物位传感器解析课件

第第1010章章 物位传感器物位传感器第第1010章章 物位传感器物位传感器1第第1010章章 物位传感器物位传感器基本要求基本要求掌握物位的基本概念及物位检测的原理掌握物位的基本概念及物位检测的原理掌握物位检测的方法掌握物位检测的方法静压式物位计静压式物位计浮力式物位计浮力式物位计 ：恒浮力法和变浮力法：恒浮力法和变浮力法电气式物位计电气式物位计 声学式物位计声学式物位计 射线式物位计射线式物位计光学式、微波式、光学式、微波式、激光式、激光式、差压式液位变送差压式液位变送器、称重式液罐计量仪器、称重式液罐计量仪掌握液位、料位、分界面检测的不同方法掌握液位、料位、分界面检测的不同方法2第第1010章章 物位传感器物位传感器物位物位在容器中液体介质的高低叫在容器中液体介质的高低叫液位液位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位料位两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）叫两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）叫界面界面物位计物位计 测量液位的仪表叫测量液位的仪表叫液位计液位计，测量料位的仪表叫，测量料位的仪表叫料位计料位计，测量分界面的高低（界位）的仪表叫测量分界面的高低（界位）的仪表叫界面计界面计。上述三种。上述三种仪表统称为物位计。仪表统称为物位计。物位检测物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。实际上就是料位、液位和界面的检测。物位检测的意义：物位检测的意义：确定容器内储存量。确定容器内储存量。通过测量达到控制物位。通过测量达到控制物位。3第第1010章章 物位传感器物位传感器物位开关：物位开关：在物位检测中，有时不需要对在物位检测中，有时不需要对物位进行连续测量，只需要测量物位是否物位进行连续测量，只需要测量物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，这种达到上限、下限或某个特定的位置，这种定点测量定点测量用的仪表被称为物位开关。用的仪表被称为物位开关。一般用来监视、报警、输出控制信号。一般用来监视、报警、输出控制信号。4第第1010章章 物位传感器物位传感器10.1 概述概述物位传感器分类：物位传感器分类：一类是连续测量物位变化的一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器连续式物位传感器；另一类是以点测量为目的的另一类是以点测量为目的的开关式物位传感器开关式物位传感器，即物位开关。即物位开关。开关式物位传感器比连续式物位传感器应用得广。开关式物位传感器比连续式物位传感器应用得广。它主要用于过程自动控制的门限、溢流和防止空它主要用于过程自动控制的门限、溢流和防止空转等。转等。连续式物位传感器主要用于连续控制和仓库管理连续式物位传感器主要用于连续控制和仓库管理等方面，有时也可用于多点报警系统中。等方面，有时也可用于多点报警系统中。5第第1010章章 物位传感器物位传感器常用的物位检测方法常用的物位检测方法 ：物位物位检测总体上可分检测总体上可分直接检测直接检测和和间接检测间接检测两种方法两种方法 直接测量法直接测量法 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有利用连通器的原理，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。标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所下图所示的是玻璃管液位计。示的是玻璃管液位计。6第第1010章章 物位传感器物位传感器间接检测间接检测 由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如：即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如：静压式物位计（压力法）静压式物位计（压力法）浮力式物位计（恒浮力法和变浮力法）浮力式物位计（恒浮力法和变浮力法）电气式物位计电气式物位计（电学法）（电学法）声学式物位计声学式物位计（声学法）（声学法）光学式物位计光学式物位计（光学法）（光学法）射线式物位计（核辐射法）射线式物位计（核辐射法）另外还有：另外还有：微波式、微波式、激光式、激光式、光纤维式光纤维式等等。等等。7第第1010章章 物位传感器物位传感器10.2浮力式液位传感器浮力式液位传感器 原理：原理：基于浮力原理，适用于液基于浮力原理，适用于液 位的检测。位的检测。浮力式物位检测有两种方法：浮力式物位检测有两种方法：恒浮力式恒浮力式变浮力式变浮力式磁浮子液位计磁浮子液位计8第第1010章章 物位传感器物位传感器钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计恒浮力式恒浮力式右图为直读式钢带浮右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一子式液位计，这是一种最简单的液位计，种最简单的液位计，一般只能就地显示。一般只能就地显示。GW吃水线在浮子中央时，吃水线在浮子中央时，9第第1010章章 物位传感器物位传感器浮筒式液位计浮筒式液位计变浮力式变浮力式 结构：结构：如图如图 原理：原理：当被测液面位置变化当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。力变化确定出液位的变化量。弹簧弹簧差动差动变压器变压器浮筒浮筒10第第1010章章 物位传感器物位传感器 当液位变化使浮筒的一部分当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上位的浮力作用而使浮筒向上移动，平衡时压缩弹簧的弹移动，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力力与浮筒浮力及重力G平衡。平衡。即即 当当h h0 0时，浮筒的重量与弹簧的作用力相平衡。时，浮筒的重量与弹簧的作用力相平衡。液位高度变化与浮筒位移成正比。液位高度变化与浮筒位移成正比。弹簧弹簧差动差动变压器变压器浮筒浮筒11第第1010章章 物位传感器物位传感器 主要主要特点特点 浮力浮力式液位传感器结构简单，式液位传感器结构简单，使用方便。使用方便。该该传感器结构合理，抗干扰能力强，分辨率高，传感器结构合理，抗干扰能力强，分辨率高，量程大，寿命长，有掉电后信号跟踪记忆量程大，寿命长，有掉电后信号跟踪记忆功能。功能。它它能够长期用于液位测量并能保证性能的稳定可能够长期用于液位测量并能保证性能的稳定可靠，是江河湖泊、水库、船闸、水电站、水文站、靠，是江河湖泊、水库、船闸、水电站、水文站、水厂以及石油化工等行业理想的液位传感器。水厂以及石油化工等行业理想的液位传感器。12第第1010章章 物位传感器物位传感器10.3 静压式液位计静压式液位计（静压式物位传感器）（静压式物位传感器）1.检测原理检测原理 容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：为介质密度，为介质密度，H H为液柱高度为液柱高度AB13第第1010章章 物位传感器物位传感器若若液体上方的自由空间液体上方的自由空间为大气为大气压力压力p p0 0,则根据静则根据静力学原理，有力学原理，有因此要知道液位，需要测出压力容器下部某些因此要知道液位，需要测出压力容器下部某些与上部自由空间之间的压力差与上部自由空间之间的压力差(或压力或压力)。为此。为此要用差压要用差压(或压力或压力)传感器。传感器。AB14第第1010章章 物位传感器物位传感器静压式液位计静压式液位计静静 压压 式式 液液 位位 变变 送送 器器15第第1010章章 物位传感器物位传感器2.压力式物位传感器压力式物位传感器测量测量开口容器开口容器液位高度的三种压力式液位计。液位高度的三种压力式液位计。(a)压力表式液位计压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计吹气式液位计(b)（单法兰式液位变送器）（单法兰式液位变送器）16第第1010章章 物位传感器物位传感器3.差压式物位传感器差压式物位传感器(d)(d)差压液位变送器原理图差压液位变送器原理图（双法兰式液位变送器）（双法兰式液位变送器）对于对于密闭容器密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用位计外，还可用差压法差压法进行测量，它可在测量过程进行测量，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，下中消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图示出差压式液位计测量原理。图示出差压式液位计测量原理。17第第1010章章 物位传感器物位传感器法兰式差压变送器测量液位示意图法兰式差压变送器测量液位示意图1 1法兰式测量头；法兰式测量头；2 2毛细管；毛细管；3 3变送器变送器 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及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。法兰式差压变送器，如下图所示。18第第1010章章 物位传感器物位传感器4.量程迁移和零点迁移量程迁移和零点迁移零点迁移零点迁移量程迁移量程迁移19第第1010章章 物位传感器物位传感器4.量程迁移与零点迁移量程迁移与零点迁移(1)(1)无迁移无迁移:取压点与液位零面在同一水平面取压点与液位零面在同一水平面差压传感器测量液差压传感器测量液位原理图位原理图 设被测介质的密度为设被测介质的密度为，容器顶部气容器顶部气相压力为相压力为pA，pB是液位零面的压力，是液位零面的压力，p1、p2是取压口的压力，根据静力学原是取压口的压力，根据静力学原理可得理可得因此，差压变送器正负压室的压力差为因此，差压变送器正负压室的压力差为液位测量液位测量问题就转化为问题就转化为差压测量差压测量问题了。问题了。20第第1010章章 物位传感器物位传感器差压传感器测量液差压传感器测量液位原理图位原理图 但是，当液位零面与检测仪但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高表的取压口不在同一水平高度时，会产生附加的静压误度时，会产生附加的静压误差。这就需要调整变送器的差。这就需要调整变送器的零点，使其在只受到附加静零点，使其在只受到附加静压时输出为零，该方法称为压时输出为零，该方法称为“量程迁移量程迁移”，实质上是，实质上是“零点迁移零点迁移”。4.量程迁移与零点迁移量程迁移与零点迁移(1)(1)无迁移无迁移:取压点与液位零面在同一水平面取压点与液位零面在同一水平面21第第1010章章 物位传感器物位传感器液位测量的负迁移液位测量的负迁移差压变送器的正、负压差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，室之间就需要装隔离罐，如果隔离液的密度为如果隔离液的密度为1(1 )，则则(2)(2)负迁移负迁移:介质有腐蚀性时介质有腐蚀性时因为：因为：所以：所以：22第第1010章章 物位传感器物位传感器当当h=0h=0时，时，P=P=（h h0 0-h-h1 1）1 1g0g0，所以称为，所以称为负迁移负迁移;它作用在负压室上。它作用在负压室上。将上式变为：将上式变为：为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压1 1g g（h h1 1-h h0 0）的影响，采用零点迁移就可实现。）的影响，采用零点迁移就可实现。量程迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为量程迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为 -(h h1 1-h-h0 0)1 1g g h hmaxmaxg-(hg-(h1 1-h-h0 0)1 1g g 迁移后，差压式液位计的量程为：迁移后，差压式液位计的量程为：h hmaxmaxgg23第第1010章章 物位传感器物位传感器迁移弹簧迁移弹簧迁移弹簧迁移弹簧 改变变送器的零点。改变变送器的零点。迁移迁移迁移迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。于测量范围的平移，它不改变量程的大小。迁移实现方法迁移实现方法 24第第1010章章 物位传感器物位传感器液位测量的正迁移液位测量的正迁移差压变送器上测得的差压为差压变送器上测得的差压为(3)(3)正迁移正迁移:取压口低于容器底部取压口低于容器底部因为：因为：所以：所以：25第第1010章章 物位传感器物位传感器当当h=0h=0时，时，P=hP=h0 0gg由由于于h h0 0gg作作用用在在正正压压室室上上，由由于于ghgh0 00 0，所所以以称称为为正迁移正迁移。h h0 0gg称之为称之为正迁移量正迁移量。迁移后，差压式液位计的测量范围调整为迁移后，差压式液位计的测量范围调整为h h0 0gg（h h0 0g+g+h hmaxmaxgg）。）。迁移后，差压式液位计的量程为：迁移后，差压式液位计的量程为：h hmaxmaxgg26第第1010章章 物位传感器物位传感器正负迁移示意图正负迁移示意图正迁移示意图正迁移示意图举例举例某差压变送器的测量范围某差压变送器的测量范围为为0 050005000Pa，当压差由，当压差由0 0变化到变化到50005000Pa时，变送器时，变送器的输出将由的输出将由4 4mA变化到变化到2020mA，这是无迁移的情况，如，这是无迁移的情况，如左图中曲线左图中曲线a所示。所示。负迁移如曲线负迁移如曲线b所示，正迁所示，正迁移如曲线移如曲线c所示。所示。27第第1010章章 物位传感器物位传感器例例1：检测液位检测液位 已知已知1=1200kg/m3，2=950kg/m3，和，和h1=1.0m，h2=5.0m，液位变化范围，液位变化范围03m，当地重力加速度当地重力加速度g=9.8m/s，求差压变送器的，求差压变送器的量程和迁移量量程和迁移量.国家规定的压力表的量国家规定的压力表的量程有程有:1KPa、1.6KPa、2.5KPa、4KPa、6KPa以及以及*10n28第第1010章章 物位传感器物位传感器利用差压式液位计测量液体的分界面，如下图所示。利用差压式液位计测量液体的分界面，如下图所示。液位计正、负压室受力情况如下：液位计正、负压室受力情况如下：P1=h02g+（h1+h2）1g P2=（h2+h1+h0）1g P=P1 P2=h0 g（2-1）5.测量分界面测量分界面由于（由于（2 2-1 1）是已知的，）是已知的，所以压差所以压差PP与分界面高度与分界面高度h h0 0成一一对应关系。成一一对应关系。29第第1010章章 物位传感器物位传感器（1）次声次声波波 次次声声波波是是频频率率低低于于2020赫赫兹兹的的声声波波，人人耳耳听听不不到到，但但可可与与人人体体器器官官发发生生共共振振，78Hz78Hz的的次次声声波波会会引引起起人人的的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。1.声波的分类次声波次声波可闻声波可闻声波超声波超声波10.4 超声波物位传感器超声波物位传感器30第第1010章章 物位传感器物位传感器（2）可闻声波）可闻声波频频率率在在1620KHz1620KHz之之间间，能能为为人人耳耳所所闻闻的的机机械械波波，称称为声波。为声波。31第第1010章章 物位传感器物位传感器（3）超声波）超声波蝙蝙蝠蝠能能发发出出和和听听见见超超声声波。波。高高于于20KHz20KHz的的机机械械波波，称称为超声波。为超声波。32第第1010章章 物位传感器物位传感器超声波指向性很好，能量集中，因此穿透本领超声波指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。当超声波从一种介质向另一种介质传播时当超声波从一种介质向另一种介质传播时（例（例如钢板与空气的交界面）如钢板与空气的交界面），在两种密度不同、，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生声速不同的介质的分界面，将产生明显的明显的反射反射和折射。和折射。当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。几乎全部被反射。2.超声波物理基础 33第第1010章章 物位传感器物位传感器3.超声波传感器（换能器）超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。技术中主要采用压电式。超声波探头分为直探头、斜探头、双探头、表面波超声波探头分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。气传导探头以及其他专用探头等。34第第1010章章 物位传感器物位传感器各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1-5MHz1-5MHz35第第1010章章 物位传感器物位传感器超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。荷和电压。36第第1010章章 物位传感器物位传感器空气超声探头37第第1010章章 物位传感器物位传感器空气超声探头外形38第第1010章章 物位传感器物位传感器空气超声探头外形39第第1010章章 物位传感器物位传感器 超声波物位检测的基本原理就是根据声波在超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播特性进行的。介质中传播特性进行的。超超声声波波在在空空气气中中传传播播速速度度较较慢慢，为为340m/s，这这一一特特点点使使得得超超声声波波应应用用变变得得非非常常简简单单，可可以以通通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。4.4.超声波超声波物位检测的基本原理物位检测的基本原理40第第1010章章 物位传感器物位传感器超声波的接收和发射：超声波的接收和发射：超声波的接收和发射基于压电效应和逆压电效应。超声波的接收和发射基于压电效应和逆压电效应。用作超声波发射和接受的压电晶体称为用作超声波发射和接受的压电晶体称为换能器。换能器。单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分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器与接收器。时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。波与接收波的传输管道。41第第1010章章 物位传感器物位传感器目前最广泛的超声波换能器是电目前最广泛的超声波换能器是电声换能器，声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一。压电晶体换能器就是常用的换能器之一。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器因此，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。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。的时间差，便可测出液位高低。模型演示模型演示42第第1010章章 物位传感器物位传感器5 5、测量液位和物位、测量液位和物位 在液罐上方安装空气在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。间，就可测得液体的液面。43第第1010章章 物位传感器物位传感器10.4.3超声波物位传感器的类型和特点超声波物位传感器的类型和特点1.超声波物位传感器的类型超声波物位传感器的类型u超声波物位计根据使用特点可分为定点式物位计超声波物位计根据使用特点可分为定点式物位计和连续式物位计两大类；和连续式物位计两大类；u根据传感器放置位置的介质不同，超声波物位计根据传感器放置位置的介质不同，超声波物位计可分为气介式、液介式和固介式三类；可分为气介式、液介式和固介式三类；u超声波物位计按探头的工作方式可分为自发自收超声波物位计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。的单探头方式和收发分开的双探头方式。44第第1010章章 物位传感器物位传感器2.超声波物位计的特点超声波物位计的特点1)能定点及连续测量物位，并提供遥控信号。能定点及连续测量物位，并提供遥控信号。2)无机械可动部分，安装维修方便。换能器压电无机械可动部分，安装维修方便。换能器压电体振动振幅很小，寿命长。体振动振幅很小，寿命长。3)能实现非接触测量，被测介质几乎不受限制，能实现非接触测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于水、污水、水泥、酸碱、煤粉、泥可广泛用于水、污水、水泥、酸碱、煤粉、泥浆、酒类、饮料等多种环境。浆、酒类、饮料等多种环境。4)超声波传播速度比较稳定，光线、介质黏度、超声波传播速度比较稳定，光线、介质黏度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几湿度、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、腐蚀性或高黏度乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高黏度等特殊场合的物位测量。等特殊场合的物位测量。5)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，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。如置于汽车、飞机、轮船中的液位。6)能实现安全火花型防爆。能实现安全火花型防爆。45第第1010章章 物位传感器物位传感器(a)(a)气介式气介式 (b)(b)液介式液介式 (c)(c)固介式固介式单探头方式单探头方式 超声波传播距离为超声波传播距离为L，波的传播速度为，波的传播速度为v，传播时，传播时间为间为t，则：，则：对于一定的气体来说，对于一定的气体来说，v v是已知的，因此，可以用是已知的，因此，可以用测时间的方法确定出物位的高度。测时间的方法确定出物位的高度。10.4.4超声波物位计的工作原理超声波物位计的工作原理46第第1010章章 物位传感器物位传感器s sh h2a2ah h2a2as s超声波在液体中传超声波在液体中传播测量播测量超声波在空气中传超声波在空气中传播测量播测量双换能器经过的路程：双换能器经过的路程：2S=2S=vtvt 双探头方式双探头方式47第第1010章章 物位传感器物位传感器(a)一体超声波物位计一体超声波物位计 (b)分体超声波物位计分体超声波物位计 (c)多点超声波物位多点超声波物位计计图图14-6 超声波物位计外形图超声波物位计外形图10.4.5 认识超声波物位计认识超声波物位计48第第1010章章 物位传感器物位传感器超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器49第第1010章章 物位传感器物位传感器10.4.6超声波物位测量安装要求及存在的缺点超声波物位测量安装要求及存在的缺点1.超声波物位计超声波物位计安装要求安装要求1)传感器和最高物位之间距离应大于盲区，并保证传感器和最高物位之间距离应大于盲区，并保证传感器轴线垂直于被测物面；传感器轴线垂直于被测物面；2)安装位置尽可能远离噪声源；安装位置尽可能远离噪声源；3)应保证传感器发射角的存在，距器壁的距离应保证传感器发射角的存在，距器壁的距离L0.12*量量程，测量时应避开入料口；程，测量时应避开入料口；4)测量范围内不应有障碍物，以防造成回波干扰。测量范围内不应有障碍物，以防造成回波干扰。50第第1010章章 物位传感器物位传感器2.超声波物位计存在的缺点超声波物位计存在的缺点1)超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；2)当超声波传播介质温度或密度发生变化，当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；度；3)有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。量的具体情况和条件。51第第1010章章 物位传感器物位传感器10.5 电容式物位计电容式物位计1.原理：原理：物位的变化变换为电容量的变化；物位的变化变换为电容量的变化；检测元件检测元件常为一个圆筒式的电容器。常为一个圆筒式的电容器。由两个长度为由两个长度为L，半径分别为，半径分别为R和和r的圆筒形金属导体中间隔以绝缘物的圆筒形金属导体中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。质构成圆筒形电容器。52第第1010章章 物位传感器物位传感器当两圆筒中间所充介质介电常数为当两圆筒中间所充介质介电常数为0 0的气体时，的气体时，则该圆筒间的电容量为：则该圆筒间的电容量为：当当 R 和和 r 一定时，电容量的大小与极一定时，电容量的大小与极板的长度板的长度 L 和介质的介电常数和介质的介电常数0的乘的乘积成比例。积成比例。53第第1010章章 物位传感器物位传感器2.2.液位的检测液位的检测非导电介质的非导电介质的液位测量液位测量1 1内电极；内电极；2 2外电极；外电极；3 3绝缘套；绝缘套；4 4流通小孔流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为 （1 1）非导电介质非导电介质液位测量液位测量当液位上升为当液位上升为H H时，电容量变为时，电容量变为电容量的变化为电容量的变化为C1CC254第第1010章章 物位传感器物位传感器l电容量的变化与液位高度电容量的变化与液位高度H H成正比。成正比。l该法是利用被测介质的介电系数该法是利用被测介质的介电系数与空气与空气介电系数介电系数0 0不等的原理进行工作，（不等的原理进行工作，（-0 0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。离越小，仪表越灵敏。结论结论结论结论55第第1010章章 物位传感器物位传感器结构：结构：一根电极作为电容一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。壁构成电容器的外电极。1-1-内电极；内电极；2-2-绝缘套绝缘套（2 2）导电介质导电介质液位测量液位测量56第第1010章章 物位传感器物位传感器 1-内电极；2-绝缘套等效电路等效电路C11CC2C1257第第1010章章 物位传感器物位传感器3.3.料位的检测料位的检测用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易由于固体间磨损较大，容易“滞留滞留”，产生虚假料，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。该电极棒及容器壁组成电容器的两极来棒。该电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非测量非导电固体料位导电固体料位。1 1金属电极棒；金属电极棒；2 2容器壁容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测量左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。料位的示意图。电容量变化与料位升降的关系为电容量变化与料位升降的关系为料位检测料位检测58第第1010章章 物位传感器物位传感器 电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化会引起介电常数变化，产，产生测量误差。生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极测量电极(也称主电极也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。可以同轴，也可以不同轴。1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套59第第1010章章 物位传感器物位传感器 设辅助电极长设辅助电极长L L，它相对于料位为零时的电容变化量，它相对于料位为零时的电容变化量C CL L为为 ：主电极的电容变化量为主电极的电容变化量为C CH H为为:由于由于L是常数，因此料位变化仅是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，与两个电容变化量之比有关，而介质因素波动所引起的电容而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。起到误差补偿作用。60第第1010章章 物位传感器物位传感器优点优点优点优点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。缺点缺点缺点缺点 需借助较复杂的电子线路。需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。数也要发生变化这种情况。61第第1010章章 物位传感器物位传感器 小结：小结：电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常数变化的影响；数变化的影响；其次是物位相对电容器的电容量变化值很小，往其次是物位相对电容器的电容量变化值很小，往往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电容往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电容测量比较困难。测量比较困难。电容式料位计电容式料位计电容式液位计电容式液位计62第第1010章章 物位传感器物位传感器10.6 其它物位计其它物位计 1.射线式物位计射线式物位计（核辐射物位计核辐射物位计）(1)检测原理检测原理 射线的透射强度随着射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加通过介质层厚度的增加通过介质层厚度的增加通过介质层厚度的增加而减弱而减弱而减弱而减弱，具体关系见式，具体关系见式 介介质对质对射射线线的吸收系数，不同的材料有的吸收系数，不同的材料有不同的吸收系数，一般固不同的吸收系数，一般固态态最大，液体其次，最大，液体其次，气体最小。气体最小。63第第1010章章 物位传感器物位传感器(2)检测系统组成检测系统组成 射线源射线源 探测器探测器 电子线路电子线路 射线料位计射线料位计核辐射物位计示意图核辐射物位计示意图1 1辐射源；辐射源；2 2探测器探测器电子线路64第第1010章章 物位传感器物位传感器(3)(3)实现方法实现方法 放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示。线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示。模型演示模型演示65第第1010章章 物位传感器物位传感器(4)(4)特点特点辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；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，因此能实现完全且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。非接触测量。适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。还可以测量高温融熔金属的液位。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。制。66第第1010章章 物位传感器物位传感器2.微波物位计微波物位计 微波：微波：是波长为是波长为1 mm1 m的电磁波，可分三的电磁波，可分三个波段：个波段：分米波、厘米波、毫米波。分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。波。微波的特点微波的特点:(1)(1)在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良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；好的定向辐射性能；(2)(2)在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光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。的影响小，具有很强的环境适应能力。67第第1010章章 物位传感器物位传感器2.微波物位计微波物位计 微波物位计又称微波物位计又称雷达物位仪雷达物位仪。微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波微波传播速度是一定的，所以可以通过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从传感器传播至物料表面并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。时间来计算出所测量的物位。雷达液位计雷达液位计68第第1010章章 物位传感器物位传感器微波液位传感器微波液位传感器 微波液位计微波液位计 69第第1010章章 物位传感器物位传感器微微 波波 超超 声声 波波波波类型型电磁波磁波机械波机械波反射特性反射特性在不同介在不同介电常数的界面上反射常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压力影响力影响微不足道微不足道很小很小温度影响温度影响微不足道微不足道需温度需温度补偿传播速度播速度约 （真空中）（真空中）（空气中，（空气中，2020）测量盲区量盲区到天到天线顶端端离离辐射面射面250250动态范范围高达高达150dB150dB高达高达100dB100dB传播播环境境很少受气相很少受气相环境影响境影响要求均一的气体要求均一的气体环境境微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较 70第第1010章章 物位传感器物位传感器微波物位计有以下主要特点微波物位计有以下主要特点：测量准确测量准确 可靠性强、寿命长可靠性强、寿命长 几乎可以测量所有介质几乎可以测量所有介质 安全节能安全节能 71第第1010章章 物位传感器物位传感器3.热电法热电法 热电法采用热电热电法采用热电偶测量温度场，右图偶测量温度场，右图为热电偶测量高温金为热电偶测量高温金属熔液液位原理图。属熔液液位原理图。图中图中:a-:a-容器壁；容器壁；b-b-凝凝固金属固金属 ；c-c-钢水；钢水；d-d-热电偶。热电偶。热电偶测量高温热电偶测量高温金属熔液液位原理图金属熔液液位原理图72第第1010章章 物位传感器物位传感器 在容器壁上选定在容器壁上选定一系列测量点，装上一系列测量点，装上热电偶，并将各测点热电偶，并将各测点上热电偶的输出记录上热电偶的输出记录下来，得到如图所示下来，得到如图所示的温度的温度-电势分布曲电势分布曲线，曲线上反映出第线，曲线上反映出第7 7个和第个和第8 8个测点之间个测点之间产生了温度突变，因产生了温度突变，因此液面就在第此液面就在第7 7与第与第8 8测点之间。测点之间。温度温度-电势分布图电势分布图 73第第1010章章 物位传感器物位传感器特点：特点：热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；精度一般不高；而且精度与热电偶分布、安装情而且精度与热电偶分布、安装情况有关。况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点，则适当减小各热电偶的间距、增加测量点，则可提高金属液位测量的分辨力和测量精度。可提高金属液位测量的分辨力和测量精度。这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很实用连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很实用的液位检测控制方法。的液位检测控制方法。74第第1010章章 物位传感器物位传感器 激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位测量中两种方式都可使用，但一般只用作测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控定点检测控制制，不易进行连续测量。，不易进行连续测量。反射式激光液位检测原理图反射式激光液位检测原理图1-激光发射器；激光发射器；2-上液位接收器；上液位接收器；3-下液位接收器下液位接收器 4.光学法光学法 75第第1010章章 物位传感器物位传感器特点：特点：激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大为提高。使测量精度大为提高。76第第1010章章 物位传感器物位传感器5.5.电阻式液位计电阻式液位计 电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。行连续测量。所谓定点控制所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置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。时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。77第第1010章章 物位传感器物位传感器 右图为用于右图为用于连续测量的电连续测量的电阻式液位计原阻式液位计原理图。理图。1-1-电阻棒；电阻棒；2-2-绝缘套；绝缘套；3-3-测量电桥测量电桥 电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电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。阻变化，由电阻变化反映液位情况。78第第1010章章 物位传感器物位传感器 该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相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。整个传感器电阻为固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为 该传感器的材料、结构与尺寸确定后，该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K K1 1、K K2 2均均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。测量可用图中的电桥电路完成。H H、h h电阻棒全长及液位高度电阻棒全长及液位高度(m)(m)；电阻棒的电阻率电阻棒的电阻率(*m)(*m)；A A电阻棒截面积电阻棒截面积(m(m2 2)。79第第1010章章 物位传感器物位传感器6.6.称重式料位计称重式料位计一定容积的容器内，一定容积的容器内，物料重量与料位高度物料重量与料位高度成比例成比例，因此可用称，因此可用称重传感器或测力传感重传感器或测力传感器测算出料位高低。器测算出料位高低。称称重式料位计重式料位计1-1-支承；支承；2-2-称重传感器称重传感器80第第1010章章 物位传感器物位传感器7.7.电阻式物位计电阻式物位计电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制定点控制，因此也，因此也称作称作电极接触式物位计电极接触式物位计。测量原理示意图：测量原理示意图：两支或多支用于不同位置控制的电极置于储两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极测量时物料上升或下降至某一位置时，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。接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。接触电极式料位计在测量时要求物料接触电极式料位计在测量时要求物料是导电介质或本身虽不导电但含有一是导电介质或本身虽不导电但含有一定水分能微弱导电；另外它不宜于测定水分能微弱导电；另外它不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物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。料的粘附而产生误信号。81第第1010章章 物位传感器物位传感器8.重锤探测法重锤探测法 重锤连在与电机相连重锤连在与电机相连的鼓轮上，电机发讯使重的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控制下动作，锤在执行机构控制下动作，从预先定好的原点处靠自从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的逻辑控制记录重锤下降的位置；当重锤碰到物料时，位置；当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行产生失重信号，控制执行机构停转机构停转反转，使电反转，使电机带动重锤迅速返回原点机带动重锤迅速返回原点位置。位置。重锤探测式料位计重锤探测式料位计1-重锤；重锤；2-伺服电机；伺服电机；3-鼓轮鼓轮 82第第1010章章 物位传感器物位传感器补充：相界面的检测补充：相界面的检测 相界面的检测包括相界面的检测包括液液-液相界面液相界面、液液-固相界面固相界面的的检测。检测。液液-液相界面液相界面检测与液位检测相似，因此各种液位检测与液位检测相似，因此各种液位检测方法及仪表检测方法及仪表(如压力式液位计、浮力式液位计、如压力式液位计、浮力式液位计、反射式激光液位计等等反射式激光液位计等等)都可用来进行液都可用来进行液-液相界液相界面的检测。面的检测。液液-固相界面固相界面的检测与料位检测相似，因此重锤探的检测与料位检测相似，因此重锤探测式、称重式、遮断式激光料位计或料位信号器测式、称重式、遮断式激光料位计或料位信号器也同样可用于液也同样可用于液-固相界面的检测控制。固相界面的检测控制。此外，电阻式物位计、电容式物位计、超声波物此外，电阻式物位计、电容式物位计、超声波物位计、核幅射式物位计等均可用来检测位计、核幅射式物位计等均可用来检测液液-液相界液相界面面和和液液-固相界面固相界面。83第第1010章章 物位传感器物位传感器进行相界面的检测必须了解被测介质的物进行相界面的检测必须了解被测介质的物理性质的差别，才能正确选择合适的测量理性质的差别，才能正确选择合适的测量方法。方法。例如，例如，若选用电阻式若选用电阻式(或称电极式或称电极式)物位计物位计检测检测液液-液相界面液相界面时，应当明确对被测介质时，应当明确对被测介质的要求。的要求。即位于容器下部密度较大的一相导电而浮即位于容器下部密度较大的一相导电而浮于上面密度较小的一相不导电，如此等等。于上面密度较小的一相不导电，如此等等。84第第1010章章 物位传感器物位传感器10.7 物位检测计的使用物位检测计的使用 必须考虑必须考虑测量范围、测量精度、被测介质的物理测量范围、测量精度、被测介质的物理化学性质、环境操作条件、容器结构形状化学性质、环境操作条件、容器结构形状等因素。等因素。在液位检测中最为常用的就是静压式和浮力式测在液位检测中最为常用的就是静压式和浮力式测量方法，但必须在容器上开孔安装引压管或在介量方法，但必须在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此在介质为高粘度或者易燃易质中插入浮筒，因此在介质为高粘度或者易燃易爆场合不能使用这些方法。爆场合不能使用这些方法。在料位检测中可以采用电容式、超声波式、射线在料位检测中可以采用电容式、超声波式、射线式等测量方法。式等测量方法。85第第1010章章 物位传感器物位传感器本节小结本节小结物位的基本概念及物位检测的原理物位的基本概念及物位检测的原理物位检测的方法物位检测的方法静压式物位计静压式物位计浮力式物位计浮力式物位计 ：恒浮力法和变浮力法：恒浮力法和变浮力法电气式物位计电气式物位计 声学式物位计声学式物位计 射线式物位计射线式物位计光学式、微波式、光学式、微波式、激光式、激光式、差压式液位变速差压式液位变速器、称重式液罐计量仪器、称重式液罐计量仪液位、料位、分界面检测的不同方法液位、料位、分界面检测的不同方法86第第1010章章 物位传感器物位传感器作业作业教材教材P144：1、2、5、7、9、87