现代检测技术(第7章物位检测技术)09-10(2)

第7章物位检测技术上一页下一页返回第7章物位检测技术7.1液位检测方法7.2料位检测方法7.3相界面的检测第7章物位检测技术上一页下一页返回物位检测包括液位、料位、相界面位置的检测。液位指液体表面的位置。料位指容器中固体粉料或颗粒的堆积高度的表面位置，一般固体物料在自然堆积时料面是不平的。相界面指同一容器中互不相溶的两种物质在静止或扰动不大时的分界面。相界面包括液—液相界面、液—固相界面等。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1液位检测方法7.1.1直接测量法液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法。直接测量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。通过标尺读数的液位计统称为玻璃管液位计。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.2压力法液体或固体对容器或堆积场地的底面产生一定的压力。设物料的密度ρ为一常数，则对底部的压力P与物料的高度H成正比，即若容器底部不易安装压力表，可在靠近底部（距容器底部的距离为h）处接一压力表，对于上端与大气压相通的开口容器，其液面的高度为gPH重力加速度hgPH第7章物位检测技术上一页下一页返回对密闭容器液位进行测量时，容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。这种情况可以用测量差压的方法来获得液位。差压计的一端与容器底部直接接通，另一端通过引压管与液面上部空间连通。若引压管中液柱高度为h2，差压计距容器底部的距离为h1，液面高度为H，液体密度为ρ，重力加速度为g，容器上部空间的压力为P，则ghPP22ghHPP)(11ghhHPPP)(2121第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.3浮力法利用液体浮力测量液位的传感器有浮子式（恒浮力式）和浮筒式（变浮力式）两种。1、浮子式（恒浮力式）液位计浮子式是让浮子始终漂浮在液面上，其所受浮力近似为恒定值。浮子的位置随液面升降而变化，把液位的测量转化为浮子位置或位移的测量。浮子式液位计是将液面上的浮子用绳索连接并悬挂在滑轮上，绳索的另一端挂有平衡重锤。第7章物位检测技术上一页下一页返回当液位上升时，浮子所受浮力F增加，W-F＜G，使原有平衡关系被破坏，浮子向上移动。浮子向上移动的同时，F减小，W-F增加，直到W-F=G时，浮子将停留在新的液位上。该方法的实质是通过浮子把液位的变化转换成机械位移的变化。2、浮筒式（变浮力式）液位计GFW浮筒式是把一个比重比液体大的浮筒用弹簧悬挂在液体中，浮筒所受浮力随液面升降而变化，这样就把液位测量转化为浮筒浮力的测量。若浮子的重力为W，浮力为F，重锤的重力为G，浮子漂浮在液面上时，第7章物位检测技术上一页下一页返回浮筒式液位计是将一封闭的中空金属筒悬挂在弹簧上。筒的重量大于同体积的被测液体重量。筒的重心低于几何中心，无论液位高低，浮筒总能保持直立姿势。在工作过程中，由于弹簧受到压力的作用，故浮筒的位移不能与液位变化相一致，而是小于液位变化。当浮筒运动时，带动铁芯在差动变压器中运动，差动变压器的输出电压信号就代表了液位的变化。第7章物位检测技术上一页下一页返回若浮筒处于某一平衡位置，则当液位升高ΔH时，浮筒浸没长度增加Δh，弹簧被压缩Δx，此时ΔH=Δh+Δx。GghLghRkx])([2为弹簧变形量；x;为浮筒半径R;度为浮筒被液体浸没的长h;为被测液体密度体密度。为密封高压容器内的气为浮筒的重力。GhgRxk)(2GghhLghhRxxk])()[()(2HgRkx)(112弹簧刚度浮筒全长第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.4电学法电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。hAHAAhHR2221、电阻式液位计它是由两根材料和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。电阻的变化可由电桥电路转换为电压输出。hKK21电阻棒长度液位高度电阻率电阻棒截面积第7章物位检测技术上一页下一页返回2、电感式液位计电感式液位计是由不导磁管子、导磁性浮子和线圈组成。管子与被测容器相连通；管子内的导磁性浮子浮在液面上，浮子随液面高度变化而上下移动。线圈固定在液位上下限控制点。当液面变化时，浮子随液面移动，使线圈的磁路的磁阻发生变化，所以线圈的磁通随着改变，导致线圈两端产生感应电动势。第7章物位检测技术上一页下一页返回3、电容式液位计电容式物位计的特点是：无可动部件，与物料密度无关。其缺点是：要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。（1）电极结构及工作原理a、沿立式圆筒形容器轴线插入一导体棒，与容器内壁的导体构成一电容器，被测液体为绝缘物料。b、将导体棒用绝缘支架套装在金属圆筒中（两者同轴），筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外物位相同。棒状电极与金属圆筒构成一电容器。物料为绝缘性的。第7章物位检测技术上一页下一页返回c、沿立式圆筒形容器轴线插入一包有绝缘材料的导体棒，若被测液体为导电性物料，则导体棒与物料构成一电容器。对于两导体间介电常数为ε的同轴线，单位长度的电容量为dDUQCln2外导体的内直径内导体的直径★假设电容器的带电量为Q；★计算两导体间的电场强度矢量；★计算两导体间的电压U；★计算电容量：C=Q/U第7章物位检测技术上一页下一页返回对于结构(a)的电极，若电极长度为H0，沉没在液体中的长度为HL，则dDHHCLln)(2011外露部分：dDHCLln222液体部分：21CCCx总电容：LHdDC)(ln2120ε2与ε1的差值越大，灵敏度越高；或d越接近D，灵敏度也越高。为灵敏度第7章物位检测技术上一页下一页返回为提高灵敏度可采用结构(b)的电极。若棒状电极偏向容器壁（偏移量为b），则灵敏度为测两种不导电液体间的界位时，可用裸露电极，但容器的内壁必须为导体。RrbRkK22ln若其中一种（只限一种）为导电液体，就必须用包绝缘层的电极，且容器内壁为导体。请考虑：此时的电容量为多少？第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.5热学法1、热电法在容器壁上选定一系列测量点，并装上热电偶。将各测量点上热电偶的输出记录下来，并描出温度—热电势分布曲线。曲线上反映出第7个和第8个测量点之间产生了温度突变，因此，液面就在第7和第8个测量点之间。2、热磁感应法在容器壁上选择一系列测量点，并在这些点上焊上装有热敏磁性材料的线圈，线圈中通以交流电。液面温度的变化转换为线圈阻抗的变化。线圈阻抗的变化经交流电桥转换为电压输出。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.6超声波法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。当超声波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，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。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，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。超声液位计按传播介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种。第7章物位检测技术上一页下一页返回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。tCL21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与接收器。双探头式使用两个换能器分别作为发射器和接收器。若超声波传播距离为L（发射器与相界面距离）、传播速度为C、传播时间为Δt，则对于给定的介质，超声波的传播速度可看成已知；Δt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数来实现。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.7核辐射法当γ射线射入厚度为H的介质时，会有一部分射线被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0的关系为HIIe0核辐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60Co（钴）或Cs（铯），放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧或底部。γ射线从铅室的一个小孔或窄缝透出。吸收系数)ln(ln10IIH第7章物位检测技术上一页下一页返回接收器和前置放大器装在一起，安装在被测容器的另一侧或顶部。γ射线由盖革计数管吸收，每接收到一个γ粒子，就输出一个脉冲电流。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流输出。若辐射源和接收器安装在被测容器侧边，就构成长辐射源和长接收器形式。若辐射源和接收器分别安装在底部和顶部，则构成点结构形式。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.1.8微波法1、反射式微波液位计22244HdGGPPriir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，反射波束由微波接收天线接收。微波接收天线接收到的微波功率为微波波长发射功率天线增益两天线距离天线与液面距离2224144HdGGPrii第7章物位检测技术上一页下一页返回2、调频连续波式物位计221HKKrrPPKKH21第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2料位检测方法7.2.1重锤探测法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制下动作。重锤从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置。当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构停转—反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2.2称重法一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的。用称重传感器或测力传感器测出物料的重量，然后再换算出料位的高度。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2.3电磁法1、电阻式物位计电阻式物位一般用作料位的定点控制。在容器内的不同位置安装两支或多支控制电极。当物料上升或下降下某一位置时，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。2、电容式料位计与电容式液位计的原理相类似。容器内壁为导体，作为另一电极。要求物料是导电介质。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2.4声学法音叉式料位控制器是由音叉、压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动。当料位上升或下降到触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振。电子线路检测到信号变化后向报警器或控制器发出信号。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2.5光学法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号；当料位上升到控制位置时，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转化成报警信号或控制信号。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.2.6微波法在容器的一侧安装微波发射天线，在另一侧安装接收天线。当料位较低时，定向发射的微波无衰减地直接为接收天线接收。当料位升高到遮断微波束时，微波一部分能量被反射、一部分能量被物料吸收。riioGGPdP24orPP接收到的微波功率经电子线路转换成电压，并与报警电路或执行器相接。第7章物位检测技术上一页下一页返回7.3相界面的检测液—液相界面检测与液位检测相类似。液—固相界面的检测与料位检测相类似。