传感器与检测技术课件 项目四 测量液位高度 任务4.1液位传感器测量液位高度

项目四测量液位高度2生活中的计算机网络【项目思维导图】【项目教学目标】【知识目标】1．能理解液位基本概念，掌握液位检测的分类；2.能理解差压式传感器工作原理；3.能理解浮力式液位传感器工作原理；4.能理解电气式传感器分类和工作原理；5．能理解超声波的应用、超声波传感器的分类与基本结构；6．能掌握超声波传感器的测量方法。【技能目标】1．会选择液位传感器类型进行液位测量；2．会安装和使用投入式液位传感器；3.会选择超声波传感器类型；4.会安装和使用防腐超声波液位计。【素养目标】1.通过激励学生奋斗的青春最美丽，培养学生正能量、积极拼搏奋斗精神；2.通过超声波传感器学习，培养学生发扬胡杨精神，自立自强发展创新，敢于突破勇于创新的精神。任务4.1液位传感器测量液位高度在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油“冒顶”事故；油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响后序设备的生产和安全。液位测量是利用液位传感器将非电量的液位参数转换为便于测量的电量信号，通过电信号的计算和处理，可以确定液位的高低。在工程应用方面，液位测量包括对液位、液位差、界面的连续监测、定点信号报警、控制等。任务描述任务描述：例如，火力电厂锅炉汽泡水位的测量和控制；低温领域如液氦、液氢等液体在各种低温容器或储槽中液面位置的监测和报警等，在现代化生产中，对液位的监视和控制是极其重要。测定液位的目的有两种，一种是液体贮藏量的管理，另一种是为了安全方面的管理或自动化的需要。前一种要求精度高，后一种要求可靠性高。有时液位的测定只要求提供从某液位开始是升了或是降了的信息就足够了，把这种用途的液位传感器叫作液位开关。大部分液位的测定是罐内自由液位的测定，但也有把两种互相不混合液体边界面，液体中的沉淀物的高度，以及粉状物体的堆积高度等作为液面的测定对象。汽车油箱的油量多少直接关系可持续行车的里程，是驾驶员需要知道的重要参数。我们可以从汽车的仪表盘的油量指示表读出油箱油量，那么油量是如何测量的呢？这时用到液位传感器，那么液位传感器工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们节课的任务。知识链接：液位传感器测量液位高度一、物位基本概念物位——指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称。液位——容器中的液体介质的高低。在这里我们重点研究液位。料位——容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。界位——两种不溶液体介质的分界面的高低。知识链接：液位传感器测量液位高度二、物位检测常用方法1.按测量方式可以分为连续测量和定点测量。2.按其工作原理可分为下列几种类型：（1）直读式：它根据流体的连通性原理来测量液位，如图4-1（a）玻璃管液位计（2）浮力式：它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筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。（3）差压式（静压式）：它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位，如图4-1（b）法兰式差压变送器（4）电气式：它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。知识链接：液位传感器测量液位高度（5）核辐射式：它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来测量液位。（6）声学式：它根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化来测量物位在液位检测中，差压式和浮力式检测方法是最常用的，优点：结构简单、工作可靠、精度较高等。缺点：不适用于高粘度介质或易燃、易爆等危险性较大的介质的液位检测。

图4-1（a）玻璃管液位计（b）法兰式差压变送器知识链接：液位传感器测量液位高度三、几种常见液位传感器1.差压式液位传感器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。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：

对于密闭容器中的液位测量，可用差压法进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，如图4-2所示差压式液位计测量原理。知识链接：液位传感器测量液位高度图4-2差压式液位计测量原理图4-3法兰式液位传感器示意图为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。知识链接：液位传感器测量液位高度敏感元件为金属膜盒，它直接与被测介质接触，省去引压导管，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与变送器的测量室相通，它们所组成的密闭系统内充以硅油，作为传压介质，示意图如图4-3所示,1-容器；2-差压计；3-液位零面；4-法兰；5-毛细管。为了毛细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管。外形结构如图4-4所示。图4-4法兰式差压液位传感器知识链接：液位传感器测量液位高度2.浮力式液位传感器浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位。知识链接：液位传感器测量液位高度（1）浮球液位传感器电动浮球液位变送器的测量部分由浮球与平衡杆和平衡锤组成力矩平衡机构，因此浮球可以自由地随液位的变化而升降。当液位改变时，浮球的位置发生相应的变化，通过球杆带动主轴转动，表头内角位移传感器与主轴通过齿轮啮合，将液位的变化转换成相应的电信号。外形如图4-5所示。

图4-5电动浮球液位变送器图4-6磁性浮子液位传感器知识链接：液位传感器测量液位高度（2）磁性浮子液位传感器磁性浮子、浮球式液位传感器主要由本体部分、就地指示器、远传变送器以及上、下限液位报警器等几部分组成。磁性浮子式液位计通过与工艺容器相连的筒体内浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红蓝两色（液红气蓝）明显直观地指示出工艺容器内的液位或界位，如图4-6所示。知识链接：液位传感器测量液位高度（3）浮筒式液位传感器浮筒式液位传感器属于变浮力液位传感器，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量，如图4-7中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器。图4-7浮筒式液位传感器原理图和实物图4-8电阻式液位计原理图知识链接：液位传感器测量液位高度3.电气式液位传感器电气式液位传感器按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学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，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甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。（1）电阻式液位计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液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。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容器绝缘。图4-8为用于连续测量的电阻式液位计原理图，1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥。知识链接：液位传感器测量液位高度（2）电容式液位传感器电容式液位传感器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。电容式液位传感器的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器，它具有高阻抗、小功率、动态范围大、响应速度快、零漂小、结构简单、适应性强等优点，但它具有分布电容影响严重的缺点。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。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。电容式传感器的工作原理：在物理学中我们可以知道，彼此绝缘而又相距很近的两个极板（导体）可组成一个电容式传感器，如图4-9所示。其电容量为==

（4-1）知识链接：液位传感器测量液位高度=

式中S——两极板正对面积；δ——极板间距离；ε——极板间介质的介电常数；ε0——真空介电常数，ε0=8.85xl0-12，F/m；εr——介质的相对介电常数，εr=ε/ε0，对于空气介质εr

=1。

图4-9平行板电容器由式（4-1）可得，当被测量变化使式中参数S、δ、εr中的任一参数发生变化时，电容C就发生变化，可以将该参数的变化转换为电容量的变化。在实际应用中，可以利用电容量c的变化来进行某些物理量的测量。如改变极距δ和面积S可以反映位移或角度的变化，从而可以用于间接测量压力、弹力等的变化：改变εr则可以反映厚度、温度的变化。知识链接：液位传感器测量液位高度电容式传感器通常可以分为以下3类：变面积型—改变极板面积；变极距型—改变极板距离；变介质型—改变介质的介电常数，如图4—10所示。

变极距δ型：（a）（e）；变介电常数ε型：（i）～（l）变面积型A型：（b）（c）（d）（f）（g）（h）图4-10各种电容式传感器的结构示意图知识链接：液位传感器测量液位高度电容式液位传感器的应用：油箱油量检测系统如图4-11所示。它由电容式液位传感器、电阻一电容电桥、放大器、两相电机、减速器及显示装置等组成。电容式液位传感器作为电桥的一个臂，C0为标准电容器，R1.R2，为标准电阻，RP为调整电桥平衡的电位器，它的转轴与显示装置同轴连接并经减速器由电机带动，如图4-12所示为电容式液化传感器外形图。图4-11电容式油量表示意图图4-12电容式液位传感器外形

知识链接：液位传感器测量液位高度在油箱无油时，电容传感器的电容量Cx=C0，调节RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0，此时，电桥满足CO/Cx=R1/R2的平衡条件，电桥输出电压为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。电容式液位传感器要注意：注意进行屏蔽和接地；增加初始电容值，降低容抗；导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远些，线要尽可能短些，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线；尽可能一点接地，避免多点接地。【奋斗的青春最美丽】液位测量的“方法千种万种，适合实际最好”特点给我们的启示：作为青年学生，大家正处于学习知识、增长才干的美好年华；奋斗的青春，是“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的豪情壮志，是“千磨万击还紧劲，任尔东西南北风”的坚韧顽强，是“仰天大笑出门去，我辈岂是蓬蒿人”的自信担当，是“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”的昂首向前。青春是用来奋斗的，志存高远，紧跟时代，不畏艰险，脚踏实地，以蓬勃朝气投身实现国家富强、民族复兴的伟大事业，奋斗的青春最美丽。知识链接：液位传感器测量液位高度四、投入式液位变送器的安装

图4-13投入式液位变送器

1.技术参数投入式液位变送器，型号：ELE-803，精度等级：±0.5%，稳定性：优于±0.2%FS/年，探头材料：不锈钢，传输方式：二线制，重量：l442g投入式液位变送器也是一种压力变送器，是一种将压力变量转换为可传送的标准化输出信号的计量器具，而且其输出信号与压力变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数）。主要用于工业过程压力参数的测量和控制。选用型号时要确认测量压力的类型和确认测量范围。压力类型主要有表压、绝压、差压等；表压是指以大气压力为基准，小于或大于大气压力的压力︰绝压是指以绝对压力零位为基准，高于绝对压力零位的压力；差压是指两个压力之间的差值。选用时确认测量范围，一般情况下，按实际测量压力为测量范围的80%选取。知识链接：液位传感器测量液位高度1.技术参数投入式液位变送器，型号：ELE-803，精度等级：±0.5%，稳定性：优于±0.2%FS/年，探头材料：不锈钢，传输方式：二线制，重量：l442g投入式液位变送器也是一种压力变送器，是一种将压力变量转换为可传送的标准化输出信号的计量器具，而且其输出信号与压力变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数）。主要用于工业过程压力参数的测量和控制。选用型号时要确认测量压力的类型和确认测量范围。压力类型主要有表压、绝压、差压等；表压是指以大气压力为基