情境五、液位的檢測

1、2情境五 液位的檢測【情境描述】【情境描述】液體液位的檢測在工業(yè)生產(chǎn)、野外勘測、醫(yī)療檢查和船舶航行中被廣泛地應(yīng)用，國內(nèi)外采用的電子化和數(shù)字化等自動(dòng)化檢測技術(shù)和手段，以提高檢測的準(zhǔn)確性，隨著科技的發(fā)展，檢測技術(shù)更趨向于智能化。液位的檢測有浮體式、電容式、差壓式、電極式和超聲波法等多種檢測方法 3任務(wù)一 儲水池的液位檢測 任務(wù)要求工業(yè)生產(chǎn)及生活中經(jīng)常要用到儲水池，在保持儲水池水位的自動(dòng)抽水系統(tǒng)中，通常要用到液位傳感器來進(jìn)行水位的測量，一般采用電容式液位傳感器來測量水池液位。 知識引入電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實(shí)現(xiàn)對物理量的測量，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。廣泛用于

2、位移、振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓、液面(料位)、成分含量等方面的測量。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作；可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象等特點(diǎn)。4一、認(rèn)識電容式傳感器常見的電容式液位傳感器如圖常見的電容式液位傳感器如圖5-1所示，主要有所示，主要有棒式和纜式兩種。電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如棒式和纜式兩種。電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖圖5-2所示所示 5一、認(rèn)識電容式傳感器1變極距型電容傳感器 2變面積型電容傳感器3變介電常數(shù)型電容傳感器6二、電容式傳感器的使用電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好

3、電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好(電容值與電極電容值與電極材料無關(guān)，本身發(fā)熱極小材料無關(guān)，本身發(fā)熱極小)；結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性；結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。 (1)減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能。(2)消除和減小邊緣效應(yīng)。(3)消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾。(4)防止和減小外界干擾。7二、電容式傳感器的使用1交流橋式測量電路2二極管雙T形電路8二、電容式傳感器的使用3脈寬調(diào)制電路 4調(diào)頻電路9二、電容式傳感器的使用5運(yùn)算放大器式電路10 任務(wù)實(shí)施一、電容傳感

4、器的選型一、電容傳感器的選型在保持儲水池水位的自動(dòng)抽水系統(tǒng)中，通常采用浮標(biāo)傳感器或電極式傳感器。浮標(biāo)傳感器的缺點(diǎn)是有活動(dòng)部件，在冬季易被凍結(jié)；電極式傳感器雖然沒有活動(dòng)部件，但在冬季也被冰塊覆蓋。利用電容式液位傳感器，可克服以上缺點(diǎn)，且運(yùn)行、保養(yǎng)簡單。電容式液位傳感器利用儲水池的金屬壁和垂直放入儲水池的金屬探桿作為電極，傳感器的總電容與水池儲水的液位有關(guān)。11二、電容傳感器的實(shí)際應(yīng)用12二、電容傳感器的實(shí)際應(yīng)用13三、測量參考電路14四、總結(jié)調(diào)試15 能力拓展一、電磁式流量傳感器一、電磁式流量傳感器1電磁式流量傳感器的工作原理及使用電磁式流量傳感器的工作原理及使用2電磁式流速傳感器電路16二、渦

5、輪式流速傳感器渦輪式流速傳感器是利用放在流體中的葉輪的渦輪式流速傳感器是利用放在流體中的葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量測試的一種傳感器。葉輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量測試的一種傳感器。葉輪轉(zhuǎn)速的測量如圖測量如圖5-17所示所示 17三、光纖傳感器1光纖結(jié)構(gòu)2光纖傳感器的工作原理18三、光纖傳感器3光纖傳感器的特點(diǎn)(1)抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕。 (2)靈敏度高。 (3)重量輕，體積小，可彎曲。 (4)測量對象廣泛。 (5)對被測介質(zhì)影響小。 (6)便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。 (7)成本低。 4光纖傳感器渦輪流量計(jì)19四、液面?zhèn)鞲衅髦谱鞯囊好鎴?bào)警控制電路VG4620是一種單片式液面報(bào)警控制集成電路，是一種單片式液面報(bào)警

6、控制集成電路，雙列直插雙列直插8腳封裝，如圖腳封裝，如圖5-22所示，使用極為簡所示，使用極為簡單。單。 20四、液面?zhèn)鞲衅髦谱鞯囊好鎴?bào)警控制電路采用采用VG4620的液面報(bào)警控制電路如圖的液面報(bào)警控制電路如圖5-23所所示。示。 21任務(wù)二 密閉容器的液位檢測 任務(wù)要求在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會使用各種密閉容器儲存高溫、有毒、易揮發(fā)、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕性等液體介質(zhì)，對這些容器的液位檢測必須使用非接觸式測量，一般采用超聲波液位傳感器。 知識引入超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小

7、，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 22一、認(rèn)識超聲波傳感器常見的超聲波傳感器如圖常見的超聲波傳感器如圖5-24所示。所示。23一、認(rèn)識超聲波傳感器1超聲波傳感器的組成2超聲波的工作原理3超聲波傳感器的檢測原理24二、超聲波傳感器的使用1使用超聲波傳感器的基本原則2超聲波傳感器選型要點(diǎn)1)范圍和尺寸2)被測物3)振動(dòng)4)衰減5)誤判3超聲波探測用耦合劑25 任務(wù)實(shí)施一、

8、超聲波傳感器的選型一、超聲波傳感器的選型小型超聲波傳感器()的遙控距離約l0m，其外形如圖5-27(a)所示。遙控器的發(fā)送電路如圖5-27(b)所示，這是由555時(shí)基電路組成的振蕩器，調(diào)整電位器，使振蕩頻率為40kHz，傳感器接于555定時(shí)器的3腳，接通電源，即發(fā)送出超聲波，或使用單片機(jī)的P1.0腳做為40kHz的輸入，并使用必要的門電路和拉電阻以提高輸出功率。26二、超聲波傳感器的實(shí)際應(yīng)用由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來的信號大小與液位有關(guān)，液面位置越從液面反射回來的信號大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號越大；液面越低

9、，則信號就小。超聲波接收高，信號越大；液面越低，則信號就小。超聲波接收及液位指示與控制電路如圖及液位指示與控制電路如圖5- 27(c)(d)所示。所示。當(dāng)沒有發(fā)射超聲波信號時(shí)，當(dāng)沒有發(fā)射超聲波信號時(shí)，A點(diǎn)的電位是點(diǎn)的電位是0，B點(diǎn)的電點(diǎn)的電位是位是0，C點(diǎn)的電位也為點(diǎn)的電位也為0，而，而D點(diǎn)的電位是點(diǎn)的電位是1。當(dāng)接收。當(dāng)接收到超聲波信號時(shí)，經(jīng)過到超聲波信號時(shí)，經(jīng)過LM386放大，通過電感電容濾放大，通過電感電容濾波，使其只有波，使其只有40kHz的信號通過，再經(jīng)過的信號通過，再經(jīng)過LM386進(jìn)行進(jìn)行二次放大，當(dāng)測量距離遠(yuǎn)時(shí)，二次放大后的信號仍然二次放大，當(dāng)測量距離遠(yuǎn)時(shí)，二次放大后的信號仍然太

10、弱，所以還得進(jìn)行三次放大；當(dāng)測量距離較近時(shí)，太弱，所以還得進(jìn)行三次放大；當(dāng)測量距離較近時(shí)，二次放大后的信號就很強(qiáng)了，但由于第三級的輸入電二次放大后的信號就很強(qiáng)了，但由于第三級的輸入電壓不能太高，所以需用二極管做限幅。收到第一個(gè)信壓不能太高，所以需用二極管做限幅。收到第一個(gè)信號的上升沿時(shí)號的上升沿時(shí)(C點(diǎn)為上升沿點(diǎn)為上升沿)，經(jīng)過非門變成下降沿，經(jīng)過非門變成下降沿(D點(diǎn)點(diǎn))，送給單片機(jī)的中斷，送給單片機(jī)的中斷(P3.2)進(jìn)行處理。進(jìn)行處理。27三、測量參考電路28四、總結(jié)調(diào)試(1)被測液體中不能充滿密集氣泡，不能懸浮大量固體，如結(jié)晶物被測液體中不能充滿密集氣泡，不能懸浮大量固體，如結(jié)晶物等。等。

11、(2)在測量有黏度的液體時(shí)需要注意液體的溫度影響。在測量有黏度的液體時(shí)需要注意液體的溫度影響。(3)安裝測量探頭的容器壁要求用能夠良好傳遞信號的硬質(zhì)材料制安裝測量探頭的容器壁要求用能夠良好傳遞信號的硬質(zhì)材料制成，例如碳鋼、不銹鋼、各種硬金屬、玻璃鋼、硬質(zhì)塑料、陶瓷、玻成，例如碳鋼、不銹鋼、各種硬金屬、玻璃鋼、硬質(zhì)塑料、陶瓷、玻璃、硬橡膠等材料或其復(fù)合材料。璃、硬橡膠等材料或其復(fù)合材料。(4)由于超聲波也是聲信號的一種，所以使用專用的聲音芯片由于超聲波也是聲信號的一種，所以使用專用的聲音芯片LM386進(jìn)行信號放大。接收到的超聲波信號在進(jìn)行信號放大。接收到的超聲波信號在530mV之間，之間，LM3

12、86運(yùn)放足可以勝任，而且價(jià)格低，其運(yùn)放足可以勝任，而且價(jià)格低，其1腳和腳和8腳之間的電阻電容腳之間的電阻電容能夠提高放大增益。能夠提高放大增益。(5)由于對小信號放大時(shí)存在的雜波比較大，所以級和級之間需加由于對小信號放大時(shí)存在的雜波比較大，所以級和級之間需加個(gè)帶通濾波器，讓個(gè)帶通濾波器，讓40kHz的信號通過，其他的信號全都截止，圖的信號通過，其他的信號全都截止，圖5-27(d)中中R2()的阻值不能太大，否則帶通太寬，達(dá)不到濾波效果。的阻值不能太大，否則帶通太寬，達(dá)不到濾波效果。(6)C8是個(gè)隔直電容，可以把直流成分去掉。這個(gè)電容最好不使用是個(gè)隔直電容，可以把直流成分去掉。這個(gè)電容最好不使用

13、電解電容，因?yàn)檫@類電容漏電比較大，會夾雜直流成分。電解電容，因?yàn)檫@類電容漏電比較大，會夾雜直流成分。(7)VD1、VD2兩個(gè)二極管的作用是限幅，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)二極管的作用是限幅，因?yàn)楫?dāng)CA3140(高輸入阻高輸入阻抗運(yùn)算放大器抗運(yùn)算放大器)的輸入大于的輸入大于2.5V時(shí)，時(shí)，CA3140工作將異常，所以需要工作將異常，所以需要進(jìn)行輸入限幅。進(jìn)行輸入限幅。29 能力拓展一、超聲波探傷一、超聲波探傷1縱波探傷縱波探傷2橫波探傷橫波探傷30一、超聲波探傷3表面波探傷31二、超聲波流量計(jì)流量的檢測對于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)流量的檢測對于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障安全生產(chǎn)，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障安全生產(chǎn)，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，都具有十分重要的意義。流量是指流體在單的進(jìn)步，都具有十分重要的意義。流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為體積流量和質(zhì)量流量。超聲波流量計(jì)可以做成非接觸體積流量和質(zhì)量流量。超聲波流量計(jì)可以