测控传感器第4章液位、液体重量和体积侧量

_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,东北石油大学华瑞学院,第,4,章液位、液体重量和体积侧量,测控传感器,_,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,_,东北石油大学华瑞学院,第三章 运动测量,测控传感器,_,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,1,1,测控传感器,Sensors for Measurement and Control,第,4,章液位、液体重量和体积侧量,概述,物质的量可以用液位、液体体积、重量或力的形式来表示,它们之间都相互关联,。,线性刻度可以估测位于两刻度线之间的液面，容器的直径已知时，其标定的刻度位置就可以计算出来。,液体的密度随着温度变化而变化。通常随着温度增加，液体会膨胀而使其密度变小。,液位和液体的物理参数可能与质量有关，因此也与力和重量有关。,4.1,液位测量,4.1.1,可视玻璃管,玻璃管液位计是一种直读式液位测量仪表。,适用于工业生产过程中一般贮液设备中的液体位置的现场检测。,其结构简单，测量准确，是传统的现场液位测量工具。,液位计两端各装有一个针形阀，当玻璃管发生意外事故而破碎时，针形阀在容器压力作用下自动关闭，以防容器内介质继续外流。,测量范围,300,、,500,、,600,、,800,、,1000,、,1200,、,1400,、,1700,、,2000mm,工作压力：,1.6MPa,材质：碳钢、不锈钢,工作温度：,200,连接法兰标准：,HGJ46-91 PN1.6 DN20,突面,其它法兰标准如,JB/T,、,GB,、,ANSI,等，请用户注明。,伴热蒸汽压力：,0.6MPa,蒸汽夹套接头：,G1/2,外螺纹,钢球自封压力：,0.2MPa,主要技术指标,玻璃管液位计测量结果的精确度取决于读数者的经验水平及玻璃管标定刻度的精确度。,容器中液体的种类和可视玻璃管的直径也会影响测量的精度。,可视玻璃管用在精确度要求不高的测量中，例如在石油储罐和家用热水器中。,玻璃管液位计的特点,液位标尺,也被称为油标尺。,液位标尺是标定好刻度的细棒。,把液位标尺垂直地插入容器内，以便它的下端投入液面以下。,从液体容器中取出油尺时，一些液体会粘附着在液面标尺上，从而根据油液痕迹从刻度上读出液面高度。,液位标尺仅用于现场测量，在实际测量过程中必须取出液位标尺才能读数。,4.1.3,液位浮子表,液位浮子表有两种常见的形式,即平衡重式和电子控制式,。,平衡重式液位浮子表,浮子随着液面位置的变化而运动，并传送给指针，表盘刻度是以体积或质量的形式来标定的。,精确的读数可以得到，但其精确度取决于刻线长度以及刻度分度值的精度。,浮子被设计成随液面位置而升降的形式,当液位变化时，浮子的运动导致电位计指针沿着表盘转动产生一个角位移。,电位器电阻的改变，产生一个与液位相对应的电压读数。,电子控制式液位浮子表,4.1.4,电容式液位计,（变介质型电容式传感器）,圆柱形电容器的初始电容为,:,电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。,设,C,1,为液体有效高度,h,x,形成的电容，,C,2,为空气高度（,h-h,x,）形成的电容，则：,由于,C,1,和,C,2,为并联，所以总电容为,:,可见，电容,C,理论上与液面高度,h,x,成线性关系，只要测出传感器电容,C,的大小，就可得到液位高度。,为什么电容式液位计不适用于测量某些液体的液位，例知：,(a),水银，,(b),硫酸铜溶液？,4.1.5,导电式液位计,是通过测量导电液体电阻的变化侧量液面的一种仪器，其工作原理与电容表相似。,传感器两极板间的电阻随着液位变化而变化，并以适当的单位来标定，从而用来作为液位或液体量的测量。,使用导电式液位计时，腐蚀、泄露和被测液体的导电性是需要考虑的重要因素。,环境温度的变化，将影响液体的导电性和测量系统。,若探针未被覆盖住，两个探针的尖端之间将会出现电弧放电,(,弧光,),，因此不适合测易燃性液体。,4.1.6,超声波液位计,1,超声波的传输特性,人耳能够听到的机 械波，频率在,16Hz,20kHz,之间，称为声波。,人耳听不到的机械波，频率高于,20,kHz,的称为超声波。,频率在,310,8,310,11,Hz,之间的称为微波。,超声波可分为纵波、横波和表面波,质点的振动方向和波的传播方向一致的称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播,。,质点的振动方向和波的传播方面相垂直的称为横波，它只能在固体中传播。,质点的振动介于横波和纵波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的称为表面波。表面波只在固体的表面传播。,超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、介质的弹性系数及波型。在同一固体中横波声速为纵波声速的一半左右，而表面波声速又低于横波声速。当超声波在某一介质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵循如下一些规律。,(1),传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，即声速为,式中：,为超声波的波长；,f,为超声波的频率。,(2),超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作,式中：,I,0,为声源处的声强；,I,x,为距声源,x,处的声强；,为衰减系数,(,单位为,110,-3,dB/mm),，水和一般低衰减材料的,取值为,1,4,。,(3),超声波的反射与折射：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵循反射定律和折射定律,入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波速与反射波速之比；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波速与折射波速之比。,(4),超声波的波形转换：若选择适当的入射角，使纵波全反射，那么在折射中只有横波出现；如果横波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。,2,超声波换能器,能将,(,交流,),电信号转换成机械振动而向介质中辐射,(,发射,),超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器,(,或称为探测器、传感器、探头,),。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。,超声波探头,最常用的是压电式探头,。,超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。,超声波传感器的主要性能指标包括,工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。,(2),工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。,(3),灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之则灵敏度低。,3,超声波液位计,换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。,超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。,距离值,S,与声速,C,和传输时间,T,之间的关系可以用公式表示：,S=CxT/2,。,图所示为一个典型的超声波液位仪。,当向液体发射超声脉冲波时，其中有一小部分被液面反射回来，其余的被液体容器的底面反射。,两种反射的脉冲的时间差直接与被测物体的深度有关，并且这个深度可以按人们期望的形式,(,深度或体积,),标定并显示。,显示在屏幕上，或其他基于时间的显示或记录装置上。,4.1.7,气泡式液位计,吹泡式液位计是应用静压原理测量敞口容器液位。,压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路,一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；另一路进入压力计进行指示。,当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。,背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。,吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于测量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。,4.1.8,压力式液位计,测量液体重量或液面高度的同时还要求以电信号形式输出，就可以用压力式液位计。最典型的应用是压敏电阻传感器。,在压力式液位计中，被侧压力将使一个膜片产生变形，这种膜片的变形经过压敏电阻传感器给出一个与压强对应的电信号。,压力式液位计放置在将要被测量液体深度的容器里，液体的液面高度的任何变化都会使传感器产生一个与之成比例变化的输出信号。,压强为,P=,gh,则液面高度为,h=P/,g,式中：,-,液体的密度，单位为,kg/m,3,g-,重力加速度,单位为,m/s,2,h-,液体的高度,单位为,m,可以看出，由于液体的密度,和重力加速度,g,均为常数，对于一个给定横截面尺寸的容器来说，液面高度,h,与压强,P,成正比。,4.2,重量或力的测量,4.2.1,测力传感器,测力传感器是一种通常利用应变片测量未知力,(,有时称为负载,),或质量的传感器。,电阻值为定值的传感元件将被布置在单臂电桥中，其测量的精度取决于所用应变片的类型。,单臂电桥以适当的应变方式调制要读数的信号，电桥的输出电压与所加负载的大小有关。,由温度变化而引起的误差可以通过相匹配的应变片来使其最小化。,单臂电桥布置图,测力传感器常用于下列测量：,存储料斗中的材料重量；,过桥车辆的重量；,容器里液体的液位或体积（如果重量是已知的，那么可以换算出其体积或液位）。,这种仪器具有精确,.,、耐用和相对廉价的优点，而且可用于很宽的测量范围。,应变片侧力传感器的说明书,说明书中说明了传感器的下列特性：精确度、线性度、重复性、过载等。,我们将在第,11,章应用实例中再次讨论。,4.2.2,天平与秤,天平与秤是利用平衡原理来确定未知质量和力,(,重量,),的测量装置。,中心支点的天平标定,作用在未知质量物体上的重力,Wx,与已知的重力,W,进行比较。,天平是一个已知力和未知力到支点,(,支承轴,),的距离相等的杠杆。,平衡条件是通过给右边盘中逐渐增加已知质量的砝码直到杠杆达到水平的方法实现的。,一个带有滑移质量块的天平要进行调平衡。,先通过增加已知质量块,(,砝码,),到天平盘上以达到粗略平衡，然后通过移动滑移质量块,(Ws),到最佳位置，从而使天平达到精确平衡。,Wxa=Wb+Wsc,，,Ws,是一定的，距离,c,能够被直接确定出来，在水平横梁上通常有一个沿质量块滑移方向标定好的刻度。,为了增大或减小天平的测量范围，可以通过相应地增减天平底盘上的已知质量块来实现。,4.2.3,弹簧秤,图所示为一种典型的、商业通用的弹簧秤，其弹簧的一端被固定，另一端被所施加的未知力,(,重量,),下，拉伸。,弹簧的伸长量与所受的力成正比,(,胡克定律,),，其刻度按照力的单位,(N),或质量的单位,(kg),进行标定。,胡克定律：,弹性材料在其弹性变形范围内的应变与所受到的力成正比。,材料不再遵循胡克定律的应力值称为弹性变形的极限值。,用弹簧秤的方法不能获得很高的精确度，但它提供了一种简便而容易实现的测量质量和力的方法。,通过把弹簧秤与电位器结合可以得到一种与所受载荷大小成正比的电信号输出。,弹簧秤将所受的力转换成位移，而电位器又将这种位移转换成电信号输出，这是一种能够实现远程测量质量、力、液面、体积和压强的简单而又廉价的方法，电位差计产生一个与力成比例的电信号输出。,必须注意，在输出信号中所得到的是正在发生的运动,(,位移,),的实际变化。,本章小结,在本章中我们学习了液位、液体、质量、力,(,重量,),以及体积等参数的测量方法，它们是之间相互关联的，并且学习了测量它们的若干种常用的装置。,在实际应用中，还有很多这样的装置可以变通应用。通常，在一个系统中往往要用到不止一种装置，甚至是几种装置的集成。,