《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第四节第四节 物物 位位 检检 测测 仪仪 表表3.4.1概述概述物位物位液体介质液面的高低液体介质液面的高低两种液体介质的分界面的高低两种液体介质的分界面的高低固体块、散粒状物质的堆积高度固体块、散粒状物质的堆积高度液位计液位计界面计界面计料位计料位计物物位位计计液位液位界面界面料位料位物位检测物位检测确定储存量确定储存量物料平衡物料平衡保证产量保证产量经济核算经济核算物位检测的物位检测的主要方法主要方法u静压式物位计静压式物位计u浮力式物位计浮力式物位计u电气式物位计电气式物位计u声学式物位计声学式物位计u射线式物位计射线式物位计u微波物位计微波物位计u磁致伸缩物位计磁致伸缩物位计物位检测的物位检测的主要方法主要方法1静压式物位计静压式物位计根根据据流流体体静静力力学学原原理理，静静止止介介质质内内某某一一点点的的静静压压力力与与介介质质上上方方自自由由空空间间压压力力之之差差与与该该点点上方的介质高度成正比上方的介质高度成正比，因此可利用差压来检测液位，这种方法一般只用在液位的检测。，因此可利用差压来检测液位，这种方法一般只用在液位的检测。2浮力式物位计浮力式物位计利利用用漂漂浮浮于于液液面面上上浮浮子子随随液液面面变变化化位位置置，或或者者部部分分浸浸没没于于液液体体中中物物质质的的浮浮力力随随液液位位变变化来检测液位化来检测液位，前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，二者均用于液位的检测。，前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，二者均用于液位的检测。3电气式物位计电气式物位计把把敏敏感感元元件件做做成成一一定定形形状状的的电电极极置置于于被被测测介介质质中中，则则电电极极之之间间的的电电气气参参数数，如如电电阻阻、电容等，随物位的变化则改变电容等，随物位的变化则改变。这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测。这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测。4声学式物位计声学式物位计利利用用超超声声波波在在介介质质中中的的传传播播速速度度及及在在不不同同相相界界面面之之间间的的反反射射特特性性来来检检测测物物位位。液液位位和和料位的检测都可以用此方法。料位的检测都可以用此方法。5射线式物位计射线式物位计放射性同位素放射性同位素所放出的射线穿过被测介质因被其吸收而减弱，吸收程度与物位有关所放出的射线穿过被测介质因被其吸收而减弱，吸收程度与物位有关。6微波物位计微波物位计微波属于电磁波，在一定条件下，微波属于电磁波，在一定条件下，传播速度一定，可测量微波从传感器传播到物料表传播速度一定，可测量微波从传感器传播到物料表面并返回到传感器的时间实现物位测量面并返回到传感器的时间实现物位测量。7磁致伸缩物位计磁致伸缩物位计利用利用磁致伸缩效应实现物位测量磁致伸缩效应实现物位测量。3.4.2 静压式物位检测静压式物位检测检测原理检测原理 静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。静压也随之变化的原理。若若PA为大气压，上式变为：为大气压，上式变为：当被测介质密度为已知时，两点当被测介质密度为已知时，两点的压力差的压力差P或或B点的表压力点的表压力P与液与液位高度位高度H成正比，这样就成正比，这样就把液位把液位的检测转化为压力差或压力的检的检测转化为压力差或压力的检测测，选择合适的压力（差压）检，选择合适的压力（差压）检测仪表可实现液位的检测。测仪表可实现液位的检测。实现方法实现方法 直接用压力检测仪表对液位进行检测。直接用压力检测仪表对液位进行检测。方法是将压力仪表通过引压导管与容器方法是将压力仪表通过引压导管与容器底侧零液位相连。底侧零液位相连。要要求求液液体体密密度度为为定定值值，否否则则会会引引起起误差。误差。压压力力仪仪表表实实际际指指示示的的压压力力是是液液面面至至压压力力仪仪表表入入口口之之间间的的静静压压力力，当当压压力力仪仪表表与与取取压压点点（零零液液位位）不不在在同同一一水水平平位位置置时时，应应对对其其位位置置高高差差而而引引起起的的固定压力进行修正。固定压力进行修正。q被测对象为敞口容器被测对象为敞口容器容器下部的液体压力除与液位高度有容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。关外，还与液面上部介质压力有关。可以用可以用测量差压测量差压的方法来获得液位的方法来获得液位差压检测法的差压指示值与液位高度有关差压检测法的差压指示值与液位高度有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关当这些因素影响较大时必须进行修正当这些因素影响较大时必须进行修正q被测对象为密闭容器被测对象为密闭容器抵消了容器上部压力变化对测量的影响。引引压压导导管管易易被被腐腐蚀蚀或或堵堵塞塞，影影响响测测量量精精度，应用度，应用法兰式压力（差压）变送器。法兰式压力（差压）变送器。敏敏感感元元件件为为金金属属膜膜盒盒，它它直直接接与与被被测测介介质质接接触触，省省去去引引压压导导管管，从从而而克克服服导导管管的的腐腐蚀蚀和和阻阻塞塞问问题题。膜膜盒盒经经毛毛细细管管与与变变送送器器的的测测量量室室相相通通，它它们们所所组组成成的的密密闭闭系系统统内内充充以以硅硅油油，作作为为传传压压介介质质。为为了了毛毛细细管管经经久久耐耐用用，其其外外部部均均套套有有金金属属蛇蛇皮保护管。皮保护管。p对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质量程迁移量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。处理方法处理方法对压力变送器进行零点调整，对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静压力时输出使在只受附加静压力时输出为为“零零”。量程迁移量程迁移量程量程迁移迁移无迁移无迁移负迁移负迁移正迁移正迁移Hh量程迁移量程迁移n无迁移无迁移保证正压室与零液位等高保证正压室与零液位等高当当H为零时，差压输为零时，差压输出为零。出为零。差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准信号输出。信号输出。量程迁移量程迁移n负迁移负迁移形形成成原原因因：加加隔隔离离罐罐或或采采用法兰式测压差。用法兰式测压差。正压室：正压室：负压室：负压室：差压：差压：当当H=0时，差压的输出并不为零，而是时，差压的输出并不为零，而是-B。为使。为使H=0时，差变的输出为时，差变的输出为4mA，就要消除，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。所以称为负迁移。量程迁移量程迁移n正迁移正迁移正压室：正压室：负压室：负压室：压差：压差：当当H=0时，差压输出并不为时，差压输出并不为零，其值为零，其值为其迁移量为正值，所以称为正迁移。其迁移量为正值，所以称为正迁移。综上所述综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，而量程范围不变。变量程的上下限，而量程范围不变。量程迁移量程迁移a无迁移无迁移 b负迁移负迁移 c正迁移正迁移使用注意事项：习惯上应使变送器输出信号与液位相对应(如液位范围0-H，则差变输出的Imin正好对应0液位，而Imax对应H)，使用时可能需对差压变送器进行零点迁移。如图所示，差压变送器两端差压P为：P=(h+h1+h2)g=hg+Z0 (Z00)显然可由差压信号得到液位。但为使变送器输出信号(这里是4-20mA)正好对应液位(0-H)，要进行零点正迁移()。为什么要进行零点迁移的实例说明 设前页图中H=0.5m，h1+h2=0.2m，则根据H选DDZ-III差变量程为04.905kPa(0.59.81)，而Z0=1.962kPa。若不迁移，则当h=H时，P=6.867kPa，I020mA，已超出差变正常使用范围。需采取措施解决此问题：方法一：另选大量程差压变送器【缺点：会降低测量精度】。方法二：进行零点迁移。将变送器的零点正向迁移到Z0=1.962kPa的位置，迁移后，上、下限变为1.962kPa和6.867kPa，但量程不变，仍为4.905kPa，输出仍是420mADC。显然进行零点迁移方法为最佳方案。特性曲线平移而曲线斜率不变称为零点迁移。分为零点正迁移（Z00）、零点负迁移（Z0 x，所以有所以有H=h，则，则即即弹弹簧簧的的位位移移量量与与液液位位成成正正比比。浮浮筒筒的的连连杆杆上上连连接接有有一一铁铁芯芯，随随着着浮浮筒筒的的位位移移在差动变压器内上下移动输出位移信号。在差动变压器内上下移动输出位移信号。变浮力式物位检测变浮力式物位检测浮子改成浮筒，将它半浸于液体之中，当液面变化时，浮筒被液体浸没的体积随着变化而受到不同的浮力，通过测量浮力的变化可以测量液位。1-浮筒，浮筒，2-杠杆，杠杆，3-扭力管，扭力管，4-芯轴，芯轴，5-推杆，推杆，6-霍尔位移转换器霍尔位移转换器浮力式液位计浮力式液位计 1-浮子；浮子；2-磁铁；磁铁；3-铁心；铁心；4-导轮；导轮；5-非导磁管；非导磁管；6-浮球；浮球；7-连杆；连杆；8-转动轴；转动轴；9-重锤；重锤；10-杠杆杠杆(a)浮子式浮子式(敞口容器敞口容器)(b)浮子式浮子式(密闭容器密闭容器)(c)浮球式浮球式3.4.4 电容式物位计电容式物位计电容式物位计是利用敏感元件（电容器）直接把物位变化转换电容式物位计是利用敏感元件（电容器）直接把物位变化转换为电容量的变化为电容量的变化 由两个长度由两个长度L，半径分别为，半径分别为R和和r的圆筒金属的圆筒金属导体组成。当两圆筒间充以介电常数为导体组成。当两圆筒间充以介电常数为1的的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为：为：如如果果两两圆圆筒筒形形电电极极间间的的一一部部分分被被介介电电常常数数为为2的的液液体体所所浸浸没没，设设被被浸浸没没的的电电极极长长度度为为H，此时的电容量为，此时的电容量为当当圆圆筒筒形形电电容容器器的的几几何何尺尺寸寸L、R和和r保保持持不不变变，且且介介电电常常数数也也不不变变时时，电电容容器器电电容容增增量量C与与电电极极被被介介电电常常数数为为2的的介介质质所所浸浸没没的的高高度度H成成正正比比关关系系。另另外外，两两种种介介质质的的介介电电常常数数的的差差值值（21）越大，则）越大，则C也越大，说明相对灵敏度越高。也越大，说明相对灵敏度越高。3.4.4 电容式物位计电容式物位计对于被测介质为导电性液体，则电极将被导电的液体短路。因对于被测介质为导电性液体，则电极将被导电的液体短路。因此，电极要用绝缘材料覆盖。此，电极要用绝缘材料覆盖。可导出：可导出：3.4.4 电容式物位计电容式物位计粉粒状物料电容传感器 在测量粉粒状非导电介质如矿石、合金、石灰、干燥水泥、粮食等的料位，是长期困扰的难题，至今还没有一个准确可靠的测量方法。电容式料位计原理电容式料位计原理(a)金属料仓；金属料仓；(b)水泥料仓水泥料仓1-内电极内电极;2-金属容器壁电极金属容器壁电极;3-钢丝绳内电极钢丝绳内电极;4-钢筋钢筋;5-绝缘体绝缘体电电容容式式物物位位检检测测的的基基本本原原理理是是将将物物位位的的变变化化转转换换为为由由插插入入电电极所构成的电容器的电容量的改变。极所构成的电容器的电容量的改变。电电容容式式物物位位计计主主要要由由电电极极（敏敏感感元元件件）和和电电容容检检测测电电路路组组成成。由由于于电电容容的的变变化化量量较较小小，因因此此准准确确检检测测电电容容量量是是物物位位检检测测的的关关键键。目目前前在在物物位位检检测测中中，常常见见的的电电容容检检测测方方法法主主要要有有交交流流电桥法电桥法、充放电法充放电法和和谐振电路法谐振电路法等。等。3.4.4 电容式物位计电容式物位计3.4.5超声波物位计超声波物位计超声波性质超声波性质（1）超超声声波波可可以以在在气气体体、液液体体及及固固体体中中传传播播，并并有有各各自自的的传传播播速速度度。例例如如在在常常温温下下空空气气中中的的声声速速约约为为334m/s，在在水水中中的的声声速速约约为为1440 m/s，而而在在钢钢铁铁中中约约为为5000 m/s。声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温度）有关。声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温度）有关。（2）声声波波在在介介质质中中传传播播时时会会被被吸吸收收而而衰衰减减，气气体体吸吸收收最最强强而而衰衰减减最最大大，液液体体其其次次，固固体体吸吸收收最最小小而而衰衰减减最最小小，因因此此对对于于一一给给定定强强度度的的电电波波，在在气气体体中中传传播播的的距距离离会会明明显显比比在在液液体体和和固固体体中中传传播播的的距距离离短短。另另外外声声波波在在介介质质中中传传播播时时衰衰减减的的程程度度还还与与声声波波的的频频率率有有关关，频频率率越越高高，声声波波的的衰衰减减也也越越大大，因因此此超超声声波波比比其其他声波在传播时的衰减更明显他声波在传播时的衰减更明显。（3）声声波波传传播播时时的的方方向向性性随随声声波波的的频频率率的的升升高高而而变变强强，发发射射的的声声束束也也越越尖尖锐锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。（4）当当声声波波从从一一种种介介质质向向另另一一种种介介质质传传播播时时，因因为为两两种种介介质质的的密密度度不不同同和和声声波波在在其其中中传传播播的的速速度度不不同同，在在分分界界面面上上声声波波会会产产生生反反射射和和折折射射，其其反反射射系系数数R为：为：式中式中 I IR R、I I0 0反射和入射声波的声强；反射和入射声波的声强；、声波的入射角和反射角；声波的入射角和反射角；Z Z1 1、Z Z2 2两种介质的声阻抗，其值为两种介质的声阻抗，其值为Z Z1 1=1 1v v1 1，Z Z2 2=2 2v v2 2 。在声波垂直入射时，在声波垂直入射时，0，0则，其反射系数变为则，其反射系数变为假假设设声声波波从从水水传传播播到到空空气气，在在常常温温下下它它们们的的声声阻阻抗抗约约为为Z11.44106，Z24102，则得，则得R0.999。说说明明当当声声波波从从液液体体或或固固体体传传播播到到气气体体，或或相相反反的的情情况况下下，由由于于两两种种介介质质的的声声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。3.4.5 超声波物位计超声波物位计 根据超声波传播介质的不同，超声波液位计分为液介式、气介式和固介式三种。(a)液介式液介式 (b)气介式气介式 (c)固介式固介式1-换能器；换能器；2-容器；容器；3-金属波导棒金属波导棒 超声波检测原理超声波检测原理利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。超超声声波波发发射射器器被被置置于于容容器器底底部部，当当它它向向液液面面发发射射短短促促的的脉脉冲冲时时，在在液液面面处处产产生生反反射射，回回波波被被超超声声接接收收器器接接收收。若若超超声声发发射射器器和和接接收收器器到到液液面面的的距距离离为为H，声声波波在在液液体体中中的的传传播播速速度度为为v，则有如下简单关系：则有如下简单关系：超声波的接收和发射超声波的接收和发射超超声声波波的的接接收收和和发发射射是是基基于于压压电电效效应应和和逆逆压压电电效效应应。具具有有压压电电效效应应的的压压电电晶晶体体在在受受到到声声波波声声压压的的作作用用时时，晶晶体体两两端端将将会会产产生生与与声声压压变变化化同同步步的的电电荷荷，从从而而把把声声波波（机机械械能能）转转换换成成电电能能；反反之之，如如果果将将交交变变电电压压加加在在晶晶体体两两个个端端面面的的极极上上，沿沿着着晶晶体体厚厚度度方方向向将将产产生生与与所所加加交交变变电电压压同同频频率率的的机机械械振振动动，向向外外发发射射声声波波，实实现现了了电电能能与与机机械械能能的的转转换换。因因此此，用用作作超超声声发发射射和和接接收收的压电晶体也称的压电晶体也称换能器换能器。换能器的核心是压电片，根据不同的需要，换能器的核心是压电片，根据不同的需要，压电片振动方式有很多，如薄片的厚度振动，压电片振动方式有很多，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用振动，弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用的最多。的最多。在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。采用较高能量的超声波：采用较高能量的超声波：可以增加声波在介质中传播的距离，适用于物位测量范围较大的检测系统；可以增加声波在介质中传播的距离，适用于物位测量范围较大的检测系统；有利于提高检测系统的测量精度。有利于提高检测系统的测量精度。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。具具有有较较高高能能量量的的超超声声波波在在液液体体介介质质中中传传播播易易产产生生空空化化效效应应，大大量量空空化化气气泡泡的的形形成将使超声波在介质中传播时被吸收；成将使超声波在介质中传播时被吸收；引引起起介介质质的的温温升升效效应应，超超声声能能量量超超高高，温温升升也也超超高高，易易使使介介质质特特性性发发生生变变化化，从而降低测量精度。从而降低测量精度。措施措施：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。既减小了单位时间内超声波：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。既减小了单位时间内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温升效的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温升效应等以及节约仪器的能耗，后者可提高测量精度。应等以及节约仪器的能耗，后者可提高测量精度。超声波的接收和发射超声波的接收和发射超超声声波波换换能能器器除除了了采采用用压压电电材材料料外外，还还有有磁磁致致伸伸缩缩材材料料。在在某某些些铁铁磁磁材材料料及及其其合合金金（如如镍镍、锌锌铁铁合合金金、铝铝铁铁合合金金等等）和和某某些些铁铁氧氧体体做做成成的的磁磁性性体体棒棒中中，若若沿沿某某一一方方向向施施加加磁磁场场，则则随随着着磁磁场场的的强强弱弱变变化化，材材料料沿沿这这一一方方向向的的长长度度就就会会发发生生变变化化，当当施施加加的的交交变变磁磁场场的的频频率率与与该该磁磁性性体体棒棒的的机机械械固固有有频频率率相相等等时时，磁磁性性体体棒棒就就会会产产生生共共振振，其其伸伸缩缩量量加加大大，这这种种现现象象称称为为磁磁致致伸伸缩缩效效应应，能能产产生这种效应的材料称为磁致伸缩材料。利用磁致伸缩效应可以来产生超声波。生这种效应的材料称为磁致伸缩材料。利用磁致伸缩效应可以来产生超声波。磁磁致致伸伸缩缩材材料料在在外外力力（或或应应力力、应应变变）作作用用下下，引引起起内内部部发发生生形形变变，产产生生应应力力，使使各各种种磁磁畴畴之之间间的的界界限限发发生生移移动动，磁磁畴畴磁磁化化强强度度矢矢量量转转动动，从从而而使使材材料料的的磁磁化化强强度度和和磁磁导导率率发发生生相相应应的的变变化化。这这种种由由于于应应力力使使磁磁性性材材料料磁磁性性质质变变化化的现象称为的现象称为压磁效应压磁效应，又称，又称逆磁致伸缩效应逆磁致伸缩效应。在在磁磁致致伸伸缩缩材材料料外外加加一一个个线线圈圈，可可以以把把材材料料的的磁磁性性的的变变化化转转化化为为线线圈圈电电流流的的变变化化，因因此此可可用用来来接接收收超超声声波波。此此外外，利利用用逆逆磁磁致致伸伸缩缩效效应应还还可可以以进进行行力力、压力等参数的检测。压力等参数的检测。超声波的接收和发射超声波的接收和发射补偿措施补偿措施物位检测的物位检测的精度主要取决于精度主要取决于超声脉冲的超声脉冲的传播时间传播时间和超声波在介质中的和超声波在介质中的传播速传播速度度。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施影响，因此，需要采取有效的补偿措施。温度补偿温度补偿 如如果果声声波波在在被被测测介介质质中中的的传传播播速速度度主主要要随随温温度度而而变变化化，声声速速与与温温度度的的关关系系为为已已知知，而而且且假假设设声声波波所所穿穿越越的的介介质质的的温温度度处处处处相相等等，则则可可以以在在超超声声波波换换能能器器附附近近安安装装一一个个温温度度传传感感器器，根根据据已已知知的的声声速速与与温温度度之之间间的的函函数数关关系，自动进行声速的补偿。系，自动进行声速的补偿。常用补偿方法常用补偿方法 温度补偿；设置校正具温度补偿；设置校正具设置校正具设置校正具 在被测介质中安装两组换在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成声探头，另一组用作构成声速校正用的探头。校正探速校正用的探头。校正探头到反射板的距离为已知头到反射板的距离为已知的固定长度的固定长度。由由于于校校正正探探头头到到反反射射板板的的距距离离为为已已知知，测测出出声声脉脉冲冲从从校校正正探探头头到到反反射射板板的的往往返时间，则可得声波在介质中的传播速度为：返时间，则可得声波在介质中的传播速度为：因为校正探头和测量探头在同一介质中，两者的传播速度相等因为校正探头和测量探头在同一介质中，两者的传播速度相等 从而消除了声速变化引起的测量误差。从而消除了声速变化引起的测量误差。超声波物位计特点 超声波物位计是不接触测量法，避免了被测介质的种种干扰和影响，适用于有毒、腐蚀性强、粘度高等介质的液位测量或报警。超声物位计的缺点是声速受介质的温度和压力的影响，介质的翻腾、气泡和浪涌也会使声波乱反射而产生测量误差，使其应用受到限制。检测原理检测原理当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，其变化规律为：的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，其变化规律为：式式中中：I0、I为为射射入入介介质质前前和和通通过过介介质质后后的的射射线线强强度度；为为介介质质对对射射线线的的吸吸收系数；收系数；H为射线所通过的介质厚度。为射线所通过的介质厚度。当射线源和被测介质一定时，当射线源和被测介质一定时，I0和和都为常数。测出通过介质后都为常数。测出通过介质后的射线强度的射线强度I，便可求出被测介质的厚度，便可求出被测介质的厚度H。3.4.6 射线式物位计射线式物位计检测系统组成检测系统组成射线式物位检测系统主要由射线式物位检测系统主要由射线源射线源、射线探测器射线探测器和和电子线路电子线路等部分组成。等部分组成。射线源射线源 主要从射线的种类、射线的强度以及主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。由于在物位检测中一般需要素和所使用的量。由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透力较强射线穿透的距离较长，因此常采用穿透力较强的的射线。射线。探测器探测器 射线探测器的作用是将其接收到的射射线探测器的作用是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。线强度转变成电信号，并输给下一级电路。电电子子线线路路 将将探探测测器器输输出出的的脉脉冲冲信信号号进进行行处处理理并转换为统一的标准信号。并转换为统一的标准信号。3.4.6 射线式物位计射线式物位计放射性物位计原理框图放射性物位计主要由放射源、接收器和显示仪表组成：物位检测方法 放射性物位计检测物位的方法，一般为有定点检测和自动跟踪等方式。根据被测对象的实际需要，放射源可有多种安装方式，以适应不同的物位检测和控制的要求。(一)定点放射源检测法点状放射源与接收器固定在设备的一定位置上。1-放射源放射源2-接收器接收器(二)跟踪检测法 跟踪式放射性物位计既保持了定点检测方式的优点，又可实现连续测量，并且量程可以很宽，但仪表的结构较复杂。跟踪式放射性物位计原理图跟踪式放射性物位计原理图1-放射源，放射源，2-接收器，接收器，3-导轨，导轨，4-放大器，放大器，5-执行器，执行器，6，7-自整自整角机发送接收器，角机发送接收器，8-显示仪表，显示仪表，9-远传指示仪表远传指示仪表放射性物位计的特点优点：(1)检测元件(放射源)不与被测介质直接接触；(2)放射源的辐射不受介质温度、压力等的影响；(3)适用性广【高压、高温、低温等容器中的高粘度、强腐蚀性、易燃、易爆等介质的物位、介质分界面、散料、块料的料位以及特殊环境下的物位厚度测量】。不足：是射线对人体有危害，使用时必须采取严格的防护措施。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，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，在一在一定条件下，微波传播速度是一定的定条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过，所以可以通过测量微波从传感器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来计算出所测量的物位雷达液位计雷达液位计3.4.7 微波物位计微波物位计 微波物位计也称雷达物位计。利用回波测距原理，由喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射，并被天线所接收。发射波与接收波的时间差与物料面与天线的距离成正比，测出传播时间即可得知距离。由于微波以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度，压力，蒸汽等场合，其它物位计不能正常工作，而微波物位计可以使用。微微 波波 超超 声声 波波波类型波类型电磁波电磁波机械波机械波反射特性反射特性在不同介电常数的界面上反射在不同介电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压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补偿需温度补偿传播速度传播速度约约 （真（真空中）空中）（空气中，（空气中，20）测量盲区测量盲区到天线顶端到天线顶端离辐射面离辐射面250动态范围动态范围高达高达150dB高达高达100dB传播环境传播环境很少受气相环境影响很少受气相环境影响要求均一的气体环境要求均一的气体环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 3.4.7 微波物位计微波物位计一、脉冲微波物位计 雷达天线面对物料发射微波，微波遇到物料后反射，反射微波被脉冲雷达天线接收。那么距离物料表面的距离D可通过脉冲的时间行程T来测得：D=cT/2 (c是光速)因空罐的距离E已知，则物位L为：L=E-D检测原理检测原理微波发射天线微波发射天线 通过输入空罐高度E(=零点)，满罐高度F(=满量程)及一些应用参数的设定，使输出信号对应于4-20mA输出。雷达液位计的测量不确定度 0.2s，输出信号均为420mA/HART，两线制。测量范围：035m；回波采样55次/s，精确度约为(0.20.3)%FS。二、调频微波物位计 调频微波物位计天线发射的微波是调频连续波【FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)，频率随一定时间间隔(即扫描频率)线性增加】。当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。三、导波式微波物位计 导波式微波物位测量采用时域反射法(TDR，Time Domain Reflectometry)，通常称导波雷达，采用脉冲波方式工作。与微波物位计不同点在于雷达发射的高频脉冲不是通过空间传播，而是沿一根(或两根)从罐顶伸入直达罐底的导波体传导。导波体可以是金属杆或柔性金属缆绳。结构：测量头，波导线，磁浮子组成。结构：测量头，波导线，磁浮子组成。原理：瞬时磁场产生应变脉冲以机械波形式原理：瞬时磁场产生应变脉冲以机械波形式传输。传输。通通过测量时间达到测量液位的目的。过测量时间达到测量液位的目的。3.4.7 磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计特点：精确度极高；温度稳定性极佳；传感器所需电量特点：精确度极高；温度稳定性极佳；传感器所需电量非常低；本质安全。非常低；本质安全。磁致伸缩液位计主要由电子头、探测杆、浮子三部分组成。探测杆由3条同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成，以提供保护作用；中间圆管可根据要求装配一个或多个测温传感器；最中心的是波导管，其内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝；在液位仪探测杆外配有内含磁铁随液位变化的浮子。结构图结构图工作原理 工作时，电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号(亦称询问脉冲，初始脉冲)，此电脉冲同时伴随一个环形磁场，以光速沿波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波(或称返回脉冲)。返回脉冲以固定音速(2830m/s，几乎不受温度、冲击、污染等环境因素的影响)沿波导丝传回，通过测量询问脉冲与返回脉冲的时间差可以精确地算出磁铁(浮子)的位置，从而确定被测液位。磁致伸缩传感器结构原理与工作波形图 磁致伸缩液位计结构精巧，安装简单方便，环境适应性强，不需定期重标和维护，具有精度高、稳定性好、使用寿命长、安全可靠等优点。例子例子2 2 ：有两种密度分别为有两种密度分别为1=0.8g/cm3,2=1.1g/cm3的液位置于的液位置于闭闭口容器中，它口容器中，它们们的界面的界面经经常常变变化。化。试试考考虑虑能否利用差能否利用差压变压变送器来送器来连续测连续测量其界面，若可以利量其界面，若可以利用差用差压变压变送器来送器来测测量，量，试问试问(1)仪仪表的量程如何表的量程如何选择选择？(2)迁移量是多少？迁移量是多少？习题习题例子例子1 1 ：如图是双法兰式差压变送器检测密闭容器中有：如图是双法兰式差压变送器检测密闭容器中有结晶液体的液位。已知被测液体的液位密度结晶液体的液位。已知被测液体的液位密度=1200kg/cm3，液位，液位变变化范化范围围H是是0-950mm。变变送器送器的正、的正、负压负压法法兰兰中心距离中心距离H0=1800mm。变变送器毛送器毛细细管硅油密度管硅油密度 1=950kg/cm3，试试确定确定变变送器的量程和送器的量程和迁移量。迁移量。