知，被测液位H与浮筒产生的位移x呈线性关系。(11 5)第11章 界位传感器及工程应用 以上分析表明，变浮力式液位传感器实际上是将液位转化成浮筒的位移。当浮筒移动时，安装在浮筒连杆上的铁芯则随浮筒一起上下移动，通过位移测量电路（即差动变压器）把位移转变成与它成正比例关系的电压输出。只要把电压测

7、量出来就得到了被测液位。 浮筒式液位传感器适应性能好，对粘度较高的介质、高压介质及温度较高的敞口或密闭容器的液位等都能测量。对液位电信号可远距离传输和显示，若与单元组合仪表配套，可实现液位的报警和自动控制。第11章 界位传感器及工程应用11.2.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 1.1.利用压力传感器测量液位原理利用压力传感器测量液位原理对于上端与大气相通的敞口容器，其底部压力与液位的关系为gpH式中，H为液位高度(m)；为液体的密度(kg/m3)；g为重力加速度(m/s2)；p为容器底部的压力(Pa)。由式(11 6)可知，只要能把敞口容器底部的压力测量出来，就可以计算出液位高度H。测量

8、压力的传感器很多，利用压力传感器测量液位原理如图11 4所示。当压力传感器与容器底部处在同一水平线上时，仪表显示的数值就是液位H的高度。(11 6)第11章 界位传感器及工程应用图图11 4 压力传感器测量液位原理压力传感器测量液位原理注：如果压力传感器与容器底部不在同一水平线上时，将会产生零点迁移，导致测量误差。为了测量准确，使用中应注意消除。2. 压差传感器测量液位原理压差传感器测量液位原理对于上端与大气隔绝的封闭容器，容器上部空间与大气压力一般不相等，不能用上述方法来测量。工业生产中普遍采用压差传感器来测量液位，利用压差传感器测量液位原理如图11 5所示。第11章 界位传感器及工程应用设

9、容器上部空间的压力为p1，液体的压力为p2，则差压传感器正、负压室所受到的压力分别为p+和p-则112pgHppp1pp gHppp图图11 5 压差传感器测量液位原理压差传感器测量液位原理(11 7)正、负压室的压差为(11 8)(11 9)由式(11 9)可知，压差p与被测液位H成正比。只要把压差测量出来，就可以利用式(11 9)计算出被测液位H。第11章 界位传感器及工程应用3.3.常用静压式液位变送器常用静压式液位变送器 液位变送器的特点是输出电流信号和被测液位呈线性关系，不需要进行压力和液位的换算。根据安装方法不同有多种结构形式，其中常见的静压式液位变送器有投入式和法兰式两种，如图1

10、1 6所示。(a) 投入式 (b) 法兰式图图11 6 常见液位变送器常见液位变送器第11章 界位传感器及工程应用11.2.3 应变式液位传感器应变式液位传感器1. 应变式液位传感器结构应变式液位传感器结构应变式液位传感器是利用电阻应变片把液位压力转变成应变的原理来测量液位的。其结构示意图如图11 7(a)所示。它有一根传压杆，下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。图图11 7 应变式液位传感器结构示意图及测量电路应变式液位传感器结构示意图及测量电路第11章 界位传感器及工程应用其测量电路结构如图11 7(b)所示。图中RL的阻值比较大，其作用是把电压源U输出的电流恒定，以减少测量电路的非

11、线性误差。2. 应变式传感器测量液位原理应变式传感器测量液位原理由图11 7(b)可知，若微压传感器在未受压力时，电桥平衡，U1=U2=0；则当微压传感器受到压力p作用时，两微压传感器串联后的输出电压Uo为gHKKpKpKUUU)(212121ogKKUH)(21o式中，K1，2分别为两个微压传感器对压力p的传输系数；H为被测液位高度；为被测液体的密度；g为重力加速度。(11 10)(11 11) 即第11章 界位传感器及工程应用式(11 11)表明，容器内液位高度H与电桥输出电压Uo呈线性关系，只要把输出电压Uo测量出来，就可以计算出容器内液位高度H。11.2.4 电容式液位传感器电容式液位

12、传感器1. 电容式液位传感器的结构电容式液位传感器的结构电容式液位传感器实际是一个变介质电容器。它的极板是两根同心圆柱。将它插入装有液体的容器内，如图11 8所示。若容器中液体是非导电的，这时在同心圆柱之间就形成了两个并联电容器。根据同心圆柱电容器电容量的计算公式可知，这两个电容器并联后总的电容C为)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2212121022102211DDHDDHDDHHDDHC(11 12)第11章 界位传感器及工程应用由式(11 12)可知，当容器内液位H变化时，两极板间的电容量 就会发生变化。令图图11 8 变介质电容器测量液位原理变介质电容器测量液位原理

13、式中，H0为同心圆柱的高度；D1为外圆柱内直径；D2为内圆柱外直径；H为被测液位的高度；1为被测液体的介电常数；2为空气的介电常数。2. 电容式液位传感器测量原理电容式液位传感器测量原理 )/ln()(22121DDA)/ln(221020DDHC(11-13)(11-14)第11章 界位传感器及工程应用(11-16)AHCCC00CAHC将式(11 14)和(11 13)代入式(11 12)，可得(11-15)由此可见，电容式液位传感器的电容变化量C与液位高度H成正比例关系。因此，只要通过电容测量电路把变化的电容量测量出来，就可以实现液位的测量。第11章 界位传感器及工程应用11.3 料位传

14、感器及工程应用料位传感器及工程应用11.3.1 电容式料位传感器电容式料位传感器1. 电容式料位传感器的结构电容式料位传感器的结构电容式料位传感器与电容式液位传感器结构相类同，也是一个变介质电容器。所不同的是，它只有一根圆柱形极板(金属棒)，称作测定电极。使用时将它安装在罐的中央，如图11 9所示。这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。图图11 9 变介质电容器测量料位原理变介质电容器测量料位原理第11章 界位传感器及工程应用根据同心圆柱形电容器电容C的计算公式可知，测定电极与罐壁组成的电容器电容量C可由下式表示(11-17)式中，1为被测物料的介电常数；2为空气的介电常数；D1为储罐的

15、内直径；D2为测定电极的外直径；H为被测物料的高度；H0为储罐深度。2. 电容式料位传感器测量原理电容式料位传感器测量原理由式(11 17)可知，该电容量的大小与被测物料在罐内高度H有关。令)/ln()(2)/ln(221212102DDHDDHC)/ln(221020DDHC(11-18)第11章 界位传感器及工程应用式中，C0为罐内无料时的电容值。当储罐放入物料后引起电容的变化量为由式(11 20)可见，电容式料位传感器的电容变化量C与液面高度H成正比。因此，只要把变化的电容量测量出来就可以实现料位的测量。并且介电常数1和2差别越大，直径D1与D2相差愈小，传感器灵敏度就愈高。)/ln()

16、(221210DDHCC则(11-19)HDDCCC)/ln()(221210(11-20)第11章 界位传感器及工程应用在实际应用时，储存罐并不一定要求是圆柱形的，而电容式料位传感器也并非一定要安装在罐的中央，而是应该安装在罐内料位平稳、能正确反映料位高低的任意位置。此时，物料高度变化引起的电容变化量应修正为式中，K为比例系数，它与罐的形状、电容式料位传感器的安装位置有关；1为被测物料的介电常数；2为空气的介电常数；H为被测物料的高度。需要注意的是，这种测量方法要求罐壁必须是金属材料的，而物料必需是不导电的；否则，此传感器不能使用。HKCCC)(210(11-21)第11章 界位传感器及工程

17、应用 1 1. .超声波传感器测量料位原理超声波传感器测量料位原理超声波传感器测量料位的工作原理是利用超声波在传播过程中遇到两种介质分界面就反射回波的特性，通过测量超声波从发射至接收到被测料位界面的回波时间间隔来实现料位检测的。2. 超声波料位传感器结构超声波料位传感器结构因为超声波传感器有单探头和双探头之分，所以常见的超声波料位传感器结构如图11 10所示。其中图(a)和(b)是把超声波探头安装在料面的上方，这种安装、维修方便，但衰减比较严重。图11 10(c)和(d)是把超声波探头安装在料面下方。这种安装可以大大降低超声波传感器的功率，减少成本。11.3.2 超声波料位传感器超声波料位传感

18、器第11章 界位传感器及工程应用图图11 10 超声波料位传感器结构示意图超声波料位传感器结构示意图第11章 界位传感器及工程应用对于图11 10(a)来说，假设超声波的发射时刻为t0，探头接收到超声波的时刻为t1，超声波从发射到接收经过的路程为2h，则2)(01tth 被测料位的高度H为式中，H0为探头到容器底面的距离；h为探头到料面的距离；为超声波在空气中的传播速度；H为料位的高度。(11 22)(11 23)2)(0100ttHhHH第11章 界位传感器及工程应用对于图11 10(b)来说，设超声波从发射到接收经过的路程为2S，则2)(01ttS 料位高度H为2201022002)(at

19、tHaSHhHH(11 24)(11 25)式中，a为两个探头之间距离的一半。从式(11 23)和(11 25)可以看出，只要测出超声波从发射到接收的时间间隔(tl-t0)，便可求出待测料位的高度H。第11章 界位传感器及工程应用11.4 物位传感器及工程应用物位传感器及工程应用11.4.1 超声波物位传感器超声波物位传感器1. 超声波测量物位原理超声波测量物位原理超声波测量物位原理与测量料位原理相同，首先利用超声波发射探头朝着被测物体发出超声波，超声波遇到被测物体后就要返回。当接收探头接收到返回的超声波时，计算出超声波从发射到接收所需的时间，根据超声波在介质中的传播速度，就可计算出被测物位的

20、距离。其计算公式为2tS(11-26)式中：S为被测距离；为超声波在介质中的传播速度；t为超声波的传播时间。第11章 界位传感器及工程应用2. 超声波物位传感器的结构超声波物位传感器的结构由于超声波探头有单探头和双探头两种形式，所以超声波物位传感器也有两种结构（见图11 11）。其中图(a)是单探头结构，图(b)是双探头结构。图图11 11 超声波物位传感器结构示意图超声波物位传感器结构示意图第11章 界位传感器及工程应用11.4.2 超声波探头的使用注意事项超声波探头的使用注意事项1. 超声波探头的补偿超声波探头的补偿由于超声波的传播速度通常不是一个常数，而是随着传播介质的温度、压力及成分等

21、变化而变化。例如在空气中，0时的传播速度为331.36 m/s，而在20时则为343.38 m/s。为了测量准确，考虑到环境对超声波传播速度的影响，可采用补偿措施予以校正，以提高测量精度。超声波传播速度的校正方法主要由温度补偿和校正装置补偿两种。如果超声波在介质中的传播速度主要随温度变化，而且超声波速度随温度的变化规律已知，则可以在超声波探头附近安装一个温度传感器，根据超声波速度与温度之间的关系，在测量时进行声速的自动校正。这就是所谓的温度补偿。第11章 界位传感器及工程应用若声速与温度的关系未知，或者传播介质成分复杂，就需要校正装置补偿法。所谓校正装置补偿是指在同一测量环境里安装两组超声波探

22、头，一组用作测量探头；另一组用作校正探头。其结构如图11 12所示。由于S0为已知，只要测出超声脉冲从校正探头到反射板的往返时间t0，就可知道超声波在空气中的传播速度，即002tS图11 12 具有校正装置的超声波物位测量系统(11-27)第11章 界位传感器及工程应用式中，S0为校正探头到反射板的距离；t0为超声波从校正探头到反射板的往返时间；t为超声波从测量探头到被测物的往返时间。由式(11 28)可知，只要测出时间t0和t，就可获得被测物距S，而且还消除了因环境变化引起的误差。基于超声波测距的原理，还可以应用到其他地方，比如汽车的防撞、车速的检测、大门的自动开关、倒车雷达、交通车辆的检测

23、以及防盗报警等相关领域。因为校正探头和测量探头在相同的环境里，则两者的传播速度一样。显然，从测量探头到被测物体之间的距离S为(11-28)002ttStS第11章 界位传感器及工程应用2. 超声波探头的使用环境超声波探头的使用环境 由于超声波探头不能承受高温、高压，故超声波传感器通常适合于温度在-40100之间，压力在0.3Mpa以下的场所，进行液位、料位和物位的测量。 对于密闭容器内料面上方粉尘较多的料位测量，或密闭容器内挥发性液体的液位测量。由于超声波在粉尘或挥发性气体中的传播速度与空气中不同，应采用图11 10(c)和(d)所示的结构，否则应采用补偿措施对声速进行修正。 对于灰尘严重或密

24、闭容器内有挥发性液体的场合，由于超声波探头上会有灰尘聚集或挥发气体的凝结，影响超声波的发射和接收。在这些场合最好要求该传感器具有可变功率控制功能。第11章 界位传感器及工程应用3. 超声波探头的安装位置超声波探头的安装位置为保证测量的准确，防止干扰，超声波探头安装位置要尽可能选择液面平稳、料面平整的位置，同时远离扶梯、进料口、出料口，尽可能与容器壁保持较远的距离，远离搅拌器等。第11章 界位传感器及工程应用11.5 界界位传感器工程应用案例位传感器工程应用案例11.5.1 液位测量显示系统案例液位测量显示系统案例 实现液位测量的方法很多，可以用压力传感器测量，也可以用压力变送器测量，还可以用液

25、位变送器或超声波传感器测量。本案例是选用一个液位变送器和显示仪表及报警电路来实现的。其系统结构如图11 13所示。图图11 13 液位测量显示系统液位测量显示系统第11章 界位传感器及工程应用设液位变送器的输出电流为420mA，则该容器内的液位高度与液位变送器输出电流的关系为4 kHI(11-29)式中，k为液位变送器的比例系数(mA/m)；H为液位高度(m)；I为液位变送器的输出电流(mA)。由式(11 29)可知，只要能把液位变送器的输出电流I测量出来，就可以计算出液位的高度H。然后利用显示仪表就可以把液位的高度显示出来。假设液位上限对应的电流为I1，下限对应的电流为I2，设计一个超限报警

26、电路，使得当液位变送器输出电流低于下限电流I2或高于上限电流I1时，使报警电路工作，就可以实现被测液位的超限报警。第11章 界位传感器及工程应用11.5.2 物位测量显示系统案例物位测量显示系统案例目前汽车上普遍安装的超声波倒车雷达系统就是物位测量显示系统的典型应用案例。它可以在倒车时自动监测车后是否有障碍物以及障碍物的远近，并及时提醒驾驶员注意。为了保证倒车安全可靠，倒车雷达系统通常在汽车的后保险杠上布置34只超声波探头。该系统电路种类较多，图11 14是某小型轿车超声波倒车雷达系统结构方框图。它由4只一体式超声波探头、4路超声波发射与接收电路、双四选一开关、单片机控制电路、LCD显示电路、

27、温度补偿电路和声音报警电路等组成。下面简单介绍各部分电路的结构和功能。第11章 界位传感器及工程应用图图11 14 超声波倒车雷达系统结构方框图超声波倒车雷达系统结构方框图1. 超声波探头超声波探头它是该系统的主要部件，型号很多。一般测距在1.52.5m的都能满足要求。本案例采用了四只EFR40RS一体式探头。第11章 界位传感器及工程应用2. 超声波电压产生电路超声波电压产生电路要想让超声波探头发射超声波信号，必须给它施加一个与超声波频率相同的交变电压信号。产生超声波交变电压信号的电路很多，本案例采用单片机编程来产生超声波探头所需的激励脉冲电压信号。3. 超声波发射驱动与接收电路超声波发射驱

28、动与接收电路超声波发射驱动电路的作用是对单片机发出的激励脉冲信号进行功率放大；超声波接收电路的作用是把超声波接收探头转化出来的回波电压信号传送给单片机。超声波发射驱动与接收电路有多种，本案例采用的超声波发射驱动与接收电路如图11 15所示。第11章 界位传感器及工程应用图图11 15 超声波发射驱动与接收电路超声波发射驱动与接收电路4. 收发分时控制电路收发分时控制电路由于本案例中设计的发射驱动和接收电路各有4路，为了保证它们有序工作。选用了双四选一模拟开关CD4052来实现四路信号的分时收发控制。CD4052与超声波发射驱动/接收电路的连接方式如图11 16所示。第11章 界位传感器及工程应用图图11 16 CD4052与超声波发射驱动与超声波发射驱动/接收电路的连接方式接收电路的连接方式第11章 界位传感器及工程应