傳感器與檢測技術(shù)（第5版）課件 8 物位檢測

第8章物位檢測8.1概述8.1.1物位檢測的基本概念8.1.2物位計分類8.2超聲波物位計8.2.1概述

8.2.2連續(xù)式超聲波物位計

8.2.3超聲波物位開關(guān)

8.2.4超聲波檢測液-液相界面8.3雷達物位計8.3.1雷達物位計分類8.3.2導(dǎo)波式雷達物位計8.1概述8.1.1物位檢測的基本概念8.1.2物位計分類8.1.1物位檢測的基本概念液位、料位和相界面位置統(tǒng)稱為物位，用于對物位進行測量、報警、控制的自動化儀表統(tǒng)稱為物位測量儀表。液位--生產(chǎn)過程中罐、塔、槽等容器，以及自然界河道、水庫里存放的液體的高度或表面位置。料位--在槽斗、罐、堆場、倉庫等場所儲存的固體塊、顆粒、粉料等的堆積高度或表面位置。相界面位置--液-液、液-固界面位置。8.1.2

物位計分類測量方式浮力式差壓式電容式磁致伸縮式超聲波式微波式測量范圍(m)20202.5～30406060測量精度(%)1.5120.10.10.1所測物體液體液體固、液體液體固、液體固、液體工作溫度(℃)<150-40～200-200～400-40～130<150<400接觸與否接觸接觸接觸接觸非接觸接觸、非接觸均可可靠性差一般差一般一般好安裝復(fù)雜度簡單很復(fù)雜簡單復(fù)雜簡單簡單儀表價格一般高一般一般一般高恒浮力式液位計根據(jù)浮標或浮子的升降來反映液面的變化。結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，適于各種貯罐物位的測量。變浮力式液位計

根據(jù)阿基米德定律和磁耦合原理進行測量的。當液位變化時，沉筒浸入液體的深度變化，所受浮力也相應(yīng)改變，從而引起相應(yīng)機構(gòu)如彈簧的伸縮，以反映液位的變化。

能實現(xiàn)遠傳和自動調(diào)節(jié)。1.浮力式液位計2.差壓式液位計差壓式液位計含有氣相取壓口和液相取壓口。氣相取壓點處的壓力為設(shè)備內(nèi)氣相壓力；液相取壓點處的壓力除受氣相壓力作用外，還受液柱靜壓力的作用，液相和氣相壓力之差，就是液柱所產(chǎn)生的靜壓力。這類儀表包括氣動、電動差壓變送器及法蘭式液位變送器，安裝方便，容易實現(xiàn)遠傳和自動調(diào)節(jié)，工業(yè)上應(yīng)用較多。3.電容式物位計電容式物位計分為電容式料位計和電容式液位計。在電容液位計中，又分為測量導(dǎo)電液體液位的液位計和測量非導(dǎo)電液體液位的液位計。電容式物位計是通過測量電容的變化反映物位高低的。以非導(dǎo)電液體液位計為例，向盛有液體的容器中插入一根金屬棒作為電容的一極，另一極為容器壁本身，兩電極間的介質(zhì)為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)和液面上的介電常數(shù)不同，則當液位變化時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之變化，因而電容量變化。4.磁致伸縮式物位計將一根硬管或柔性管從罐頂通到罐底部,帶磁性的浮子沿導(dǎo)波管隨液面上下移動。測量時,電流脈沖在磁浮子位置處向上激發(fā)出一個應(yīng)力脈沖,該脈沖沿導(dǎo)波管以聲速傳播到頂部電子盒中的測量部分，并被轉(zhuǎn)換成電脈沖。根據(jù)應(yīng)力脈沖的傳播時間，可測量出液面高度。磁致伸縮液位計除了浮子是可動部件外，其他均是固態(tài)電子組件，可靠性高，平均無故障工作時間長。其主要缺點是工作長度較短，目前最長的工作長度僅為18m（柔性纜式）5.超聲波物位計利用超聲波在氣體、液體或固體中傳播時衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)來測量兩種介質(zhì)的界面。精度高、反應(yīng)快，但是，成本較高、維護和維修較困難，一般用于測量精度要求較高的場合。6.微波物位計俗稱雷達物位計，依據(jù)回波測距原理進行物位測量。其喇叭狀或桿式天線向被測物料面發(fā)射微波，微波傳播到不同相對介電常數(shù)的物料表面時產(chǎn)生反射，并被天線所接收。發(fā)射波與接收回波的時間差與物料面到天線的距離成正比，通過測量傳播時間即可計算得到距離。由于微波是電磁波，以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，所以，在一些有溫度、壓力、蒸汽等條件要求的場合，當超聲物位計不能正常工作時，微波物位計仍可以使用8.2.1概述

8.2.2連續(xù)式超聲波物位計

8.2.3超聲波物位開關(guān)

8.2.4超聲波檢測液-液相界面8.2超聲波物位計8.2.1概述聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波，按頻率的不同可分為次聲波、聲波和超聲波等，物位檢測中常用超聲波的工作頻率范圍為0.25～20MHz，超聲波具有在介質(zhì)中傳播時方向性好、能量損失小等特點，在氣體、液體及固體中傳播時，具有一定的傳播速度，在穿過兩種不同介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射和折射，對于聲阻抗(聲速與介質(zhì)密度的乘積)差別較大的相界面幾乎為全反射，因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射，并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。(1)與介質(zhì)不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長。(2)超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量。(3)不僅可進行連續(xù)測量和定點測量，還能方便地提供遙測或遙控信號。(4)能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。超聲波物位計特點

(5)超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格相對昂貴；而且當超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波物位計應(yīng)有相應(yīng)的補償措施，否則會影響測量精度。另外，有些物質(zhì)對超聲波有強烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時要充分考慮物位測量的具體情況和條件。超聲波物位計按使用特點不同可分為：連續(xù)式超聲波物位計和超聲波物位開關(guān)兩大類，下面分別介紹。采用壓電晶體換能器（也叫超聲波換能器）來發(fā)射和接收超聲波，根據(jù)回聲測距原理，利用超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔與物位高度成比例的關(guān)系，通過測量時間間隔進而求得物位高度，根據(jù)供超聲波傳播的介質(zhì)不同，工業(yè)生產(chǎn)中使用的超聲波物位計可分為氣介式、液介式和固介式三種，常用的是前兩種，主要由超聲波換能器和電子裝置組成超聲波換能器完成電能與超聲能的可逆轉(zhuǎn)換，它可采用自發(fā)自收的單探頭式或收發(fā)分開的雙探頭式，單探頭式物位計使用一個換能器，由控制電路控制它分時交替作發(fā)射器和接收器。8.2.2連續(xù)式超聲波物位計雙探頭式則使用兩個換能器分別作發(fā)射器和接收器。電子裝置用于產(chǎn)生電信號，以激勵超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時接收并處理超聲波換能器輸出的電信號。圖8.2.1為單探頭超聲波液位計，其中，(a)為氣介式，(b)為液介式，(c)為固介式。圖8.2.1超聲波物位計原理1.氣介式超聲波物位計單探頭氣介式超聲波物位計由于超聲波換能器的作用可逆，在反射波回來時換能器又可起到接收器作用，將超聲波變?yōu)殡娦盘栍糜嫊r器測出超聲波來回所經(jīng)歷的時間t，即可求得物位高度為：（8.2.1）式中，v為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，t為超聲波來回所經(jīng)歷的時間。2.液介式超聲波液位計探頭液介式超聲波液位計，超聲波換能器既可安裝在被測液體的底部，也可安裝在待側(cè)容器的底部外側(cè)，工作原理與氣介式類似，不同之處是供超聲波傳播的介質(zhì)為被測液體。3.固介式超聲波物位計超聲波被發(fā)射后沿固體棒向下傳播，到達液面折射后又沿液面?zhèn)飨蛄硪桓腆w棒，然后被超聲波換能器（接收器）接收，將超聲波變?yōu)殡娦盘?。用計時器測出超聲波來回所經(jīng)歷的時間t，即可求得液位高度。單探頭工作方式，即該探頭發(fā)射脈沖聲波，經(jīng)傳播反射后再接收。由于發(fā)射時脈沖需要延續(xù)一段時間，故在該時間內(nèi)的回波和發(fā)射波不易區(qū)分，這段時間所對應(yīng)的距離稱測量盲區(qū)（大約在1m左右）。探頭安裝時高出最高液面的距離應(yīng)大于盲區(qū)距離，這是單探頭工作方式應(yīng)注意的。雙探頭工作方式，由于接收與發(fā)射聲由兩探頭獨立完成，可以使盲區(qū)大為減小，這在某些安裝位置較小的特殊場合是很方便的。4．超聲波聲速補償超聲波物位計采用回聲測距的方法進行物位測量，測量的關(guān)鍵在于聲速的準確性。由于聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，而密度是溫度和壓力的函數(shù)。例如，0℃時空氣中聲波的傳播速度為331m/s，而當溫度為100℃時聲波的傳播速度增加到387m/s。因此，當溫度變化時，聲速也要發(fā)生變化，而且影響比較大，無法準確測量距離。所以，在實際測量中，必須對聲速進行較正，以保證測量的精度。1-檢測探頭；2-校正探頭；3-反射板圖8.2.2液介式超聲波液位計校正具

在圖8.2.2中在容器底部安裝兩組探頭，即測量探頭和校正探頭，校正探頭和反射板分別固定在校正具上，且安裝在容器的最底部。校正探頭到反射板的距離為L0，假設(shè)聲脈沖在介質(zhì)中的傳播速度為v0，聲脈沖從校正探頭到反射板的往返時間為t0，由式（8.2.1）可寫出如下關(guān)系：（8.2.2）假設(shè)被測液位的高度為H，測量探頭發(fā)出的聲脈沖的傳播速度為v，聲脈沖從探頭到液面的往返時間為t，同樣可寫出如下關(guān)系：

因為校正探頭和測量探頭是在同一種介質(zhì)中，如果兩者的傳播速度相等，即v=v0，則液位高度為如下關(guān)系（8.2.4）適當選擇時間單位，使t0在數(shù)值上等于L0，則t在數(shù)值上就等于被測液位的高度H。這樣便可將液位的測量變?yōu)闇y量聲波脈沖的傳播時間，因此用校正探頭可以在一定程度上消除聲速變化的影響，并且可采用數(shù)字顯示儀表直接顯示出液位的高度。校正具的安裝位置可視具體情況而定，如果容器內(nèi)各處的介質(zhì)溫度相同，即各處的聲速相等，校正具可以安放在容器內(nèi)任何地方。為了在液位最低情況下，校正具仍浸沒在介質(zhì)中，一般把校正具水平地安裝在接近容器的底部位置。

8.2.3超聲波物位開關(guān)超聲波物位開關(guān)用于判斷被測物位是否達到預(yù)定的高度，并可發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)信號。

1.氣介穿透式超聲波料位開關(guān)發(fā)射換能器接收換能器

氣介穿透式超聲波料位開關(guān)如圖8.2.3所示，物位升高到換能器高度時，超聲波聲路將會被阻斷，接收換能器就接收不到超聲波，控制器即可發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)控制信號

2.液介穿透式超聲波液位開關(guān)

液介穿透式超聲波液位開關(guān)如圖8.2.4所示，當液位處于正常范圍時，2、3探頭之間的間隙（即小槽）內(nèi)充滿氣體，由于固體與氣體的聲阻抗差別很大，超聲波的大部分將在固-氣界面上被反射，接收探頭所接收到的能量很小。當液位升高到報警限時，間隙內(nèi)充滿液體，由于固體與液體的聲阻抗接近，則超聲波穿透固-液界面時的損耗就較小，大部分超聲波能量可被接收探頭所接收。根據(jù)接收探頭所接收到的能量大小不同，可判斷換能器間隙是液體還是氣體，可判斷液位是否達到預(yù)定的高度1-不銹鋼外殼；2-發(fā)射探頭；3-接收探頭；4容器；5-接收電路；6-發(fā)射電路；7-放大器；8-功率放大器；9-控制器圖8.2.4液介穿透式超聲波液位開關(guān)

3.聲阻式超聲波液位開關(guān)

聲阻式超聲波液位開關(guān)如圖8.2.5所示，利用氣體和液體對超聲波振動的阻尼有顯著差別這一特性而工作的，換能器的輻射面1與氣體接觸時，氣體對輻射面振動阻尼較小，換能器壓電陶瓷的振幅就比較大；輻射面1與液體接觸時，液體對輻射面振動的阻尼較大，換能器壓電陶瓷的振幅就較小，配以合適的電路,可自動判斷被測液位是否到達探頭所在高度?？刂破鞲鶕?jù)所測信號觸發(fā)繼電器動作，發(fā)出相應(yīng)控制信號。

8.2.4超聲波檢測液-液相界面

利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及在不同密度液體相界面之間的反射特性來檢測液-液相界面，如圖8.2.6所示，兩種不同的液體A、B的相界面在h處，液面總高度為h1，超聲波在A、B兩種液體中的傳播速度分別為v1和v2，采用單探頭液介式方式進行測量。超聲波在液體A中傳播并被A、B兩液體相界面反射回來的往返時間為下式：（8.2.5）超聲波在液體A、B中傳播并被液面反射回來的往返時間為：（8.2.6）由式（8.2.5）和（8.2.6）可得出：（8.2.7）（8.2.8）由式（8.2.7）可知，檢測出t1、v1，即可求得相界面高度h。由式（8.2.8）可知，檢測出t1、t2和v2，也可求得相界面高度h。8.3雷達物位計8.3.1雷達物位計分類8.3.2導(dǎo)波式雷達物位計8.3.1雷達物位計分類雷達物位計有兩種工作模式：(1)脈沖波方式：工作模式與超聲物位計相似，天線周期地發(fā)射微波脈沖，并接收物料面反射回波，再對回波信號進行分析處理，計算出物位。精確度約為0.2～0.3%FS。一般中檔以下的微波物位計都采用此方式。

(2)調(diào)頻連續(xù)波方式(FrequencyModulatedContinuousWave，縮寫為FMCW)：天線發(fā)射的微波是頻率被線性調(diào)制過的連續(xù)波，當回波被天線接收到時，天線發(fā)射的信號頻率已經(jīng)改變，根據(jù)接收回波與發(fā)射脈沖的頻率差可以計算出微波發(fā)射端到物料面的距離。FMCW方式的測量電路復(fù)雜、價格較高,但是，測量精確度高,可以達到0.1%FS的測量準確度；同時，干擾回波也較易去除,所以，一般比較高端的產(chǎn)品都采用此方式。

基于上述兩種工作模式，目前市場上常見的雷達物位計有3種：調(diào)頻連續(xù)波式雷達物位計、脈沖式雷達物位計和導(dǎo)波式雷達物位計。調(diào)頻連續(xù)波式雷達物位計通過喇叭天線發(fā)射線性或非線性調(diào)制的高頻連續(xù)波，利用回波與發(fā)射波的頻率差與物位之間的關(guān)系推算物位。它屬于非接觸式測量，因此可以適用于腐蝕性測量環(huán)境。它抗干擾能力強，理論上沒有盲區(qū)，因此非常適用于近距離物位測量，其測量精度很高。但是，它的測量距離受發(fā)射功率的限制，且整體電路復(fù)雜、成本高。脈沖式雷達物位計通過喇叭天線發(fā)射周期性脈沖信號，利用反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間間隔推算物位。與調(diào)頻連續(xù)波式相同，它也具有非接觸式測量的特點，可以適用于腐蝕性測量環(huán)境，測量距離受發(fā)射功率的限制等。不同的是，其發(fā)射脈沖寬度對測量分辨率有較大影響，寬度越窄，測量分辨率越高；但是，同時其幅值也必須足夠大以實現(xiàn)一定距離的傳播。導(dǎo)波式雷達物位計的測量原理與脈沖式相似，不同之處是，它的脈沖信號沒有經(jīng)過調(diào)制，而是沿著導(dǎo)波桿傳播至被測介質(zhì)。由于導(dǎo)波桿對電磁波能量的匯聚導(dǎo)向作用，使得電磁波能量得以集中的發(fā)射至被測介質(zhì)，減少了空間發(fā)散傳播消耗，回波信號受干擾程度更小。導(dǎo)波雷達物位計不具有非接觸式測量的優(yōu)點，但是，它有以下優(yōu)點：

(1)能耗低。由于導(dǎo)波桿為信號的傳輸提供了一個高效、快捷的通道，信號的衰減程度保持在最小，其發(fā)射至導(dǎo)波體的能量約為常規(guī)雷達發(fā)射能量的10%，因此，安全性也高，更適用于易燃易爆的場合。此外，避免了用單獨的交流供電，可采用回路供電，節(jié)約安裝成本。(2)適合高溫高壓工況。常溫下最高可以在34.5MPa的高壓下工作。當導(dǎo)波桿材料為不銹鋼或陶瓷時，耐受溫度可高達400℃，耐壓高達43MPa。(3)可用于測量極低介電常數(shù)介質(zhì)。雷達物位計的回波信號幅值與被測介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系，即被測介質(zhì)介電常數(shù)越大，回波信號幅值越大。導(dǎo)波雷達物位計最低可測介電常數(shù)為1.2的介質(zhì)。(4)測量分界位。發(fā)射脈沖在介電常數(shù)發(fā)生突變的界面發(fā)生反射，因此對于產(chǎn)生分界的兩種介質(zhì)，它們的介電常數(shù)差異越大，反射波越明顯。一般上層介質(zhì)介電常數(shù)小于下層，防止因為過多能量被上層介質(zhì)界面反射。(5)可測量固態(tài)物位。固態(tài)物料包括粉末或塑料粒子。為此，本節(jié)重點介紹導(dǎo)波雷達物位計。8.3.2導(dǎo)波式雷達物位計

根據(jù)導(dǎo)波桿的形式，導(dǎo)波式雷達物位計有桿式和纜繩式兩種形式，也可稱為剛性桿和柔性桿，如圖8.3.1和圖8.3.2所示。在一般情況下，桿式導(dǎo)波雷達物位計測量范圍為6-8m，纜繩式測量范圍高達35m。導(dǎo)波式雷達物位計主要是基于兩大技術(shù)來實現(xiàn)物位測量的：時域反射技術(shù)和等效時間采樣技術(shù)。時域反射原理是物位測量的基本依據(jù)，也就是回波信號及物位計算的理論依據(jù)。等效時間采樣則是實現(xiàn)回波信號處理的前提。下面分別介紹這兩種技術(shù)的原理以及導(dǎo)波式雷達物位計的電路組成和工作過程。

導(dǎo)波式雷達物位計采用時域反射技術(shù)（TimeDomainReflectometry，簡稱TDR）。TDR測量原理如圖8.3.3所示。當物位計工作時，發(fā)射電路發(fā)射高頻窄脈沖，經(jīng)同軸電纜發(fā)射到導(dǎo)波桿上，沿導(dǎo)波桿傳播，當遇到介電常數(shù)發(fā)生突變的位置時，即遇到物料反射表面時，部分能量被反射，反射脈沖沿導(dǎo)波桿向上傳播回到物位計的接收電路，另一部分能量則繼續(xù)傳播至尾部。通過測量發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時間間隔，就可以計算出物料反射面與測量點間的距離，從而對物位實現(xiàn)準確的測量。1.時域反射原理

從圖8.3.3可以看出，介電常數(shù)發(fā)生突變的位置至少有三處：內(nèi)部電纜與導(dǎo)波桿連接點，產(chǎn)生頂部回波；空氣與物料的界面，產(chǎn)生物位回波；導(dǎo)波桿末端，產(chǎn)生尾波。在這一過程中的反射回波形成、回波極性等問題，涉及到阻抗匹配，也就是傳輸線理論，因此，下面對傳輸線理論進行簡單的介紹。傳輸線是用來傳播電磁波能量和信息的線路。當傳輸?shù)男盘栴l率比較低時，傳輸線相對于信號波長來說非常短，可忽略其影響，不用考慮波動效應(yīng)；當傳輸?shù)男盘栴l率比較高時，信號波長與傳輸線尺寸相當，此時必須考慮傳輸線效應(yīng)。傳輸線效應(yīng)，即將傳輸線等效為由無數(shù)個電阻R、電感L、電容C和電導(dǎo)G組成的Γ型網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，如圖8.3.4所示。以上四個參數(shù)是傳輸線的基本參數(shù)，也稱為分布參數(shù)。順線方向的電阻R和電感L起到消耗、阻隔的作用，被稱為金屬損耗；橫截方向的電容C和電導(dǎo)G起到分流、短路的作用，也會損耗信號部分能量，被稱為介質(zhì)損耗。信號沿傳輸線傳播時，均勻傳輸線上任意一點的電壓與電流之比稱為特性阻抗，用表示，且有：

(8.3.1)若傳輸過程中遇到線路故障點，阻抗突變，產(chǎn)生反射波，故障點的阻抗可看成負載阻抗。負載阻抗與特性阻抗的關(guān)系可用反射系數(shù)來表征：(8.3.2)(8.3.3)式中，為電磁波在傳輸線中的波速。當頻率很高時，它接近于一個恒定的常數(shù)。式中，為光在真空中的傳播速度，為傳輸線周圍介質(zhì)高頻相對導(dǎo)磁系數(shù)，為傳輸線周圍介質(zhì)高頻相對介電系數(shù)。

(8.3.4)

在導(dǎo)波雷達物位計的測量中，介質(zhì)的介電常數(shù)反映了它的特性阻抗，且介電常數(shù)越大，特性阻抗越小?？諝獾慕殡姵?shù)是1，被測介質(zhì)的介電常數(shù)普遍大于空氣，因此，用相對介電常數(shù)表示。所以，根據(jù)傳輸線理論，在圖8.3.3中，頂部回波、物位回波、干擾物回波等是負極性的，尾波產(chǎn)生于導(dǎo)波桿末端，相當于傳輸線斷路，因此是正極性的。因為大部分反射回波是負極性的，所以，在硬件電路上將上述回波顯示極性進行了互換，更有利于觀察和處理。實際的回波信號如圖8.3.7所示，圖中被測液位為水位。

同樣地，只要測出發(fā)射脈沖與物位回波的時間差，就可以測