測控傳感器第4章液位、液體重量和體積側(cè)量

1、東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院 第三章第三章 運(yùn)動測量運(yùn)動測量11東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量第4章液位、液體重量和體積側(cè)量東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量概述概述 物質(zhì)的量可以用液位、液體體積、重量或力的形式來表示物質(zhì)的量可以用液位、液體體積、重量或力的形式來表示, ,它們之間都相互關(guān)聯(lián)它們之間都相互關(guān)聯(lián) 。線性刻度可以估測位于兩刻度線之間的液面，容器的直徑線性刻度可以估測位于兩刻度線之間的液面，容器的直徑已知時，其標(biāo)定的刻度位置就可以計算

2、出來。已知時，其標(biāo)定的刻度位置就可以計算出來。液體的密度隨著溫度變化而變化。通常隨著溫度增加，液液體的密度隨著溫度變化而變化。通常隨著溫度增加，液體會膨脹而使其密度變小。體會膨脹而使其密度變小。液位和液體的物理參數(shù)可能與質(zhì)量有關(guān)，因此也與力和重液位和液體的物理參數(shù)可能與質(zhì)量有關(guān)，因此也與力和重量有關(guān)。量有關(guān)。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.14.1液位測量液位測量4.1.1 4.1.1 可視玻璃管可視玻璃管p玻璃管液位計是一種直讀式液位測量儀表。p適用于工業(yè)生產(chǎn)過程中一般貯液設(shè)備中的液體位置的現(xiàn)場檢測。p其結(jié)構(gòu)簡單，測

3、量準(zhǔn)確，是傳統(tǒng)的現(xiàn)場液位測量工具。p液位計兩端各裝有一個針形閥，當(dāng)玻璃管發(fā)生意外事故而破碎時，針形閥在容器壓力作用下自動關(guān)閉，以防容器內(nèi)介質(zhì)繼續(xù)外流。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量測量范圍測量范圍 300、500、600、 800、1000、1200、1400、1700、2000mm工作壓力：工作壓力：1.6mpa材質(zhì)：碳鋼、不銹鋼材質(zhì)：碳鋼、不銹鋼工作溫度：工作溫度：200連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)：連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)：hgj46-91 pn1.6 dn20突面突面 其它法蘭標(biāo)準(zhǔn)如其它法蘭標(biāo)準(zhǔn)如jb/t、gb、ansi等，請用戶注明。等，請

4、用戶注明。 伴熱蒸汽壓力：伴熱蒸汽壓力：0.6mpa蒸汽夾套接頭：蒸汽夾套接頭：g1/2外螺外螺紋紋鋼球自封壓力：鋼球自封壓力：0.2mpa主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量u 玻璃管液位計測量結(jié)果的精確度取決于讀數(shù)玻璃管液位計測量結(jié)果的精確度取決于讀數(shù)者的經(jīng)驗水平及玻璃管標(biāo)定刻度的精確度。者的經(jīng)驗水平及玻璃管標(biāo)定刻度的精確度。u 容器中液體的種類和可視玻璃管的直徑也會容器中液體的種類和可視玻璃管的直徑也會影響測量的精度。影響測量的精度。u 可視玻璃管用在精確度要求不高的測量中，可視玻璃管用在精確度要求

5、不高的測量中，例如在石油儲罐和家用熱水器中。例如在石油儲罐和家用熱水器中。玻璃管液位計的特點玻璃管液位計的特點東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.24.1.2液位標(biāo)尺液位標(biāo)尺 也被稱為油標(biāo)尺。也被稱為油標(biāo)尺。 液位標(biāo)尺是標(biāo)定好刻度的液位標(biāo)尺是標(biāo)定好刻度的細(xì)棒。細(xì)棒。 把液位標(biāo)尺垂直地插入容把液位標(biāo)尺垂直地插入容器內(nèi)，以便它的下端投入液器內(nèi)，以便它的下端投入液面以下。面以下。 從液體容器中取出油尺時，從液體容器中取出油尺時，一些液體會粘附著在液面標(biāo)一些液體會粘附著在液面標(biāo)尺上，從而根據(jù)油液痕跡從尺上，從而根據(jù)油液痕跡從刻度

6、上讀出液面高度?？潭壬献x出液面高度。 液位標(biāo)尺僅用于現(xiàn)場測量，液位標(biāo)尺僅用于現(xiàn)場測量，在實際測量過程中必須取出在實際測量過程中必須取出液位標(biāo)尺才能讀數(shù)。液位標(biāo)尺才能讀數(shù)。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.3 4.1.3 液位浮子表液位浮子表液位浮子表有兩種常見的形式即平衡重式和電子控制式。平衡重式液位浮子表平衡重式液位浮子表u浮子隨著液面位置的變化浮子隨著液面位置的變化而運(yùn)動，并傳送給指針，表而運(yùn)動，并傳送給指針，表盤刻度是以體積或質(zhì)量的形盤刻度是以體積或質(zhì)量的形式來標(biāo)定的。式來標(biāo)定的。u精確的讀數(shù)可以得到，但精確的讀

7、數(shù)可以得到，但其精確度取決于刻線長度以其精確度取決于刻線長度以及刻度分度值的精度。及刻度分度值的精度。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量l浮子被設(shè)計成隨液面浮子被設(shè)計成隨液面位置而升降的形式位置而升降的形式l當(dāng)液位變化時，浮子當(dāng)液位變化時，浮子的運(yùn)動導(dǎo)致電位計指針的運(yùn)動導(dǎo)致電位計指針沿著表盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一個沿著表盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一個角位移。角位移。l電位器電阻的改變，電位器電阻的改變，產(chǎn)生一個與液位相對應(yīng)產(chǎn)生一個與液位相對應(yīng)的電壓讀數(shù)。的電壓讀數(shù)。電子控制式液位浮子表電子控制式液位浮子表東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4

8、章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.4 4.1.4 電容式液位計電容式液位計（變介質(zhì)型電容式傳感器）（變介質(zhì)型電容式傳感器）圓柱形電容器的初始電容為圓柱形電容器的初始電容為:00212()hcln r r1212()xhcln r r02212()()xh hcln r r電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。設(shè)設(shè)c c1 1為液體有效高度為液體有效高度h hx x形成的電容，形成的電容，c c2 2為空氣高度（為空氣高度（h-hh-hx x）形成）形成的電容，則：的電容，則：東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)

9、華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量由于c1和c2為并聯(lián)，所以總電容為:可見，電容可見，電容c理論上與液面高度理論上與液面高度hx成線性關(guān)系，只成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容要測出傳感器電容c的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。為什么電容式液位計不適用于測量某些液體為什么電容式液位計不適用于測量某些液體的液位，例知：的液位，例知：(a)(a)水銀，水銀，(b)(b)硫酸銅溶液？硫酸銅溶液？東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.5 4.1.5 導(dǎo)電式液位計導(dǎo)電式液位計n 是通

10、過測量導(dǎo)電液體電阻的變化側(cè)量液面的一種儀器，其工作原理與電容表相似。n 傳感器兩極板間的電阻隨著液位變化而變化，并以適當(dāng)?shù)膯挝粊順?biāo)定，從而用來作為液位或液體量的測量。n 使用導(dǎo)電式液位計時，腐蝕、泄露和被測液體的導(dǎo)電性是需要考慮的重要因素。n 環(huán)境溫度的變化，將影響液體的導(dǎo)電性和測量系統(tǒng)。n 若探針未被覆蓋住，兩個探針的尖端之間將會出現(xiàn)電弧放電(弧光)，因此不適合測易燃性液體。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.6 4.1.6 超聲波液位計超聲波液位計 1 1 超聲波的傳輸特性超聲波的傳輸特性 人耳能夠聽到的機(jī) 械波，頻

11、率在16hz20khz之間，稱為聲波。 人耳聽不到的機(jī)械波，頻率高于20 khz的稱為超聲波。 頻率在310831011 hz之間的稱為微波。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量超聲波可分為縱波、橫波和表面波超聲波可分為縱波、橫波和表面波質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向一致的稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量 質(zhì)點的振動方向和波的傳播方面相垂直的稱為橫波，它只能在固體中傳播。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4

12、 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量 質(zhì)點的振動介于橫波和縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速衰減的稱為表面波。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)密度、介質(zhì)的彈性系數(shù)及波型。在同一固體中橫波聲速為縱波聲速的一半左右，而表面波聲速又低于橫波聲速。當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中傳播，或者從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，遵循如下一些規(guī)律。(1) 傳播速度：超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比，即聲速為 cf式中：為超聲波的波長；f為超聲波的頻率。(2) 超

13、聲波的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于聲波的擴(kuò)散、散射及吸收，能量按指數(shù)規(guī)律衰減。如平面波傳播時的衰減公式可寫作20exxii式中：i0為聲源處的聲強(qiáng)；ix為距聲源x處的聲強(qiáng)；為衰減系數(shù)(單位為110-3db/mm)，水和一般低衰減材料的取值為14。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量(3) 超聲波的反射與折射：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，會發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波速與反射波速之比；入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波速與折射波速之比。

14、(4) 超聲波的波形轉(zhuǎn)換：若選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣牵箍v波全反射，那么在折射中只有橫波出現(xiàn)；如果橫波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。 2 超聲波換能器 能將(交流)電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動而向介質(zhì)中輻射(發(fā)射)超聲波，或?qū)⒊晥鲋械臋C(jī)械振動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的裝置稱為超聲波換能器(或稱為探測器、傳感器、探頭)。超聲波傳感器一般都是可逆的，既能發(fā)射也能接收發(fā)射超聲波。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量超聲波探頭最常用的是壓電式探頭。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括(1)工

15、作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 (2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。 (3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之則靈敏度低。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量3 超聲波液位計超聲波液位計p 換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。p 超聲波脈沖以聲波速

16、度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。p 距離值s與聲速c和傳輸時間t之間的關(guān)系可以用公式表示：s=cxt/2。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量 圖所示為一個典型的超聲波液位儀。當(dāng)向液體發(fā)射超聲脈沖波時，其中有一小部分被液面反射回來，其余的被液體容器的底面反射。兩種反射的脈沖的時間差直接與被測物體的深度有關(guān)，并且這個深度可以按人們期望的形式(深度或體積)標(biāo)定并顯示。顯示在屏幕上，或其他基于時間的顯示或記錄裝置上。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積

17、側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.7 4.1.7 氣泡式液位計氣泡式液位計n吹泡式液位計是應(yīng)用靜壓原理測量敞口容器液位。n壓縮空氣經(jīng)過過濾減壓閥后，再經(jīng)定值器輸出一定的壓力，經(jīng)節(jié)流元件后分兩路,一路進(jìn)到安裝在容器內(nèi)的導(dǎo)管，由容器底部吹出；另一路進(jìn)入壓力計進(jìn)行指示。n當(dāng)液位最低時，氣泡吹出沒有阻力，背壓力零，壓力計指零；當(dāng)液位增高時，氣泡吹出要克服液柱的靜壓力，背壓增加，壓力指示增大。n背壓即壓力計指示的壓力大小，就反映了液面的高低。n吹泡式液位計結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于測量具有腐蝕性、粘度大和含有懸浮顆粒的敞口容器的液位，但精度較低。 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位

18、、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.1.8 4.1.8 壓力式液位計壓力式液位計p測量液體重量或液面高度的同時還要求以電信號形式輸出，就可以用壓力式液位計。最典型的應(yīng)用是壓敏電阻傳感器。p在壓力式液位計中，被側(cè)壓力將使一個膜片產(chǎn)生變形，這種膜片的變形經(jīng)過壓敏電阻傳感器給出一個與壓強(qiáng)對應(yīng)的電信號。p壓力式液位計放置在將要被測量液體深度的容器里，液體的液面高度的任何變化都會使傳感器產(chǎn)生一個與之成比例變化的輸出信號。壓強(qiáng)為 p=gh則液面高度為 h=p/g東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量式中：-液體的密度，單位為kg

19、/m3 g-重力加速度 ,單位為m/s2 h-液體的高度 ,單位為m可以看出，由于液體的密度和重力加速度g均為常數(shù)，對于一個給定橫截面尺寸的容器來說，液面高度h與壓強(qiáng)p成正比。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.2 4.2 重量或力的測量重量或力的測量4.2.1 測力傳感器p 測力傳感器是一種通常利用應(yīng)變測力傳感器是一種通常利用應(yīng)變片測量未知力片測量未知力( (有時稱為負(fù)載有時稱為負(fù)載) )或質(zhì)量或質(zhì)量的傳感器。的傳感器。p 電阻值為定值的傳感元件將被布電阻值為定值的傳感元件將被布置在單臂電橋中，其測量的精度取決置在單臂電橋

20、中，其測量的精度取決于所用應(yīng)變片的類型。于所用應(yīng)變片的類型。p 單臂電橋以適當(dāng)?shù)膽?yīng)變方式調(diào)制單臂電橋以適當(dāng)?shù)膽?yīng)變方式調(diào)制要讀數(shù)的信號，電橋的輸出電壓與所要讀數(shù)的信號，電橋的輸出電壓與所加負(fù)載的大小有關(guān)。加負(fù)載的大小有關(guān)。p 由溫度變化而引起的誤差可以通由溫度變化而引起的誤差可以通過相匹配的應(yīng)變片來使其最小化。過相匹配的應(yīng)變片來使其最小化。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量單臂電橋布置圖測力傳感器常用于下列測量：測力傳感器常用于下列測量：u存儲料斗中的材料重量；存儲料斗中的材料重量；u過橋車輛的重量；過橋車輛的重量；u容器里液體

21、的液位或體積（如果容器里液體的液位或體積（如果重量是已知的，那么可以換算出其重量是已知的，那么可以換算出其體積或液位）。體積或液位）。這種儀器具有精確這種儀器具有精確. .、耐用和相對、耐用和相對廉價的優(yōu)點，而且可用于很寬的測廉價的優(yōu)點，而且可用于很寬的測量范圍。量范圍。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量應(yīng)變片側(cè)力傳感器的說明書應(yīng)變片側(cè)力傳感器的說明書東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量說明書中說明了傳感器的下列特性：精確度、線性度、重復(fù)性、過載等。我們將在第1

22、1章應(yīng)用實例中再次討論。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量4.2.2 4.2.2 天平與秤天平與秤天平與秤是利用平衡原理來確定未知質(zhì)量和力天平與秤是利用平衡原理來確定未知質(zhì)量和力( (重量重量) )的測量裝置。的測量裝置。中心支點的天平標(biāo)定作用在未知質(zhì)量物體上的重力wx與已知的重力w進(jìn)行比較。天平是一個已知力和未知力到支點(支承軸)的距離相等的杠桿。平衡條件是通過給右邊盤中逐漸增加已知質(zhì)量的砝碼直到杠桿達(dá)到水平的方法實現(xiàn)的。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積側(cè)量章液位、液體重量和體積側(cè)量n 一個帶有滑移質(zhì)量塊的天平要進(jìn)行調(diào)平衡。n 先通過增加已知質(zhì)量塊(砝碼)到天平盤上以達(dá)到粗略平衡，然后通過移動滑移質(zhì)量塊(ws)到最佳位置，從而使天平達(dá)到精確平衡。n wxa=wb+wsc，ws是一定的，距離c能夠被直接確定出來，在水平橫梁上通常有一個沿質(zhì)量塊滑移方向標(biāo)定好的刻度。n為了增大或減小天平的測量范圍，可以通過相應(yīng)地增減天平底盤上的已知質(zhì)量塊來實現(xiàn)。東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院第第4 4章液位、液體重量和體積