過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用03-第三章-3.7節(jié)

1、1第3章3-1 測量基本知識測量基本知識3-2 誤差誤差3-3 壓力測量壓力測量3-4 溫度測量溫度測量3-5 流量測量流量測量3-6 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量3-7 液位測量液位測量2 容器內(nèi)液體介質(zhì)液面的高低稱液位。容器內(nèi)液體介質(zhì)液面的高低稱液位。測量目的：測量目的： 測知容器中物料的存儲量，對物料進(jìn)行監(jiān)控，測知容器中物料的存儲量，對物料進(jìn)行監(jiān)控，保證順利和安全生產(chǎn)。保證順利和安全生產(chǎn)。液位計分類：液位計分類： 直讀式、浮力式、靜壓式、電容式、光纖式、直讀式、浮力式、靜壓式、電容式、光纖式、激光式、核輻射和超聲波式。激光式、核輻射和超聲波式。 3.7 3.7 液位測量液位測量3一一.

2、.浮力式液位計浮力式液位計 工作原理：工作原理： 利用漂浮在液面上的浮子實現(xiàn)液位測量。利用漂浮在液面上的浮子實現(xiàn)液位測量。 浮子因浮力作用漂浮在液面上，其位置代浮子因浮力作用漂浮在液面上，其位置代表了液面的位置。表了液面的位置。 當(dāng)液面變化時，浮子隨液面一起變化，從當(dāng)液面變化時，浮子隨液面一起變化，從而產(chǎn)生位移。經(jīng)傳遞、放大、最終顯示出液位而產(chǎn)生位移。經(jīng)傳遞、放大、最終顯示出液位的變化和液面高度。的變化和液面高度。4(1)(1)恒浮力式液位計恒浮力式液位計 測量原理：測量原理：浮子自身重力：浮子自身重力：浮子所受浮力：浮子所受浮力： 式中：式中： 浮子密度；浮子密度； 液體密度。液體密度。ga

3、DG124gbDF02410 設(shè)浮子所受外力為：設(shè)浮子所受外力為：當(dāng)浮子處于平衡位置時，當(dāng)浮子處于平衡位置時，5當(dāng)液體上升當(dāng)液體上升hh時，浮子浸在液體中的體積增加，時，浮子浸在液體中的體積增加，浮力增大浮力增大FF，則，則 在外力在外力F F不變時，不變時， FGFFghDF024GFFF6 由于由于FF的作用，迫使浮子上浮。的作用，迫使浮子上浮。 浮子的升降是隨液位的升降而變化的。浮子的升降是隨液位的升降而變化的。 當(dāng)重新達(dá)到平衡后，浮子的靜止位置就表示了當(dāng)重新達(dá)到平衡后，浮子的靜止位置就表示了新液面的位置。新液面的位置。7 浮子的結(jié)構(gòu)形式浮子的結(jié)構(gòu)形式 浮力式液位計的不靈敏區(qū)：浮力式液位

4、計的不靈敏區(qū)： 由于儀表各部件之間存在摩擦等阻力，由于儀表各部件之間存在摩擦等阻力，只有當(dāng)浮力的變化量只有當(dāng)浮力的變化量FF達(dá)到達(dá)到FF0 0時，浮子時，浮子才能動作才能動作hh0 0。00Fh 浮力式液位計的不靈敏區(qū)浮力式液位計的不靈敏區(qū)8gDghDhFh0200200044浮力式液位計的不靈敏區(qū)浮力式液位計的不靈敏區(qū)(a)(a)扁平浮子；扁平浮子；(b)(b)扁圓柱浮于；扁圓柱浮于；(c)(c)高圓柱形浮子高圓柱形浮子9恒浮力液位計結(jié)構(gòu)形式恒浮力液位計結(jié)構(gòu)形式 a.滑輪式液位計滑輪式液位計1浮子；浮子；2刻度尺；刻度尺；3平衡重；平衡重；4滑輪；滑輪；10指針。指針。 浮子通過鋼絲繩經(jīng)由滑

5、輪與平衡重相連。浮子通過鋼絲繩經(jīng)由滑輪與平衡重相連。 液位、浮子、指針、平衡重同步移動，通過指針液位、浮子、指針、平衡重同步移動，通過指針在刻度尺上指示的位置測得液面高度。在刻度尺上指示的位置測得液面高度。 10b. 鼓輪式液位計鼓輪式液位計1浮子；浮子；2刻度尺；刻度尺；3平衡重；平衡重；5嚙合齒輪；嚙合齒輪；6鼓輪。鼓輪。 鼓輪式用齒輪嚙合來傳遞位移，可通過改變齒鼓輪式用齒輪嚙合來傳遞位移，可通過改變齒輪的齒數(shù)來改變儀器的量程。輪的齒數(shù)來改變儀器的量程。11c. 磁力式液位計磁力式液位計1浮子；浮子；2刻度尺；刻度尺；3平衡重；平衡重；10指針；指針；11不導(dǎo)磁桶。不導(dǎo)磁桶。 利用浮子與磁

6、鐵之間的引力來實現(xiàn)對液位利用浮子與磁鐵之間的引力來實現(xiàn)對液位變化的信號的傳遞。變化的信號的傳遞。12d. 浮球式液位計浮球式液位計1浮子；浮子；2刻度尺；刻度尺；3平衡重；平衡重；8閥門；閥門；9連桿；連桿；10指針。指針。 浮球隨液位升降，通過轉(zhuǎn)軸帶動指針轉(zhuǎn)動，浮球隨液位升降，通過轉(zhuǎn)軸帶動指針轉(zhuǎn)動，在刻度盤上指示液位的位置。在刻度盤上指示液位的位置。13（2 2）變浮力式液位計）變浮力式液位計 浮筒浮筒將液位變化轉(zhuǎn)化為將液位變化轉(zhuǎn)化為力的變化；力的變化； 彈簧彈簧將力的變化轉(zhuǎn)化為將力的變化轉(zhuǎn)化為機械位移；機械位移； 差動變壓器差動變壓器將位移轉(zhuǎn)換將位移轉(zhuǎn)換成電信號。成電信號。 14 浮筒懸掛

7、在彈簧上，當(dāng)浮筒的一部分浸入液體時，浮筒懸掛在彈簧上，當(dāng)浮筒的一部分浸入液體時，由于浮力作用而使浮筒上移，當(dāng)與彈簧力平衡時，浮由于浮力作用而使浮筒上移，當(dāng)與彈簧力平衡時，浮筒停止運動。對于浮筒存在以下平衡關(guān)系：筒停止運動。對于浮筒存在以下平衡關(guān)系：gAhGcx0c-c-彈簧剛度；彈簧剛度；x-x-彈簧壓縮量；彈簧壓縮量；G-G-俘筒重量；俘筒重量；AA浮筒的截面積浮筒的截面積; ;h-h-浮筒浸入液體高度；浮筒浸入液體高度； -液體密度。液體密度。015 當(dāng)液位發(fā)生變化升高當(dāng)液位發(fā)生變化升高h(yuǎn)h，則浮筒由于所受浮力，則浮筒由于所受浮力變化引起浮筒位置的變化，上升變化引起浮筒位置的變化，上升XX

8、，則平衡關(guān)系為：，則平衡關(guān)系為：gxhhAGxxc0與與gAhGcx0相減得：相減得：xhgAxc0 xkxgAch01gAhGcx016xkxgAch01 液位變化量液位變化量hh與浮筒與浮筒位移位移XX成正比，在浮筒連成正比，在浮筒連桿上裝上指針，可直接指桿上裝上指針，可直接指示液位。示液位。 若在浮筒上裝上變壓若在浮筒上裝上變壓器可輸出電信號，從而間器可輸出電信號，從而間接測出液位。接測出液位。17(3). 磁浮筒式液位計磁浮筒式液位計1-下端封閉的不銹鋼管；下端封閉的不銹鋼管；2-條形絕緣板；條形絕緣板；3-舌簧管；舌簧管；4-電阻；電阻；5-佛珠形浮子；佛珠形浮子；6-環(huán)形永磁鐵氧體

9、。環(huán)形永磁鐵氧體。18磁浮筒式液位開關(guān)磁浮筒式液位開關(guān)用途：液位的越用途：液位的越限報警限報警19二二. 靜壓式液位計靜壓式液位計 1.1.測量原理：測量原理： 靜壓式液位計靜壓式液位計： 測量容器某點的壓力或該點與另一參考點的測量容器某點的壓力或該點與另一參考點的壓差來間接測量液位。壓差來間接測量液位。 由流體靜力學(xué)可知，當(dāng)液體在容器內(nèi)有一由流體靜力學(xué)可知，當(dāng)液體在容器內(nèi)有一定高度時，會對容器的底面或側(cè)面產(chǎn)生一定的定高度時，會對容器的底面或側(cè)面產(chǎn)生一定的壓力。壓力。 20a.a.密閉容器：密閉容器： 取取A、B B兩點，設(shè)兩點，設(shè)B B點為參考點為參考點，則點，則 ：gHpppBAABb.b

10、.敞口容器：敞口容器： 液體自由表面處的壓力等于大氣壓。液體自由表面處的壓力等于大氣壓。 gHpppBA21密閉容器：密閉容器： A、B兩點的垂直高度與密閉兩點的垂直高度與密閉容器中兩點的壓差容器中兩點的壓差p成正比。成正比。敞口容器：敞口容器： B點的表壓點的表壓p成正比。成正比。 通過測量通過測量p p或或p將液位測量將液位測量轉(zhuǎn)化為壓力測量，間接測量液位。轉(zhuǎn)化為壓力測量，間接測量液位。gHpppBAgHpppBAAB222.2.靜壓式液位計的結(jié)構(gòu)靜壓式液位計的結(jié)構(gòu) （1 1）玻璃管液位計：）玻璃管液位計： 利用連通器的原理制成，通過玻璃管來顯利用連通器的原理制成，通過玻璃管來顯示液柱高度

11、，直接觀察液位。示液柱高度，直接觀察液位。23 （2） 壓力式液位計壓力式液位計 利用測壓儀表（表壓）來測量液位。利用測壓儀表（表壓）來測量液位。 適用范圍：敞口容器適用范圍：敞口容器 ghgHpCgHp24gHp25（3 3）壓差式液位計）壓差式液位計 對于密閉式容器，當(dāng)液位變化時，液面處對于密閉式容器，當(dāng)液位變化時，液面處的氣壓也隨之發(fā)生變化。此時氣壓對壓力計指的氣壓也隨之發(fā)生變化。此時氣壓對壓力計指示有影響，只能用壓差計來測量氣、液兩相的示有影響，只能用壓差計來測量氣、液兩相的壓差。壓差。 壓差大小通過氣動或電動差壓變送器傳送，壓差大小通過氣動或電動差壓變送器傳送，并轉(zhuǎn)化為電信號，最終顯

12、示出液位的大小及其并轉(zhuǎn)化為電信號，最終顯示出液位的大小及其變化。變化。2627差壓式液位傳感器原理圖差壓式液位傳感器原理圖28三三. .電容式液位計電容式液位計特點：特點： 傳感部件結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快，能夠連續(xù)、傳感部件結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快，能夠連續(xù)、及時地測量液位的變化。及時地測量液位的變化。 適用于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位測量。適用于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位測量。電容式液位計電容式液位傳感器電容式液位傳感器測量電路測量電路291.1.電容法測液位原理電容法測液位原理 電容器由兩個同軸的金屬圓筒組成，圓筒半徑分電容器由兩個同軸的金屬圓筒組成，圓筒半徑分別為別為R R、r r，高為，高為

13、L L。 當(dāng)兩筒之間充滿介電當(dāng)兩筒之間充滿介電常數(shù)為常數(shù)為的介質(zhì)時，則的介質(zhì)時，則電容量為：電容量為：)/ln(20rRLC30 若圓筒電極的一部分被介電常數(shù)為若圓筒電極的一部分被介電常數(shù)為1 1 ( (1 1)的另一種介質(zhì)充滿，電容量將發(fā)生變化：的另一種介質(zhì)充滿，電容量將發(fā)生變化：兩式相減：兩式相減：)/ln(2)/ln(21rRhrRLC)/ln(20rRLCrRhC/ln2131rRhC/ln21 在在、11、R R、r r 均為常數(shù)時，電容均為常數(shù)時，電容變化量變化量CC與液位高度與液位高度h h成正比。成正比。 當(dāng)測得電容變化量后，即可得到液位高當(dāng)測得電容變化量后，即可得到液位高度度

14、h h的大小。的大小。322.2.導(dǎo)電液體電容液位計導(dǎo)電液體電容液位計 1-金屬內(nèi)電極，外套聚四氟乙烯塑料套管；金屬內(nèi)電極，外套聚四氟乙烯塑料套管； 1-1-設(shè)絕緣套管的介電常數(shù)；設(shè)絕緣套管的介電常數(shù)；22-容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)。容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)。33 當(dāng)容器內(nèi)沒有液體時，當(dāng)容器內(nèi)沒有液體時，h=0h=0，金屬容器壁作為，金屬容器壁作為外電極，電容量為：外電極，電容量為：)/ln(2020dDLC34 當(dāng)容器中液體高度為當(dāng)容器中液體高度為h h時，因為液體導(dǎo)電，外時，因為液體導(dǎo)電，外電極就應(yīng)該是液體本身，直徑等于絕緣套管的外直電極就應(yīng)該是液體本身，直徑等于絕緣套管的外直徑徑D。而未

15、被液體浸潤的地方外電極仍為容器。此。而未被液體浸潤的地方外電極仍為容器。此時，電容大小為時，電容大小為 ：dDhdDhLC/ln2/ln21020021/ln2/ln2ChdDdD35上式可以寫成上式可以寫成 ：0KCKChdDdDK/ln2/ln21021如果如果 D D0 0 d d，1212/lndDK 36由此可以定義電容式液位計的靈敏度：由此可以定義電容式液位計的靈敏度： dDKS/ln211當(dāng)當(dāng) 越大，絕緣層越薄，靈敏度越高越大，絕緣層越薄，靈敏度越高 1373.3.非導(dǎo)電介質(zhì)電容液位計非導(dǎo)電介質(zhì)電容液位計 非導(dǎo)電介質(zhì)電容液位計有專門的外電極。非導(dǎo)電介質(zhì)電容液位計有專門的外電極。

16、為了保證介質(zhì)流動順暢，在外電極上開了很多小為了保證介質(zhì)流動順暢，在外電極上開了很多小孔?？?。 1-內(nèi)電極內(nèi)電極2外電極外電極3絕緣套絕緣套4通液孔通液孔38設(shè)：空氣介電常數(shù)為設(shè)：空氣介電常數(shù)為 ，液體介電常數(shù)為，液體介電常數(shù)為10 dDhdDhLC/ln2/ln210001/ln2/ln2ChdDdDdDC/ln2010 測出電容量測出電容量C C，即可計算出液位高度，即可計算出液位高度h h。當(dāng)當(dāng) 越大，越大，D Dd d值越接近于值越接近于1 1時，靈敏度越高。時，靈敏度越高。0139四四. .超聲式液位傳感器超聲式液位傳感器 超聲波是機械波的一種。超聲波的頻率高于超聲波是機械波的一種。超

17、聲波的頻率高于20kHz20kHz，由于波長短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，由于波長短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，能定向傳播，超聲波在傳播過程中衰減很小，超能定向傳播，超聲波在傳播過程中衰減很小，超聲波在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。聲波在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 401.聲波的分類及特點聲波的分類及特點 聲波按頻率的高低可分為聲波按頻率的高低可分為: 次聲波次聲波: f20kHz 特超聲波特超聲波: f10MHz。41 振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生三種形式的振蕩波：振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生三種形式的振蕩波： 橫波橫波質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，橫波質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，橫波 只能在固體中傳

18、播；只能在固體中傳播； 縱波縱波質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波，縱波質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波，縱波 能在固態(tài)、液體和氣體中傳播；能在固態(tài)、液體和氣體中傳播； 表面波表面波質(zhì)點振動介于縱波與橫波之間，沿表面質(zhì)點振動介于縱波與橫波之間，沿表面 傳播的波，表面波隨深度的增加而衰減快。傳播的波，表面波隨深度的增加而衰減快。422.2.超聲波的傳播超聲波的傳播 各種介質(zhì)對聲波的傳播都呈現(xiàn)一定的阻抗，聲各種介質(zhì)對聲波的傳播都呈現(xiàn)一定的阻抗，聲阻抗與介質(zhì)的密度及彈性有關(guān)。阻抗與介質(zhì)的密度及彈性有關(guān)。 液體的聲阻抗比空氣的大兩千多倍液體的聲阻抗比空氣的大兩千多倍； 金屬的聲阻抗比水的又大十多倍到幾十倍金

19、屬的聲阻抗比水的又大十多倍到幾十倍。 聲波作用到兩種介質(zhì)的分界面上時，若兩種聲波作用到兩種介質(zhì)的分界面上時，若兩種介質(zhì)的聲阻抗相差很大，聲波就會從分界面上反介質(zhì)的聲阻抗相差很大，聲波就會從分界面上反射回來，只剩一小部分能透過分界面繼續(xù)傳播。射回來，只剩一小部分能透過分界面繼續(xù)傳播。 43 214mm2121mmmm設(shè)：設(shè)： 透射系數(shù)；透射系數(shù)； 反射系數(shù)；反射系數(shù)； m m 兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。44 無論聲波是從阻抗高的介質(zhì)向阻抗低的介質(zhì)傳無論聲波是從阻抗高的介質(zhì)向阻抗低的介質(zhì)傳送，或按相反方向傳送，送，或按相反方向傳送，和和的關(guān)系式都一樣。的關(guān)系式都一樣。 若若m m

20、1 1時，表明兩種介質(zhì)的聲阻抗相等，相互時，表明兩種介質(zhì)的聲阻抗相等，相互傳播才能完全透過。傳播才能完全透過。 此時此時100100，0 0。214mm2121mmmm453.3.超聲波換能器超聲波換能器 發(fā)射超聲波的換能器和接收超聲波的換能發(fā)射超聲波的換能器和接收超聲波的換能器都是利用壓電元件構(gòu)成的。器都是利用壓電元件構(gòu)成的。 壓電元件采用鋯鈦酸鉛壓電元件采用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷。壓電陶瓷。 發(fā)射超聲波時利用逆壓電效應(yīng)，發(fā)射超聲波時利用逆壓電效應(yīng)， 接收超聲波時利用正壓電效應(yīng)接收超聲波時利用正壓電效應(yīng) 。46474 4窄縫式超聲波液位開關(guān)窄縫式超聲波液位開關(guān)( (透射式透射式) ) 窄

21、縫的兩面內(nèi)側(cè)有壓電換能器窄縫的兩面內(nèi)側(cè)有壓電換能器1和和2。 1-接收；接收； 2-發(fā)射；發(fā)射； 3-放大電路，放大電路， 4-功率放大電路。功率放大電路。 48 當(dāng)窄縫被液體浸沒時，當(dāng)窄縫被液體浸沒時，超聲波的能量足以透過窄超聲波的能量足以透過窄縫被接收換能器檢測，經(jīng)縫被接收換能器檢測，經(jīng)過放大后供給發(fā)射換能器，過放大后供給發(fā)射換能器，維持振蕩。維持振蕩。 液位下降后窄縫暴露液位下降后窄縫暴露在空氣中，阻抗顯著變小，在空氣中，阻抗顯著變小，大部分聲波被反射，接收大部分聲波被反射，接收到的聲能太少不足以維持到的聲能太少不足以維持振蕩，輸出信號改變。振蕩，輸出信號改變。49 接收元件接收元件PZ

22、T1PZT1，在超聲波形成的交變壓力作用下，產(chǎn)生交，在超聲波形成的交變壓力作用下，產(chǎn)生交流電壓，經(jīng)晶體管流電壓，經(jīng)晶體管T1T1放大之后作用在變壓器原邊放大之后作用在變壓器原邊L1L1上。上。L1L1與電與電容容C2C2并聯(lián)起選頻作用，變壓器副邊并聯(lián)起選頻作用，變壓器副邊L2L2的電壓經(jīng)過射極輸出晶體的電壓經(jīng)過射極輸出晶體管管T2T2驅(qū)動發(fā)射元件驅(qū)動發(fā)射元件PZT2PZT2。在相位關(guān)系滿足正反饋的條件下，如。在相位關(guān)系滿足正反饋的條件下，如透過窄縫的超聲波足夠強，就會持續(xù)不斷地振蕩。這時變壓器透過窄縫的超聲波足夠強，就會持續(xù)不斷地振蕩。這時變壓器的另一個副邊的另一個副邊L3L3將有交流輸出，經(jīng)

23、過二極管將有交流輸出，經(jīng)過二極管D D檢波及其后的功檢波及其后的功率放大電路，必然能輸出開關(guān)信號。率放大電路，必然能輸出開關(guān)信號。505 5氣介式超聲液位傳感器氣介式超聲液位傳感器( (反射式反射式) ) 連續(xù)測量液位時，發(fā)射換能器發(fā)出超聲脈沖，連續(xù)測量液位時，發(fā)射換能器發(fā)出超聲脈沖，到達(dá)液面后反射回來由接收換能器接收，根據(jù)聲波到達(dá)液面后反射回來由接收換能器接收，根據(jù)聲波往返時間判斷液位往返時間判斷液位( (利用超聲測距原理利用超聲測距原理) )。 發(fā)射和接收由同一換能器擔(dān)任，先由它發(fā)射，發(fā)射和接收由同一換能器擔(dān)任，先由它發(fā)射，隨即轉(zhuǎn)為接收。隨即轉(zhuǎn)為接收。51 換能器裝在液面以上的氣體介質(zhì)中垂直向下發(fā)換能器裝在液面以上的氣體介質(zhì)中垂直向下發(fā)射和接收，則稱為射和接收，則稱為“氣介式氣介式”。 已知聲波在空氣中的傳播速度為已知聲波在空氣中的傳播速度為c，在測得聲波，在測得聲波往返時間往返時間t之后，利用式之后，利