检测技术与传感器(第七章物位检测技术)

两种不溶液体介质的分界面的高低和固体粉末 状颗粒物料的堆积高度等的总称。 ¡ 物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。
™意义
¡ 确定容器内储存量 ¡ 通过测量达到控制物位
第七章 物位检测技术
¡ 基本概念
™按其工作原理分类 ¡ 直读式物位计 根据流体的连通性原理测量液位。 ¡ 静压式物位计 根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静(差) 压力的变化的原理测量物位。 ¡ 浮力式物位计 根据浮子高度随液位高低而改变，或液体对浸沉在 液体中的浮子(或称沉筒)的浮力随液位高度变化而 变化的原理测量液位。
™ 等效电路 ™ 边缘效应 ™ 静电引力 ™ 寄生电容 ™ 温度影响 ¡ 温度对结构尺寸的影响 ¡ 温度对电解质介质的影响 ™介电常数变化 ™ 电极挂料影响
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 检测原理
¡ 超声波一般频率高于 20 kHz； ¡ 超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现
的，最广泛的超声波换能器是电—声换能器， 压电晶体换能器就是常用的换能器之一； ¡ 超声波物位检测的基本原理：根据声波在介质 中传播速度，衰减以及在界面的反射等特性进 行。
™检测原理
¡ 基于浮力原理，适用于液
位的检测。 ¡ 浮力式物位检测有两种方 法：恒浮力式，变浮力式。
第七章 物位检测技术
¡ 浮力式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 变浮力式
截面积相同圆空心金属浮筒悬挂 在弹簧上，当液位变化使浮筒一 部分被液位浸泡时，受液位浮力 作用，浮筒向上移动，重新平衡。
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表 ™ 检测原理 ¡ 由于物料(液体)上方的自由空间有大气压力，则 根据静力学原理，有
p = p0 + ρgH
p − p0 ∆p H= = ρg ρg
¡ 因此要知道物位，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。为此要用差压 检测仪表。 ¡ 对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装 压力(差压)传感器； ¡ 对于不易在壁面开孔(常压容器)或容器在地面以 下的，可导用投入式压力传感器，将压力传感 器投到容器的底部。
检测技术与传感器
Measurement Technology and Sensors
信息科学与技术学院
College of Information Science and Technology
王建林 教授 博士生导师
Prof. Jianlin Wang E-mail:wangjl@mail.buct.edu.cn
第七章 物位检测技术
¡ 基本概念
™按其工作原理分类 ¡ 电气式物位检测仪表 把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。 ¡ 声学式物位检测仪表 根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物 位。 ¡ 射线式物位检测仪表 根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物 质层的厚度变化而变化的原理测量液位。 ¡ 其他形式物位检测仪表 如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。
第七章 物位检测技术
¡ 浮力式液位检测仪表 ™ 问题
¡ 如图4所示，采用差
压变送器测量液位高度 H，已知ρ1为被测液体 密度，ρ2为隔离液的密 度,且ρ1 > ρ2 ，为h1，h2 已知高度，试确定差压变 送器的量程和迁移量。
ρ2
p0
H ρ2 h1 ρ1
h2
第七章 物位检测技术
¡ 浮力式液位检测仪表
第七章 物位检测技术
¡ 重点内容 ™ 基本概念 ™ 静压式液位检测仪表 ™ 浮力式液位检测仪表 ™ 电容式物位检测仪表 ™ 超声式物位检测仪表 ™ 磁致伸缩物位检测仪表
第七章 物位检测技术
¡ 基本概念
™ 物位 ™ 分类 ™ 检测原理
¡ 静压式液位检测仪表
™ 差压法检测原理 ™ 量程迁移
¡ 浮力式液位检测仪表
™ 检测原理
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 超声式液位检测仪表
™ 检测原理 ™ 超声波的接收和发射
¡ 其他物位检测仪表
™ 射线式物位检测仪表 ™ 微波式物位检测仪表 ™ 磁致伸缩式液位检测仪表
第七章 物位检测技术
¡ 基本概念
™物位
¡ 物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、
™微波物位检测仪表：检测原理
¡ 微波波长 1 mm～1 m 的电磁波，具有电磁波的性
质，不同于普通无线电波和光波。 ¡ 定向辐射的装置容易制造。 ¡ 遇到各种障碍物易于反射，绕射能力较差。 ¡ 传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强 光等影响较小。 ¡ 介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的 吸收作用最强。
¡ 被测介质为导电性液体，电
极要用绝缘物覆盖作为中间介 质，而液体和外圆筒一起作为 外电极。 2πε3 C ≈ C0 + ln h (R/r) ¡ 几何尺寸一定、被测介质 一定时，电容的变化量是 被测介质物位的线性函数。
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
™ 介电常数
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
第七章 物位检测技术
¡ 基本概念
™ 根据具体用途分为液位、料位、界位传
感器。 ™ 检测原理
¡ 基于力学原理 ¡ 基于相对变化原理 ¡ 基于某强度性物理量随物位的升高而增加原
理
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关
p = ρgH
第七章 物位检测技术
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 检测原理
¡ 声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不
同、声速不同的介质分界面，将产生反射和折射，反 射率为 Z2cosα − Z1cosβ2 IR R= I = Z cosα + Z cosβ 0 2 1
¡ 声波从液体或固体传播到气体，由于两种介质的密度
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™微波物位检测仪表：检测原理
¡ 微波传感器由振荡器与微波天线等构成Fra Baidu bibliotek ct h= 2 ct2 − s2 h= 2
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™微波物位检测仪表：检测原理
¡ 测量准确 ¡ 可靠性强、寿命长 ¡ 几乎可以测量所有介质 ¡ 安全节能
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™射线式物位检测仪表：检测原理 ¡ 当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透 强度随物质的厚度而减小，其变化规律为
I = I0e−µx ¡ 不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大、液 体其次、气体最小。
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™射线式物位检测仪表：检测原理 ¡ 检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。 ¡ 实现方法 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。因此用放射线进行物 位检测有多种方式。
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™量程迁移 ¡ 利用差压变送器测量密闭容器液位时，由于现场的 安装条件不同，存在量 程无迁移、正迁移 和负迁移三种情况。 ¡ 无迁移 当差压变送器的测量室与容器 最低液位安装在同一水平面上 时无迁移。
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™量程迁移 ¡ 正迁移 差压变送器输出增加了一 个固定的压差 ∆p = ρgH + ρgh = ρgH + C
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 检测原理
¡ 采用单探头时
vt h= 2
¡ 采用双探头时
vt2 − 2
h=
a2
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 超声波的接收和发射 ¡ 基于压电效应和逆压电效应 ™实现方法
超声波传播速度的补偿方法有
¡ 温度补偿 ¡ 设置校正具
需要抵消此作用，其方法 叫做正迁移。
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™量程迁移 ¡ 负迁移 差压变送器输出减少了一 个固定的压差 ∆p = ρgH − ρg(H0 − h) = ρgH − B
需要抵消此作用，其方法 叫做负迁移。
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™量程迁移
¡ 差压变送器输出受到附加静压的影响
第七章 物位检测技术
¡ 静压式液位检测仪表
™量程迁移 ¡ 调整变送器的迁移弹簧实现量程迁移。液位由零变 化到最高液位时，差压由零变化到最大，变送器输 出从下限变化到上限。 ¡ 零点迁移弹簧的作用，改变测量范围的上下限值， 实现测量范围平移，不改变量程的大小。 ¡ 差压变送器中，都注有是否带正、负迁移装置。型 号后面加“A” 为正迁移，加“B” 为负迁移，根据现 场要求正确使用。 ™隔离罐 ¡ 隔离被测液位介质腐蚀差压变送器。
™ 检测原理
¡ 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。
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 检测原理
¡ 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。
¡ 浮力式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 重力与弹力平衡时
mg = Cx0 H = h + ∆x mg − ρghA = C(x0 − ∆x)
当 h >> ∆x, H ≈ h C H≈ ∆x ρgA
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 检测元件为一圆筒式电容器。
由两个圆筒形金属导体中间隔以 绝缘物质构成圆筒形电容器。 ¡ 当两圆筒中间所充介质为空气时， 该圆筒间的电容量为 2πε1L C0 = ln(R/r)
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™ 微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较
微 波类型 反射特性 压力影响 温度影响 传播速度 测量盲区 动态范围 传播环境 电磁波 在不同介电常数的界面上反射 微不足道 微不足道 约 3×108m/s（真空中） 到天线顶端 高达 150 dB 很少受气相环境影响 波 机械波 在不同声阻抗的界面上反射 很小 需温度补偿 约 334 m/s（空气中，20℃） 离辐射面＞250 mm 高达 100 dB 要求均一的气体环境 超 声 波
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
™ 检测原理
¡ 如果电极的一部分被液体(物料)
所浸没时 2πε1(L − H) 2πε2H C = + ln(R/r) ln(R/r) 2π(ε2 − ε1)H = C0 + ln(R/r) = C0 + ∆C
第七章 物位检测技术
¡ 电容式液位检测仪表
™ 检测原理
固定距离标志法
L
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 超声波物位计的特点 ¡ 能定点及连续测量物位，并提供遥控信号； ¡ 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； ¡ 能实现非接触测量，适用于有毒、高粘度及密封容 器内的液位测量； ¡ 能实现安全火花型防爆。 ¡ 若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误 差。
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™ 微波物位检测仪表：检测原理
¡ 微波物位计又称雷达物位仪。 ¡ 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时间来计 算出所测量的物位。
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
相差悬殊，声波几乎全部被反射。
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
™ 检测原理
¡ 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 ¡ 传感器放置位置的介质不同可分为： 气介式、 液介式和固介式三类 ¡ 超声波传感器既可采用单探头，也可采用双 探头。
第七章 物位检测技术
¡ 超声波物位检测仪表
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™磁致伸缩式液位检测仪表：检测原理 ¡ 磁致伸缩效应定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居里 点温度以下，其磁状态的变化而使物质在形状和尺 寸上变化的现象。 ¡ 在铁磁质中存在许多体积很小 的区域，每个小区域内部都自 发地磁化到饱和状态，自发磁化 地区域称为磁畴。
铁磁质的磁畴
第七章 物位检测技术
¡ 其他物位检测仪表
™磁致伸缩式液位检测仪表：检测原理
¡ 铁磁材料的磁致伸缩，是由于自发磁化时
H H
导致物质的晶格结构改变，使原子间距发 生变化而产生的现象。 ¡ 外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁 质磁化方向上磁质会伸长（或缩短）； ¡ 外磁场方向与磁质磁化方向垂直时，在磁 质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。