液位测量方法简介

检测技术与仪器实验设计报告目录1.液位测量方法简洁11.1 类型11.2 液位计22.液位测量系统设计52.1 液位测量原理52.2 测量系统结构72.3 误差分析73.结论.84.参考文献9【摘要】综合运用单片机与自动检测技术，设计一套自动精确的液位测量系统，要求测量范围为02000mm，系统测量精度为0.1%，同时能利用单片机加以控制，减小误差。【关键字】液位测量，单片机，超声波1 液位测量方法简介1.1按其工作原理可分为下列几种类型： 静压式：根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此可根据差压来检测液位。 浮力式：利用漂浮于液面上浮子随液面变化位置，或者部分浸没于液体中物体的浮力随液位变化来检测液位。 声学式：利用超声波在介质中的传播速度或在不同相界面之间的反射特性来检测液位。 电气式：把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数，如电阻，电容等，随液位的变化而变化。 射线式：放射性同位素所放出的射线（如射线，射线等）穿过被测介质事，其辐射能量因吸收作用而减弱，能量将衰减，其衰减程度与液位有关。 微波式：由于微波属于电磁波，在一定条件下，传播速度是一定的，因此可以利用测量微波从传感器传播至物料表面并返回到传感器所用的时间来实现液位的测量。 磁致伸缩式：利用磁致伸缩的效应实现液位的测量。除此之外还有光学法，重锤法等。在液位检测中，尽管各种检测方法所用的技术各不相同，但可把它们归纳为以下几个检测原理。 基于力学原理敏感元件所受到的力（压力）的大小与液位成正比，它包括静压式，浮力式和重锤式液位检测等。 基于相对变化原理当液位变化时，液位与容器底部或顶部的距离发生改变，通过 测量距离的相对变化可获得液位的信息。这种检测原理包括声学法，微波法，和光学法等。 基于某强度性物理量随液位的升高而增加原理例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。1.2液位计1.2.1直接测量直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它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。玻璃管液位计。 1.2.2人工检尺人工检尺液位测量是对各种储罐内的液体进行体积和质量测定的种基本方法。具有操作简单、计量准确、无须辅助设备的特点，仍是目前各油田原油集输过程中的一种主要计量方法。检尺测量时，先对罐内液位高度进行测定，再根据罐的横截面积或大罐容积表，计算罐内液体体积和质量。检尺测量的工具是钢卷尺，其下端带有铜质重锤。为方便量油操作，在罐顶设有量油口。量油口下装有量油管，管子底端钻有孔眼与液体连通。设置量油管的目的是为了减小罐内液面波动对量油的影响。1.2.3静压式液位计静压式液位计是基于液位高度变化时由液体产生的静压也随之变化的原理，可得A,B两点之间的静压为P=gh.因此当被测介质密度为已知时，A,B之间的压力差与液位高度有关，这样就把液位检测转化为压力差的检测，选择合适的压力检测仪表即可实现液位的检测。1.2.4磁翻转液位计磁翻转液位计结构牢固、工作可靠、显示醒目。由于被测液体被完全密封，使用磁耦合传动，因而可以测量高温、高压及不透明的粘性液体，如原油、污水等。缺点：是经长期使用后，磁钢磁性退化，翻板轴磨损易造成指示错误故应定期检查与校正。1.2.5浮力式液位计浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。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。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。 钢带浮子式液位计 浮筒式液位计1.2.6 射线式液位计当射线摄入一定厚度的介质时，部分能量被介质吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为：。式中，I0，I为射入介质前和通过介质后的射线强度；为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。介质不同，吸收射线的能力也不同。当射线源和被测介质一定时，I0和都为常数。测出通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度H。如图：1.2.7超声波液位计超声波液位计利用波在介质中的传播特性。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，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；(a)气介式 (b) 液介式 (c)固介式单探头超声波液位计 超声波液位测量优点：A. 与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；B. 超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；C. 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控信号；D. 能测量高速运动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。 由于超声波液位计具有精度较高，声波传递稳定，适合场合广泛。因此在本次液位精确测量系统中选用超声波液位计测量。2 液位测量系统设计2.1.液位测量原理超声波物位计工作原理是由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波遇到被测物位（物料）表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号超声波发射和接收换能器设置在水中，超声波在液体中传播。超声波在液体中的衰减比较小， 即使发出的超声波脉冲幅度较小也可以传播超声波发射和接收换能器也可安装在液面的上方，超声波在空气中进行传播，便于安装和维修。超声波在空气中衰减比较大，用于液位变化比较大的场合时，必须采取相应措施。采用单探头时：H=vt/2;采用双探头时：采用双探头时：设计指标超声波液位计液体量程：02000mm精度：0.1%供电：24VDC；220VAC超声波液位计显示：六位LED灯显示（精确到小数点后两位）外壳材质：塑料 透明显示盖超声波液位计典型应用：污水提升泵站、污水处理池、废水、泥浆、石灰浆、地下油罐、流动性好的固体粉料、颗粒料。2.2测量系统结构超声波换能器发出声波遇到被测物位表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号。声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。系统的工作原理：电源电路生成+5V直流电供给单片机使用。利用传感器进行液位检测，把测得的数据送入AD转换电路，测得的数据就会模拟量变为数字量，然后送入单片机处理，最后由显示电路显示出来，通过初值设定中断开关来设定上限值，超过液位预定值可以实现自动报警功能，提醒工作人员及时进行处理，同时通过RS232串口通讯，可以在PC机等上位机实现监控。2.3.误差分析该系统检测的准确度主要取决于超声波的传播时间t和超声波在介质中的传播速度v这两个量。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度，成分等变化的影响，因此，误差的主要来源就在与速度，即测量距离传播的时间误差引起。可采用设置校正值的办法来减小误差。在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成声速校正用的探头。如图所示，校正的方法是将校正用的探头固定在校正具上（一般是金属圆筒）的一端，校正具的另一端是一块反射板。由于校正探头到反射板的距离L0为已知的固定长度，测出声速脉冲从校正探头到反射板的往返时间为T0,则可得声波在介质中的传播速度为V0=(2L0/TO);因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即V0=V,则可得H=LO/TO*T。分析可知。只要测出时间T和T0，就能获得液位的高度H，从而消除了速度变化引起的测量误差。根据介质的特性，校正具可以用固定型或者活动型的的，如图所示。3 结论本实验利用超声波测距原理实现了非接触式液位测量系统的设计，采用的设置校正具补偿设计避免了温度、气体密度、压强、湿度和气体中的悬浮颗粒等引起的测量时间的误差导致出现的液位测量误差。具有较好的稳定性、精度高等优点。同时，本系统结合单片机，能较好地实现集检测-监控于一体的功能，而且成本低，易于批量制作和实验。在进行设计自动精确测量液位装置时，出现的大部分问题通过查阅资料得以解决了。在实际构建本系统时，需要注意的是超声波发生器的安装位置。发射器正下方需要尽可能平静的液面，因此安装时需要远离进料口，同时，尽量选较为空旷的位置，避开容器内的一些设备。4.参考文献1 张宏建. 自动检测技术与装置. M. 北京：化学工业出版社，20112 张俊谟. 单片机中级教程-原理与应用.M.北京：北京航空航天大学出版社，20063 王化祥. 传感器原理及应用（第三版）.M.天津：天津大学出版社，20074 贾丽，袁小平等. 常用液位检测方法的研究.J.能源技术与管理，2009（01）5 高丙坤，潘翔. 非介入式超声波液位检测系统设计.j.科学技术与工程，2012（01）6 LI JING YAO YANZHI ZHAO MINGBO CHEN PING. The Design Liquid-level Monitoring System of Adopting the Ultrasonic Sensing Technology.J. Microcomputer Information,2007(034)7 莫德举;刘艳艳；超声波液位测量方法的研究.J. 仪器仪表与分析监测,2007(01)8 姚兆；陈喜龙；黄丹丹；基于AT89S51单片机的控制系统在超声波液位测控装置中的应用.J. 数字技术与应用,2011(08)