现代检测技术 第14章 物位测量

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图14-4 电容式物位传感器原理示意图
14.4超声波物位传感器


超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制 成的。如果已知从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为 止的时间间隔，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对我们 进行测量。 根据发射和接收换能器的功能，可分为单换能器和双换能器。单换能 器的传感器发射和接收超声波均使用同一上换能器，而双换能器的传 感器发射和接收各由换能器一个来完成。
当液位高度为 H 时，浮筒受到液体的浮力作用而向上移动，设浮 筒实际浸没在液体中的长度为 h ，浮筒移动的距离即弹簧的位移 变化量为x ，即H h x 。当浮筒受到的浮力与弹簧力和浮筒的重 力相平衡时，有 mg Ah g C( x0 x) (14-3) 为浸没浮筒的液体密度 式中， 将式(14-2)代入上式并整理得 Ah g Cx (14-4) 一般情况下， h x ，所以，从而被测液位可表示为 C (14-5) H x
14.1浮力式液位检测 14.2差压式液位计 14.3电容式物位计 14.4超声波物位传感器



物位是容器中液体的液位、粉状或颗粒状固体物料的料位 及两种介质相界面位置的总称。液位是指开口容器或密封容 器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为液位计； 料位是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用来测量 料位的仪表称为料位计；相界面是指两种液体介质的分界面， 用来测量分界面的仪表称为界面计。 物位检测在现代工业生产过程中具有重要地位。一方面通 过物位检测可确定容器里的原料、半成品或成品的数量，以保 证能连续供应生产中各个环节所需的物料或进行经济核算；另 一方面是通过检测，连续监视或调节容器内流入和流出物料的 平衡，使之保持在一定的高度，使生产正常进行，以保证产品 的质量、产量和安全。一旦物位超出允许的上、下限则报警， 以便采取应急措施。 为满足生产过程物位检测的要求，目前已建立起各种各样 的物位检测方法，如直读法、浮力法、静压法、电容法、 核辐射法、超声波法以及激光法、微波法等。
14.3电容式物位计


电容式物位传感器是利用被测物的介电常数与空气(或真空)不同的 特点进行检测，电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的 测量电路组成。适合于各种导电、非导电液体的液位和粉状料位 的远距离连续测量和指示，也可与其它仪表配套使用，实现物位 的自动记录、控制和调节。由于它的传感器结构简单，没有可动 部分，因此应用范围较广。 电容式物位计的工作原理是通过电容传感器把物位转换成电容量 的变化，然后再用测量电容量的方法求得物位的数值。


1—浮标；2—磁铁；3—铁心；4—导轮；5— 非导磁管；6—浮球；7—连杆；8—转运轴； 9—称锤；10—标杆 返回课程 图14-2 浮子式液位计示意图
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图14-3 变浮力式液位计原理图
14.1.2变浮力式液位检测

变浮力式(沉筒式)液位计工作原理如图14-3所示，它是利用浮 筒在被测液体中浸没高度不同以致所受浮力不同来实现液位检 测的。将一横截面积为，质量为的空心金属圆筒(浮筒)悬挂在 弹簧上，弹簧的下端固定，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时， mg Cx0 则有 (14-2) x0 — 弹簧由于浮筒重力产生的位移。 式中，C— 弹簧的刚度；
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当液位上升时，浮子所受浮力增加，则，使原有平衡关系被破坏，浮 子向上移动。但浮子向上移动的同时，浮力下降， 增加，直到又重 新等于时，浮子将停留在新的液位上，反之亦然。因而实现了浮子对 液位的跟踪。式（14-1）中的与可认为是常数，因此浮子停留在任何 高度的液面上时，值不变，故称此法为恒浮力法。这种方法实质上是 通过浮子把液位的变化转换为机械位移的变化。在实际应用中，可通 过机械传动机构带动指针对液位进行指示，还可以通过电或气的转换 器把机械位移转换为电信号或气信号。 图14-2(a)所示为浮子式液位计。在密闭容器中设置一个测量液位的 通道，在通道的外侧装有浮标1和磁铁2，通道内侧装有铁心3。当浮 子随液位上下移动时，铁心被磁铁吸引而同步移动，通过绳索带动指 针指示液位变化。 图14-2(b)为适用于高温、粘度大的液体的液位计，浮球6是不锈钢的 空心球，通过标杆7和转运轴8连接，配合9用来调节液位计的灵敏度， 使浮球刚好一半浸没在液体中。浮球随液位升降而带动转轴旋转，指 针就在标尺上指示出液位值。


迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应， 只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大 迁移同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的平移，不 改变量程的大小。例如某差压变送器的测量范围为 0 ~ 5000Pa ,当压 差由0变化到5000 Pa时，变送器的输出将由4mA 变化到 20mA ,这是 无迁移的情况。当有迁移时，假定固定压差为 (h2 h1 ) 2 g =2000
超声波发射和接收换能器可以设置在液体中，这样，超声波将在液体 中传播。由于超声波在液体中传播时衰减比较小，所以即使发出的超 声脉冲幅度较小，仍可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装 在兴衰成败的上方，让超声波在空气中传播。这种方式便于安装和维 修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。

14.2差压式液位计
差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液位产生的静压也相应变化 的原理而工作的。将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。容器上部 空间为干燥气体，其压力为 p0 ，则 p1 p0 gH (14-6) p2 p0 (14-7) 可得 (14-8) p p1 p2 gH


式中， p1 、 p2 — 分别为差压变送器正、负压室的压力 — 液位高度； H — 介质密度。


通常，介质的密度是已知的，测得的差压与液位高度成正比，把 测量液位转换为测量差压的总量了。 当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器 的负压室通大气即可。如不需远传信号，也可在容器底部安装压 力表，可直接在压力表上按液位进行刻度。

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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由上式可知，当液位变化时，浮筒产生的位移变化量与液位高度 成正比关系。变浮力式液位计实际上是将液位转换成浮筒的位移。 如在浮筒的连杆上安装铁心，可随浮筒一起上下移动，通过差动 变压器使输出电压与位移成正比关系。 沉筒式液位计适应性能好，对粘度较高的介质、高压介质及温度 较高的敞口或密闭容器的液位都能测量。液位信号可远传，用于 显示、报警和自动控制。
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图14-1 恒浮力式物位测量原理图
14.1浮力式液位检测

浮力式液位检测主要分为通过测量漂浮于被测液面上 的浮子随液面变化而产生的位移来检测液位的恒浮力式检 测和利用沉浸在被测液体中的浮筒所受的浮力与液面位置 的关系来检测液位的变浮力式检测。
14.1.1恒浮力式液位检测

测量原理如图14-1所示，将浮子由绳索经滑轮与容器外的 平衡重物相连。利用浮子所受重力与浮力之差与平衡重物 的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上，则平衡关系为 (14-1) W-F=G 式中，W—浮子所受重力；F—浮子所受浮力；G—平衡重物 的重力。