第7章 物位检测技术

现代检测技术2第七章力学量检测技术7.1液位检测方法7.3相界面的检测7.2料位检测方法直接检测间接检测更常用即将液位信号转化为其它相关信号进行测量压力法、浮力法、电学法、热学法等7.1液位检测方法37.1.1直接测量法连通器原理观察管，标尺优点：简单，成本低，安全缺点：不利于远传，读数误差7.1液位检测方法4玻璃管液位计压力表式液位计法兰式液位变送器吹气式液位计7.1.2压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。常压开口容器液位高度H与液体静压力P之间关系：7.1液位检测方法5gPH差压法7.1液位检测方法6出差压式液位计测量原理7.1.3浮力法基本原理：力平衡原理。借助浮子浮子式液位计液位高度变化浮子位置变化液位变化浮子式液位计按浮子形状不同可分为：浮子式、浮筒式等按机构不同可分为：钢带式、杠杆式等7.1液位检测方法71、钢带浮子式液位计7.1液位检测方法8直读式钢带浮子式液位计24DgFH灵敏度：7.1液位检测方法9采用光电编码器进行位移测量2、浮筒式液位计液位变化浮筒浸没体积变化浮力变化7.1液位检测方法10浮筒式液位计GgAHkxxgAkH)1(液位高度变化与弹簧变形量成正比GxHHgAxxk)()(7.1.4电学法按工作原理可分为电阻式、电感式和电容式。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用，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。7.1液位检测方法111、电阻式液位计基本原理：液位变化电极间电阻变化定点液位控制；液位连续测量；7.1液位检测方法127.1液位检测方法13连续测量的电阻式液位计hH两根电极是材料、截面积相同且具有大电阻率的电阻棒，两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为：hKKhAHAhHAR21222电阻棒表面生锈，极化，液体腐蚀会影响测量精度2、电感式液位计基本原理：液位变化线圈电感变化感应电流变化定点液位控制；液位连续测量；7.1液位检测方法14电感式液位控制器1、3-上下限线圈；2-导磁性浮子浮子和介质接触，不适宜测量容易结垢，腐蚀性强的液体3、电容式液位计基本原理：液位高低变化电容器电容量变化结构形式：平极板式、同心圆柱式等适用范围广泛：•对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格；•测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位•定点液位控制；•液位连续测量；7.1液位检测方法15（1）检测原理7.1液位检测方法16同心圆柱式电容器液位变化介电常数变化电容量变化。dDLCln2（2）单电极电容液位计用来测量导电介质的。7.1液位检测方法17单电极电容液位计当容器内有液体时有液体部分由内电极与导电液体组成电容器，绝缘体作介电层。无液体部分内电极与容器壁组成电容器，绝缘体和空气作介电层：7.1液位检测方法18单电极电容液位计dDHLdDHC0'0ln)(2ln2当容器内没有液体时7.1液位检测方法19单电极电容液位计dDLC000ln2’液体为H时，电容变化量HdDCCCxln20dDSln2灵敏度：（3）同轴双层电极电容式液位计7.1液位检测方法20同轴双层电极电容式液位计用于测量非导电介质内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极。外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。当容器内有液体时有液体部分由液体和绝缘体作介电层。无液体部分由绝缘体和空气作介电层。7.1液位检测方法21同轴双层电极电容式液位计HdDCCCxln)(2'007.1液位检测方法22特殊安装形式：大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，使用单电极靠近容器壁安装，与容器壁构成电容器的两极；大型容器或非导电容器内装非导电介质，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；极低温度下的液态气体，被测介质介电常数接近空气介电常数，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组电极，相当于多个电容并联。7.1.5热学法在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。利用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，用测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。按温度测量转换原理的不同，分为：热电法热磁感应法7.1液位检测方法231、热电法采用热电偶测量温度场7.1液位检测方法24热电偶测量高温金属熔液液位温度-电势分布图热电偶测液位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、安装情况有关；液位连续测量；虽然精度不高，但很可靠；在某些应用场合中，仍是一种很适用的方法。7.1液位检测方法25热电偶测量高温金属熔液液位2、热磁感应法也称热磁敏法，类似热电法，在容器外壁上焊上一系列热敏磁性材料，对应每个磁性元件安装一个测量线圈并通以交流电；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。7.1液位检测方法267.1.6超声波法全反射条件：①光从光密介质射到它与光疏介质的界面上；②入射角等于或大于临界角。利用波在介质中的传播特性：超声波在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。7.1液位检测方法27在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。7.1液位检测方法28按探头的工作方式可分：自发自收的单探头方式收发分开的双探头方式按传声介质可分：气介式，液介式和固介式7.1液位检测方法29气介式液介式固介式单探头超声波液位计7.1液位检测方法30缺点：结构复杂，价格相对昂贵；传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化；有些物质对超声波有强烈吸收作用。优点：振幅小，仪器寿命长；适用有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；连续测量和定点测量，提供遥测或遥控信号；能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位。7.1.7核辐射法入射强度为I0的射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉，透过介质的射线强度为I，则I与I0之间有如下关系：HeII07.1液位检测方法31IIHlnln10核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。盖革计数管吸收射线，每接收到一个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。7.1液位检测方法32固定安装方式的核幅射液位计优点：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、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，能实现完全非接触测量。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。缺点：控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。7.1液位检测方法337.1.8微波法定义：微波：电磁波谱中波长为1～1000mm的电磁波。特点：1）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；2）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。7.1液位检测方法341、反射式微波液位计7.1液位检测方法35利用微波反射原理，可以连续检测与实现液位定点控制反射式微波液位计7.1液位检测方法36接收天线接收到的微波功率为：22424)(HdGGPrriiP22122411424)(HKKHdGGPrriiP1K——增益常数2K——距离常数rrPPKKH/217.1液位检测方法37微波功率的测量：通常可用热电或热阻元件，配合相应的测量电路。用专门的微波检波管（如2DV检波二极管）检波成直流电流由微安表直接显示。注意测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）对微波有强烈吸收，会产生较大误差。2、调频连续波式物位计7.1液位检测方法38将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、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位值。调频式微波物位计7.1液位检测方法39调频式微波液位计原理7.1液位检测方法4004CfLFf被测距离为F——调制波频率；0f——固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围；即：被测距离L与差频频率成正比。当固态源的调制频率和频偏一定时，只要测出差频，就可以计算得到L。7.1液位检测方法41例如，当固态工作频偏300MHz，调制频率1kHz,则有：6384100030010410310fLL被测距离L每变化1m，差频频率为4kHz测量精确度可达±1%。测量范围一般为0.5-20m，最大可达几十米7.1.9磁电法磁致伸缩液位计：利用磁电转换原理的。由探测杆（内装有磁致伸缩线），电路单元和浮子三部分组成。分辨力：0.5mm精度等级：0.2～1.0级7.1液位检测方法42磁致伸缩液位计原理7.1液位检测方法437.1液位检测方法447.1.10光学法激光式液位仪：激光发射器、接收器、测量控制电路。一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。7.1液位检测方法45反射式遮断式7.1液位检测方法46反射式激光液位检测原理图1-激光发射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器由于固体物料的状态特性与液体有些差别，料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法，但这些方法在具体实现时又略有差别。7.2料位检测方法477.2.1重锤探测法7.2料位检测方法48重锤探测式料位计1-重锤；2-伺服电机；3-鼓轮开始下降计数失重停止计数方法简单，精度不高7.2料位检测方法497.2.2称重法7.2料位检测方法50称重式料位计1-支承2-称重传感器一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的方法简单，精度不高电极接触式料位计1-绝缘套；2、3、4-电极5-信号器；6-金属容器壁7.2.3电磁法1、电阻式物位计一般用作料位的定点控制。物料是导电介质或本身虽不导电但含有一定水分能微弱导电。不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物料的粘附而产生误信号。7.2料位检测方法512、电容式物位计不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质的物料。固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。为了消除介质因素引起的测量误差，引入辅助电极。7.2料位检测方法52电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套0LHdDCxln207.2料位检测方法53000ln2LdDCL则：00LHCCLx电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套主电极：辅助电极：0L7.2.4声学法工作原理：是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动。当音叉与被测介质相接触时。音叉的振幅和频率将发生急剧衰减甚至停振，检测并将这种变化转换为一个开关信号。7.2料位检测方法54灵敏度高，用作定点检测控制音叉式料位控制器7.2液位检测方法557.2.5光学法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。物位检测范围约20m。不宜用于粘性大的物料，以防粉料对透光孔和接收器光敏元件的粘附和堵塞。7.1料位检测方法56发射器接收器光学法料位计7.2.6微波法7.2料位检测方法57遮断式微波料位计控制器原理框图7.2料位检测方法58当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线接收。接收器由天线收到的功率为：riioGGPdP24当料位升高到遮断微波束时，微波部分被物料反射回去，部分被物料吸收。接收到的微波功率为:0PPr相界面的检测包括液-液