新型检测课件6液位

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,过程参数新型检测技术,授课教师: 姜 波,2010年6月11日,1,第六章 新型液位传感器,本次课主要内容,1 概述,4 磁致伸缩液位测量,3 雷达式液位测量,5 新型液位仪国产化开发情况,磁致伸缩液位仪研究与开发,雷达液位仪研究与开发,磁致伸缩效应,结构及工作原理,功能特点,雷达式液位测量基本原理,测量方法与结构, 应用,特点,2 超声波物位测量,物位测量的基本原理及方法,应用问题及特点,-,液位测量方法简介,2,第六章 新型液位传感器,1 概述,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,静压式：,根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力,或测量两点间的压差进行液位测量.,浮力式：,利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移),电容式：,利用圆筒电容原理,接触式物位测量,两点的压力差为:,差压式液位测量,压力式液位测量,3,第六章 新型液位传感器,1 概述,当浮力,等于物体重力,时,物体处于平衡状态.,利用平衡时物体位置移动进行液位测量.,放在液体中的物体所受浮力,D,h,恒浮力式物位测量,变浮力式物位测量,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,静压式：,根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力,或测量两点间的压差进行液位测量.,浮力式：,利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.,hx(位移),电容式：,利用圆筒电容原理,接触式物位测量,4,第六章 新型液位传感器,1 概述,变浮力式物位测量,恒浮力式物位测量,磁翻转式,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,静压式：,根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力,或测量两点间的压差进行液位测量.,浮力式：,利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移),电容式：,利用圆筒电容原理,接触式物位测量,5,第六章 新型液位传感器,1 概述,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,静压式：,根据流体静力学原理,测量液柱对某点产生的静压力,或测量两点间的压差进行液位测量.,浮力式：,利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(位移),电容式：,利用圆筒电容原理,接触式物位测量,导电介质电容物位测量,非导电介质电容物位测量,6,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,核辐射式物位测量：,基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理.,超声波式：,基于声波的传播特性,回声测距法.,第六章 新型液位传感器,1 概述,非接触式物位测量,射线强度为,穿过介质后的强度为,-介质对射线的吸收系数,-介质层的厚度,-自然对数的底.,7,液位测量方法很多,按测量原理有不同的分类.,核辐射式物位测量：,基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理.,超声波式：,基于声波的传播特性,回声测距法.,第六章 新型液位传感器,1 概述,非接触式物位测量,定点安装,I,0,跟踪式安装,伺服电机,多点组合式安装,8,接触式,使用受限制,机械传递部分寿命短.,以上液位检测方法的不足,受被测介质的影响,精度不稳定.,第六章 新型液位传感器,1 概述,不能同时满足多参数(液位,、,界面),、,高精度及宽量程,的要求.,核辐射式物位测量,核辐射线对人体有害.剂量要严格,控制.要有必要的,、,有效的防护措施及防护规定.,放射源在半衰减期后,必须进行更换,否则不准确.,9,第六章 新型液位传感器,1 概述,近年来,国外针对液位测量中的特殊应用-宽量程,、,高精度,、,多参数(液位,、,界面,、,温度等)进行着不断地研,究与开发,目前已开发出的几种新型液位测量仪表有：,超声波液位仪,、,雷达液位仪,、,磁致伸缩液位仪,、,射频,导纳液位仪等.,在国外已广泛应用.,我国目前正在积极引进国外先进产品,进行应用研究,与国产化开发.,超声波液位仪,和,雷达液位仪,我国已有开,发试用产品,磁致伸缩液位仪,在储油罐油位,、,水位,、,温度,、,储油量的测量及控制中,具有很好的应用前景,我国也在,积极的研发中.,10,2 超声波物位测量,超声波物位测量必须有超声波的发射和接收装置.,超声波-频率高于20KHz的声波.,高频声波在介质中传播,方向性好,、,扩散性小.,第六章 新型液位传感器,11,当晶体两个面上施加交变电压时,晶体片将产生沿厚度方向伸长和压缩,的交替变化(振荡),振动频率与所加交,流电的频率相同.该振动在周围媒介中,发射同频率的声波.,1.超声波物位测量的基本原理,晶体的逆压电效应,-可使电能转换成声能的效应.,f,f,交流输入,逆压电效应,超声换能器:,所加交流电的频率为超声频率,晶体,将向周围发射超声波.晶体的这一物理,现象-逆压电效应.,2 超声波物位测量,超声波的发射和接收装置,实现电能与超声能的转换.,第六章 新型液位传感器,12,当晶体两个面上施加一脉动的外力,使之变形,将有一定的电流产生.,晶体的这一物理现象-压电效应.,晶体的压电效应,-可使声能转换成电能的效应.,超声换能器利用晶体的,逆压电效应:,用于超声波的发射.,压电效应:,用于超声波的接收.,f,f,交流输出,压电效应,2 超声波物位测量,1.超声波物位测量的基本原理,第六章 新型液位传感器,13,声波在两种密度不同的介质中传播速度不同,声波,传播碰到两种介质的相界面时,传播的方向将发生变化,一部分被反射,、,一部分折射入相邻介质中.,测量原理,反射率:,设:两种介质密度分别为 ，声波在其中传播,速度分别为 ,入射声强 ,反射声强 .,-入射角,反射角,-声阻抗,2 超声波物位测量,第六章 新型液位传感器,1.超声波物位测量的基本原理,14,2.测量方法,2 超声波物位测量,反射率:,采用垂直入射:,当 相差悬殊时,测量方法,-回声测距法,超声换能器可安装在容器的底部或顶部.,可用两个换能器分别担负超声波的发射和接收，,也可用一个换能器交替进行发射和接收.,第六章 新型液位传感器,15,3.应用问题,垂直安装,、,要稳定 .,(2)存在问题:,(3) 的修正方法,-校正具修正法,测量与声速无关, 为,已知，,只需测得两个时间量求比值.,校正具:,(1)应用要求:,一套固定距离的超声波参比装置.,直接影响测量.,2 超声波物位测量,第六章 新型液位传感器,16,计算机采集液位信号的同时采集温度,、,压力信号,通过模型进行修正.,测绘不同温度,、,压力时仪表输入输出特性,建立,数学模型.,计算机软修正法,如果介质存在密度梯度，,速度梯度.,可采用活动校正具，一端,装一浮球随液升降.,2 超声波物位测量,3.应用问题,(3) 的修正方法,第六章 新型液位传感器,17,2 超声波物位测量, 实际应用-,非接触式物位测量,第六章 新型液位传感器,空高：,物位仪,L,H,被测液位：,v-超声波传播速度,t时间,要注意垂直安装及,的影响.,18,4.超声波物位测量特点,2 超声波物位测量,优,点,物位测量没有可动部件,使用寿命长.,(可测量高粘度,、,高腐蚀及有毒介质，液体,、,粉末,、,块体等),可做到非接触测量,应用范围广.,测量范围宽.,缺 点,探头本身不能承受高温.,不能用于对声波吸收能力很强的介质.,电路部分较复杂,、,造价高.,要考虑声速对测量的影响.,第六章 新型液位传感器,19,一种特殊形式的电磁波,其物理特性,与可见光相似.根据量子理论,雷达信号,可穿透空间,传播速度相当于光速.,一、基本原理,-基于雷达信号的传播特性.,雷达信号,二、方法与结构,方法,:时域反射(回声测距)与超声波方法相同.,雷达信号(电磁波)的发射反射接收.,结构:,按天线的不同分两种,普通雷达液位仪,导波雷达液位仪,第六章 新型液位传感器,3 雷达物位仪,20,(1)普通雷达液位仪,-喇叭口天线,仪表电路部分,每隔278ns,发射一束雷达脉冲信号,脉冲波,速的频率为3.6MHz.每束脉冲频,率f最低为5.8GHz.,发射间隔天线系统作为,接收装置, 仪表在极短的,一瞬间分析处理回波图.,第六章 新型液位传感器,3 雷达物位仪,21,(1)导波雷达液位仪,导波体,-,导波体(管)天线,采用导波体或,导波,管做天线,雷达信号集中沿导波体(管)传播,不受雾气,、,液面泡沫等影响,因此,应用更广泛.,导波雷达液位仪由于信号集中沿,导波体(管)传播,信号能量衰减小,约为普通雷达液位仪发射能量的,10%,故可降低制造难度和造价.,第六章 新型液位传感器,3 雷达物位仪,22,目前国外已做成智能型,(德国产品,中国代理),测量分辨率高,可达1mm .量程宽,可达35M .,的液体或固体介质均可测量.,三、,特点,不受温度,、,压力影响. 温度影响几乎为0.,(500时为0.018%,压力P=50bar时,0.8%),现场显示液位,几种输出形式,420mA,模拟输出,数字通讯,(任意联网),数字输出,(一根双芯线可连接15个仪表,用手操器进行远距离调试,、,校准等),(辽河油田,、,胜利油田应用),第六章 新型液位传感器,3 雷达物位仪,23,第六章 新型液位传感器,近年来,美国及一些欧洲国家研制出磁致伸缩液位仪,能同时满足高精度,、,多参数及宽量程的要求.,4 磁致伸缩液位测量,美国MTS公司的一产品,测量范围：0.127m,18.28m,精度：0.508mm,分辨率：0.025mm,温度范围：-30,149,0,C.,可同时测液位,、,界面.已智能化,内部具有温度补偿,量程自校准等,无故障23年.,24,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,主要基于磁致伸缩效应,结合浮力原理,、,电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用.,一、磁致伸缩效应,机理,在外磁场作用下,材料内部随机取向的磁畴,发生旋转至与外磁场方向一致, 使之在外形,几何尺寸出现沿磁场方向伸长或缩短的现象.,基本原理,-铁磁材料(铁,、,镍等)在磁场作用下,发生形变的物理现象.,25,主要基于磁致伸缩效应,结合浮力原理,、,电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用.,第六章 新型液位传感器,1842年美国科学家(James Prescott Joule)发现了,磁致伸缩效应.由于材料的磁致伸缩效应非常细微,如,镍铁合金只有30PPM,没有应用价值.,随着新材料的开发,稀土技术的应用,使磁致伸缩效应提升至1500PPM.,1940年磁致伸缩效应首次应用于潜艇声纳探测距离,系统上.,4 磁致伸缩液位测量,基本原理,一、磁致伸缩效应,26,70年代磁致伸缩效应被迅速开发应用于位移,、,液位,、,速度等测量.,广泛应用于机械自动化,、,钢铁厂,、,生化,、,石化,、,木材加工等各个领域.,一、磁致伸缩效应,目前磁致伸缩液位传感器市场占有率逐年增加,以美国MTS系统公司和Veeder root公司代表的生产,厂家达几十家,在国外各控制领域应用超过10万台.,进入中国市场较晚,近年我国才由国内代理国外,产品进入应用研究阶段.国内几家仪表厂初步开发出,自已的试用产品.,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,27,二、结构及工作原理,结构,磁环：,随液面升降的磁性浮子(内存磁钢).产生轴向磁场.,保护管：,(外管)保护波导管不受化学及机械损坏.,处理电路：,智能信号处理(包括发射,、,接收,、,计数,、,控制等),磁致伸缩材料制成的薄壁毛细管.,波导管,在波导管内具有一定张力的铜线,通电流后可在波导管径向感应出垂,直于铜线的环形磁场.,铜线,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,28,v-应变波运行速度,约3000M/s,当两磁场相交时,产生一螺旋磁场使波导管应变(扭转变形),并以超声波速度运行到电子部件的感应线圈.,(应变波向两端运行,沿管传到底部侧,被底部的阻尼装置吸收,运行到上部在感应线圈中产生电势).,测量从发出脉冲到反回应变脉冲的时间,即可得到液位.,电路部分向波导管内的铜线发出,一询问脉冲,此脉冲电流同时产生,一垂直于铜线(沿波导管径向)的环,形磁场；沿外管随液位升降的磁浮,子产生一轴向磁场.,工作原理,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,二、结构及工作原理,29,与浮子接触式不同,能量转换与,信号处理非接触,、,无机械传动部件.,1.非接触测量,三、功能特点,测液位的浮子密度 应稍小于液体,密度 .若两种液体 ,增加一磁,浮子其密度为 ,只要满足 ,浮子浮在两液体界面处.,2.很方便地实现液位,、,界面测量,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,30,总线传输(远距离手操器调试,、,设定等),时间量测量,采用数字接口,高频计数脉冲源实现高分辨力.,3.高精度,底部放一磁浮子进行自校正:,总长为L,对应时间T.,温度补偿,在波导管与外管之间,均匀放置5个温敏元件.,4.智能化,第六章 新型液位传感器,4 磁致伸缩液位测量,三、功能特点,31,5,新型液位仪国产化开发情况,我国目前正在积极引进国外产品,进行应用研究与,国产化开发阶段,磁致伸缩液位仪在储油罐油位,、,水位,、,温度,、,储油量的测量及控制中,具有很好的应用前景.,科研简介：北京空军油料研究所与我校联合开发,-油料储运自动化系统,要求：,对国外磁致伸缩式,、,雷达式液位传感器产品进行,机理分析与研究,国产化开发研制.,第六章 新型液位传感器,32,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,2000级研究生赵芳,、,任波的研究课题,赵芳,姜波,陈祥光等.,磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究.,仪表技术与传感器,2003(8).,任波,陈祥光,姜波等.,磁致伸缩液位传感器机理研究.,传感器技术,2003(1).,2001级研究生齐荣的研究课题,齐荣,姜波,陈祥光等.,磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测.,传感器技术,2004(4).,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,33,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,传感器的总体结构及工作原理,波导管,磁浮子,测量头,液面,罐体,界面,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,磁致伸缩液位传感器是由测量头,(包,括脉冲发生,、,回波接收,、,信号检测与处理,电路),、,波导管和磁浮子组成.,其中测量头装置在罐体之外,波导管,外有不锈钢或铝合金的保护套管,插入液,体中直达罐底,底部固定在罐底,磁浮子可,以有两个,一个测量液位,一个测量界位.,总体结构,34,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,该传感器是综合利用浮力效应,、,磁致,伸缩效应,、,电磁效应,、,磁机械(超声)效应等,原理进行工作,通过检测从发生电脉冲至,接收到磁浮子的返回脉冲之间的时间间隔,来计算液面和界面的位置.,由于时间量检测可以达到很高的精度,而且还可采用温度补偿等措施,所以磁致伸缩传感器能够达到很高的精度.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,1 传感器机理研究,传感器的总体结构及工作原理,波导管,磁浮子,测量头,液面,罐体,界面,35,传感器的工作原理,移动的磁浮子在波导管中产生一轴向,磁场,脉冲发生电路产生电脉冲,沿着铜丝,传播,在铜丝周围产生一环形磁场随着电脉,冲一道以光速传播,当遇到磁浮子的轴向磁,场时合成一个瞬间的倾斜磁场,根据威德曼,(Wiedemann)效应,将在波导管中产生一个,扭转弹性波,弹性波以恒定的超声速向波导,管两端传播,在测量头一端被回波接收器接,收转换为电脉冲,通过检测两个电脉冲的时,间差,即可计算出液位.,脉冲发生,弹性回波接收器,信号处理电路,石英晶振,显示,波导管,磁浮子,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,传感器的总体结构及工作原理,波导管,磁浮子,测量头,液面,罐体,界面,36,传感器机理分析, 磁致伸缩原理,铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下,在磁场中被磁化时,会沿磁化方向发生微量伸长和缩短,称之为,磁致伸缩效应,又称焦耳,(Joule)效应.,磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化,形成大量磁畴.在每个磁畴内,晶格发生形变.在未加外磁场时,磁畴的,磁化方向是随机取向的,不显示宏观效应；在外磁场中,大量磁畴的磁,化方向转向外场,其宏观效应即是材料在磁力线方向的伸长或缩短.长,度为 的磁性体外加磁场时,相对伸缩的值 ,即为磁致伸缩常数.,相反,由于形状变化,致使磁化强度发生变化的现象,称为,磁致伸缩,逆效应(Villary效应).,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,37,对于Villary效应,磁化量的变化量可表示为:,对于Joule效应,磁场变化 ,磁致伸缩的变化有:,-饱和磁致伸缩；,-饱和磁化强度；,-单轴磁各向异性常数；,-磁场与易磁化轴间的角度.,-周向扭曲应力变化.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,38, 磁致伸缩位移传感原理,磁致伸缩效应在位移检测中已得到广泛应用.,其工作原理是,利用两个不同的磁场相交使波导管,发生波导扭曲,产生一个超声波信号,然后计算这个,信号被探测所需的时间,便能换算出动磁铁的准确,位置.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,39,在波导管的轴向方向配置非接触移,动的磁体, 给磁致伸缩波导管产生轴向,磁场. 当在金属线上有一个轴向的电流,脉冲时,在波导管上则产生周向磁场,周,向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场,因周向,磁场产生于瞬间,所以,倾斜磁场也瞬间,产生.,波导管中的磁场瞬间变化时,根据威,德曼效应,金属随其瞬间变形产生波导扭,曲,同时产生一个应变脉冲的超声波信号,在波导管中以固定的速度向两端传播.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,40,应变脉冲的超声波信号在波导管的传播速度为:,-波导管的剪切弹性模量,-波导管密度,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,、,均是恒定(对于一定的波导管来说)的,所以传播速度也恒定，,约为3km/s.当超声波沿波导管传到控制器一端时,超声波被固连在,波导管上的回波接受装置接收转换为电脉冲,经放大送到主要由计,数器所组成的测量电路中.因为超声波在波导管中是以恒速传播的,所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔,乘以这个,固定速度,即可得到磁铁的位置,实现位置检测.这个过程是连续不,断的,所以,每当磁铁移动时,新的位置就被感测出来.,磁铁位置=时差 传送速度零点位置,磁铁离传感器的电子检测装置越远,声波传播所需的时间就,越长,所以传感器的更新时间与距离成正比.,最长更新时间=(量程+零点位置)/传送速度,41, 磁致伸缩液位测量原理,在位移传感器中,若将磁环装置在浮,子中,而将波导管垂直安装在罐中,则磁,环(磁浮子)随着液面(界面)的变化上下滑动,与位移传感原理相同,即可测得磁浮子的位置从而得出液面(界面)高度.,波导管是一根外径为0.55mm,壁厚0.05 mm,的细长管子,管子里面装有一根绝缘铜丝,为了,保护和屏蔽,在波导管外套一个屏蔽管,屏蔽管,可以是不锈钢或铝合金等,波导管材料的成分,主要是铁镍合金.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,1 传感器机理研究,42,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发, 采用管状传递超声波机理分析,Wiedemann效应既可发生在波导线中,也可发生在波导管中,采用波导管和铜线的,结构是因为波导管和铜线功能分离,互不干,扰.波导管只需传递扭转波, 因此只需考虑,其磁导率；铜导线用来传递电脉冲.若仅采,用波导线, 除了要考虑它的磁导率外,还得,考虑它的电导率,无疑给波导管材料的选择,带来困难.,1 传感器机理研究,43,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,相同外径的波导管和波导线在同样大,小的扭转波作用下,波导管的材料变形量大,也就是说波导管的信号更容易被回波接收装,置转变成电脉冲信号加以接收.,由于趋肤效应, 电流脉冲在固体铁磁波,导线中传播时, 电脉冲沿波导线最外层传播,因而不能得到完全的磁感应.当铜导线在波导,管内传递电脉冲时, 管中得到完全的磁感应,可得到更强感应的应力脉冲,该脉冲宽度较窄,可得到高频响应,使测量信号更好.,1 传感器机理研究,44,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发, 弹性回波的接收,波导管上焊接着绕有线圈的两条窄金属带,线圈处在,由小磁铁产生的旁路磁场中,当弹性扭转回波传到这里时,转变为对这两条金属带的推力和拉力,金属带和波导管是,用相同的磁致伸缩材料制成的,由于Villary效应,两条金,属带在拉力和推力的作用下,发生伸缩,而引起线圈内磁感,应量的变化,在永久磁铁磁场作用下,线圈中感应出电脉冲.,1 传感器机理研究,45,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,采用差动方式,两条金属带完全相同,一伸一缩,从而线,圈中的感应电势大小相同,方向相反, 将两个脉冲迭加,则一,方面可以得到增大一倍的信号,同时可以消除共模干扰.,该机电转换是先将扭转波脉冲转换成两金属带的纵波脉,冲,然后再根据纵向Villary效应进行接收.,也可直接采用Villary效应,利用波导管内的铜线或在波导管上绕有线圈,将波导管扭转波直接转换成电脉冲.,1 传感器机理研究,46,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发, 时间量的测量,传感器通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔,来确定液位的位置,所以时间量的测量直接决定着液位测量的精度.,时间量的测量有多种方法,脉冲记数法可达到很高的精度,还可以直接输出数字信号.,t,d,T,T,t,t,t,t,I,T,U,R,发送,脉冲,接收,脉冲,计数脉,冲源,计数,脉冲,1 传感器机理研究,47,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,如 V=3000m/s,计数频率为150MHz,则分辨率为：,可见,只要计数脉冲源的频率足够高,磁致,伸缩液位传感器的理论分辨率可以达到无穷,小,传感器可以达到非常高的精度。,1 传感器机理研究,t,d,T,T,t,t,t,t,I,T,U,R,发送,脉冲,接收,脉冲,计数脉,冲源,计数,脉冲,发射的电流脉冲,I,T,以光速传播,所以其传播时间可以忽略.,脉冲电,流发射时触发测量电路的计数器开始计数,回波接收装置转换的电脉,冲,U,R,经整形放大后对计数器复位,使其停止计数,则计数器的计数值,正比于时间间隔,t,d,知道计数脉冲频率即可求出,t,d,.,在电流脉冲频率f适当的情况下,回波脉冲具有相同的频率,U,R,较,I,T,延迟,t,d,.计数脉冲源的频率越高,时间,t,d,内所计脉冲数越多,一个计数,脉冲表示的当量距离越小,即分辨率越高.,48, 温度补偿,磁致伸缩传感器是采用浮子作为液位感应元件,当介质,密度变化时,将给测量精度带来影响.温度变化将引起介质的,密度变化,使浮子浸在介质中的高度发生变化给测量带来误差.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,以油料为例,油料的相对密度为油料密度与4同体积蒸馏水密度,之比,用 表示,油料相对密度与温度的关系为:,1 传感器机理研究,-油料相对密度的温度修正系数.,-20油料的相对密度,称标准相对密度.,49,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,在高精度磁致伸缩液位测量中,温度的影响是不可忽视的.,目前美国磁致伸缩传感器产品,沿传感器波导管安装多个温敏,元件,检测液体的温度变化,采用单片机系统自动进行温度补,偿.,另外减小浮子的密度,使浮子浸入液体的高度减小,也可,以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响.,1 传感器机理研究,以油料为例,油料的相对密度为油料密度与4同体积蒸馏水密度,之比,用 表示,油料相对密度与温度的关系为:,-油料相对密度的温度修正系数.,-20油料的相对密度,称标准相对密度.,50,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,抗干扰措施,在测量过程中,传感器内的发射电流脉冲和应变脉冲不可,避免地会对测量信号产生一定的干扰.为了提高采样的可靠性,减小虚假信息的影响,采用数字滤波,具有硬件滤波器的功效,却不需要硬件投资.,数字滤波即进行连续多次测量,然后求其平均值作为有效,采样值.采样次数越大,效果越好,但系统灵敏度下降.,也可采用滑动平均滤波算法,这种算法只采样一次,将这一,次采样值和过去若干次采样值一起求平均,得到有效的采样值.,如果取n个采样值求平均,RAM中必须开辟n个数据暂存区.每新,采集一个数据便存入暂存区,同时去掉一个最老的数据, 保持,这n个数据始终是最近的数据,然后将这n个采样值求平均即可,得到有效采样值.,1 传感器机理研究,51,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,分析研究可知, 磁致伸缩液位仪能够实现高精度测量,主要是综合了磁致伸缩效应,、,浮力原理,、,电磁感应,、,电子,技术等构成的先进的测量技术,同时考虑了高分辩率的时,间量检测,、,液体密度变化以及应变波速变化对测量的影响.,1 传感器机理研究,任波,陈祥光,姜波等.磁致伸缩液位传感器机理研究.传感器技术,2003(1).,52,高分辩力的时间量检测(接口),被测液位L是通过仪表对时间量t的测量,来确定的. 假定应变波的运行速度V恒定,L=tV.液位测量的高精度主要取决于对时间量,的精确计量.为此,数字接口应是最佳选择,由,高时钟频率得到时间计量的高分辨力从而实现,液位测量的高精度.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,2 高精度液位测量的研究,t,d,T,T,t,t,t,t,I,T,U,R,发送,脉冲,接收,脉冲,计数脉,冲源,计数,脉冲,接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V的乘积：,测量误差=时间分辨力 V,则要求：时间分辨力 仪表允许误差/V.,假如数字接口误差限定在0.1mm,波导管应变波运行速度为3000m/s,则要求时间分辨力0.03s,时钟频率=1/时间分辨力,对于0.1mm的,误差,要有33MHz的时钟频率来保证.,53,从而看出,要保证液位测量的高精度,首,先要考虑选择时间接口的高时钟频率来得到,时间量检测的高分辨力.,要进一步提高分辨力,则要求更高的时钟,频率,同时计数器的电路功能也需要同步提升,.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,高分辩力的时间量检测(接口),MTS公司新产品中的电子板,采用了该公司的专利ASIS电路,该电路,工作时犹如内置360MHz的时钟,可以达到0.003s的时间分辨力.,2 高精度液位测量的研究,t,d,T,T,t,t,t,t,I,T,U,R,发送,脉冲,接收,脉冲,计数脉,冲源,计数,脉冲,接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V的乘积：,测量误差=时间分辨力 V,则要求：时间分辨力 仪表允许误差/V.,假如数字接口误差限定在0.1mm,波导管应变波运行速度为3000m/s,则要求时间分辨力0.03s,时钟频率=1/时间分辨力,对于0.1mm的,误差,要有33MHz的时钟频率来保证.,54,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,实现高精度测量,除了从理论上要对时间量t进行高分辨力检测,之外,介质密度随温度变化也是影响仪表精度的一个很重要的因素.,介质密度随温度变化导致磁浮子浸入液体的深度发生变化将直接影,响测量精度.特别是对于露天储油罐的液位测量,冬天,、,夏天温度变,化几十度,对测量带来的影响不可忽视,必修采取措施., 对介质密度的变化进行温度补偿,对于典型的柱状浮子,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度h,与相对密度,、,温度的关系：,油料相对密度与温度的关系为:,-油料相对密度的温度修正系数.,负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小.,2 高精度液位测量的研究,55,可以看出,减小介质密度随温度变化对测量的影响可从两方面考虑.,一方面,从浮子材质及结构尺寸考虑,尽量减小浮子密度,使浮子浸入介,质的深度h小.若不是柱状浮子(球状),减小其外径R,也可减小密度变化,对测量的影响.另一方面,应考虑对温度影响进行补偿.,目前美国产品是沿波导管均匀放置几个温度传感器RTD,检测介质的,平均温度,由信号转换部分进行修正.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,2 高精度液位测量的研究, 对介质密度的变化进行温度补偿,油料相对密度与温度的关系为:,-油料相对密度的温度修正系数.,对于典型的柱状浮子,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度h,与相对密度,、,温度的关系：,负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小.,56,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发, 对应变波速的变化进行校正,机械波在波导管上的传播速度受温度影响是很微小的,有资料,介绍,在常温-10+45时,弹性波在固体中的传播速度基本为一,定值.但是对于高精度液位测量来说,其影响也应该引起重视.,高精度测量,可在波导管底部安装固定磁铁,使波导管在此处也,发生磁致伸缩.此处离电子部件的距离L,底,是固定的,可以作为校正,依据.,L/ L,底,=T/T,底,L= L,底,T/ T,底,可看出安装固定校正磁铁消除了温度对应变波传播速度的影响.,但是对于较高的油罐,内有水,、,油,、,气使之具有温度梯度的情况,这只,是一种平均温度的校正,不能得到完全校正.,赵芳,姜波,陈祥光等.磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究.,仪表技术与传感器,2003(8).,2 高精度液位测量的研究,57,一定 时间间隔内,计数N多少,取决于,计数脉冲源频率f.,可通过提高计数脉冲源的频率f,实现高分辨率.,对应的距离分辨率:,时间量检测是实现传感器高准确度的,关键.时间量检测方法很多,脉冲计数法,可获得较高准确度.,在发射电流脉冲的同时触发计数器,开始计数,接受到回波脉冲时,对计数,器复位,使其停止计数.,时间分辨率:,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,3 高分辨力时间量检测,58,在CPLD内部开发出3个计数器,、,译码,电路和计数启闭门的时间量检测电路.,具有一个起始端口START,停止计数端,口STOP,清零CLR和时钟CLK,数据选择,端口A,、,B,、,C,、,D,及数据输出端A70.,由关系式可得,时间分辨力及对应的距离.根据分给时间量检测,电路给液位带来的误差0.1mm, 计算计数脉冲源的频率f要在30MHz,以上,计数器的位数至少要18位.如要同时测量油位,、,水位及自校准,则需要3个18位计数器来满足3个时间量检测.,采用CPLD进行时间量检测,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,3 高分辨力时间量检测,59,译码电路在单片机的,控制下通过A,、,B,、,C,、,D端口,选择对计数器的数据进行,读入, 使每个计数器的数,据分低8位,、,中8位,、,高2位,依次被计算机读入.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,3 高分辨力时间量检测,60,单片机发出询问脉冲的同时,通过其P1口使START端口出现高,电平, 通过计数门使3个计数器,开始计数,反回脉冲使STOP端口,依次出现3个由低到高的电平跳,变,分别使3个计数器停止计数,并触发单片机中断.通过单片机,换算出对应的油位,、,水位信号,输出.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,一、磁致伸缩液位仪研究与开发,齐荣,姜波,陈祥光等.磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测.,传感器技术,2004(4).,3 高分辨力时间量检测,61,国内有关仪表厂家及研究部门都在积极投入人力,、,资金进行,国产化开发,北京空军油料所与我们联合开发.,技术难点：,高分辨力时间量检测.(02级研究生阴丽娟的课题),理论上可通过提高计数脉冲,源的频率f实现高分辨率.,对应的距离分辨率:,一定 时间间隔内,计数N多少,取决于计数脉冲源频率f.,时间分辨率:,雷达信号光速v,用 代入,则f=100GHz,如此高的振荡频率很难实现,此方法不可行.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,二、雷达物位仪研究与开发,62,对周期为T的重复信号,采用采样脉冲周期为:,结果与周期为 的采样等效,相当于将原信号在时间轴上,放大 倍.这样降低了器件实现的难度.,姜波,阴丽娟,陈祥光等.,等效时间采样在雷达液位仪中的应用,仪表技术与传感器,2005(6),采用等效时间采样原理,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,二、雷达物位仪研究与开发,63,等效时间采样在时间量检测中的应用,-2002级研究生,发射,、,回波信号周期为T,采样周期为 .采集到高电平时,此次检测结束.被测时间间隔 ,n为采样次数, 为,时间分辨率,设计要求距离分辨率小于1.5mm,计算 .,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,二、雷达物位仪研究与开发,64,实现方案-游标法, 采用两个频率相近的晶振,T,1,、,T,2,，T,2,=T,1,+ T, 采用晶振对为8.000000MH,Z,和8.000156MH,Z, T=2.4ps, 4个时钟周期控制一次发射,4T,1,=500ns大于最大测量,距离30M对应的时间t,D,(200ns),4 T=9.6ps10ps,满足,测量分辨率1.5mm的要求.,第六章,5 新型液位仪国产化开发情况,二、雷达物位仪研究与开发,65,基本原理,方法与结构,特点,磁致伸缩效应,结构及工作原理,功能特点,1 概述,4 磁致伸缩液位测量,3 雷达式液位测量,第,六,章 新型液位传感器,课程小结,普通雷达液位仪,导波雷达液位仪,5,新型液位仪国产化开发情况,磁致伸缩液位仪研究与开发,雷达液位仪研究与开发,物位测量的基本原理及方法,应用问题及特点,2 超声波物位测量,66,1.查阅有关文献,写读书报告一份(约3000,5000字).,课程所涉及物理量范畴,(气,、,磁,、,湿,、,热,、,压力,、,光电,、,光纤,、,集成等),新型传感器原理,、,性能及应用介绍.,某种物理量检测传感器的发展动向.,(综述型,、,大量资料查阅),课程考核方法：,大作业形式+学术交流,、,讨论.,过程参数新型检测技术,2.实际应用设计,自立题目,提出功能要求,进行传感器选型,(型号,、,性能介绍).,提出设计方案及设计原理图.,交流报告10分钟.,一、,内容,67,二、格式要求,1.读书报告格式(与发表文章格式相同),题目,、,摘要,、,正文,、,参考文献(规范书写),2.应用设计格式,题目,1 引言,2 功能要求,3 设计方案(方法,、,思路),、,电路及功能实现(工作原理),4 小结(总结),5 参考文献(规范书写),过程参数新型检测技术,课程考核方法：,大作业形式+学术交流,、,讨论.,3.封面格式,题目,-过程参数新型检测技术课大作业,年级：级硕士研究生,姓名: 学号：,年 月,68,过程参数新型检测技术,参考书目,新型传感器原理,黄俊钦等著 航空工业出版社 1991.,传感器技术,贾伯年等著 东南大学出版社 1992.,电子传感器,李标荣著 国防工业出版社 1993.,新型传感器基础,徐同举著 机械工业出版社 1987.,半导体传感器,张维新著 1990.,现代传感器技术,金篆芷著 1995.,现代传感器原理及应用,贺安之著 1995.,现代传感器技术,魏永广著 东北大学出版社 2001.,传感器及应用技术,沈聿农著 化学工业出版社 2002.,传感器及其应用,栾桂东等著 西安电子科技大学出版社 2002.,传感器与压电器件,徐泽善主编,国防工业出版社 1999.,传感及其遥控技术应用,丁镇生著,电子工业出版社 2003.,传感器集成电路手册,赵负图著,化学工业出版社 2002.,传感器应用及电路精选,张高学著 电子工业出版社 1992.,传感器工作原理及应用实例,黄继昌等著,人民邮电出版社 1998.,传感器第4版,唐文彦主编 机械工业出版社 2006.,非电量电测技术第2版,严钟豪,、,谭祖根主编 机械工业出版社 2001.,新型传感器原理及应用,王元庆著 机械工业出版社 2002.,69,