1、宁静致远日照职业技术学院第四章第四章 物位传感器物位传感器4.14.1 物位传感器的认识物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容单元一单元一 物位传感器的认识物位传感器的认识单元内容单元内容一、知识讲解一、知识讲解 1、直读式液位计 2、浮力式液位传感器及变送器 3、差压式物位传感器 4、电容式物位传感器 5、超声波式物位传感器 6、核辐射式物位传感器 7、雷达物位传感器 8、射频导纳物位传感器二、归纳总结二、归纳总结 三、作业三、作业1学时宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识教教学学目目标标教学目标教学目标(1)了解物位测量的基本概
2、念，学习物位检测的方法和分类；(2)掌握常用的物位计如浮力式液位计、差压式液位计、电容式液位计、超声波式物位计等几种典型物位计的结构、测量原理、特点和使用方法；(3)能识别不同种类的物位传感器；(4)能区分常见物位传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。教教学学重重点点难难点点重重 点点难难 点点浮力式液位测量、差压式液位测量、超声波液位测量、电容式液位测量、超声波式物位测量、核辐射式物位测量工作过程及测量方法。各类物位测量仪表工作原理，仪表信号采集与测量。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水
3、要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。如何进行物位检测呢？宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。物位的基本概念物位的基本概念 物位物位指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和 两种不同液体介质
4、分界面的总称。两种不同液体介质分界面的总称。液位液位指容器中的液体介质的高低。指容器中的液体介质的高低。料位料位指容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。指容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。界位界位指两种不溶液体介质的分界面的高低。指两种不溶液体介质的分界面的高低。物位检测的作用物位检测的作用 确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安
5、全、正常进行。宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识一、直读式液位计一、直读式液位计 直读式液位计是根据流体的连通性原理测量液位。如玻璃管液位计、玻璃板液位计等。UGS型石英玻璃管彩色液位计是传统玻璃板及玻璃液位计的换代产品，也是一种直读式测量仪表。它具有内部结构设计严密外观造型优美，维修，安装方便等优特点。它广泛应用于石油、化工、冶金、电力、制药、造纸等行业的各种透明液体储罐及锅炉上，如油品、液化气、化工原料等介质的储罐。安装在各种液体储罐及锅炉上，通过它直观地观察到容器中液体的变化，有液部位显示绿色，无液部位显示红色，随液位升降而自动连续变化。宁静
6、致远日照职业技术学院彩色石英管液位计原理：彩色石英管液位计原理：UGS玻璃管彩色液位计有石英玻璃管，壳体，上，下阀门组件等组成一个连接体。通过法兰与储罐上的法兰对接形成一个连通回路，根据边通原理，液位计中液位高度就是容器内液体的真实高度，液位计本体运用光学的透反原理，使有液部位呈现绿色，无液部位显示红色，从而是界面清晰，泾渭分明。也可根据用户需求做成无盲区型、耐腐型等。4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 当用玻璃液位计进行精确测量时应注意注意：1、应使容器和仪器中的介质具有相同的温度，以免因密度不同而引起示值
7、误差。2、玻璃液位计管径不宜太小，以免因毛细现象而引起示值误差。3、应尽量减小连通管上的流动阻力，以减小液位快速变化时产生的动态误差。4、为了改善仪表的动态性能，也不能把连通管上的阀门省掉。当玻璃管或玻璃板一旦发生损坏时，可利用连通管上的阀门进行切断，以免事故扩大。宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识二、浮力式液位传感器二、浮力式液位传感器及变送器及变送器 1.恒浮力式液位传感器 最原始的恒浮力式液位传感器，是将一个浮子置于液体中，它受到浮力的作用漂浮在液面上，当液面变化时，浮子随之同步移动，其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用这种方法指示，下
8、图是水塔水位测量示意图。液面上的浮子由绳索经滑轮与塔外的重锤相连，重锤上的指针位置便可反映水位。但与直观印象相反，标尺下端代表水位高，若使指针动作方向与水位变化方向一致，应增加滑轮数目，但引起摩擦阻力增加，误差也会增大。1.浮子 2.沿轮组 3.重锤宁静致远日照职业技术学院2.变浮力式液位传感器变浮力式液位传感器 沉筒式液位传感器是利用变浮力的原理来测量液位的。它利用浮筒在被测液体中浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 工作原理：工作原理：当液位高度为H时，浮筒受到液体对它的浮力作用而向上移动，设浮筒实际浸没在液体中的长度为h，浮筒移动的距离
9、即弹簧的位移变化量为x，即H=h+x。当浮筒受到的浮力与弹簧力和浮筒的重力平衡时，有mg-Ahg=C（x-x)式中,为浸没浮筒的液体密度。宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 三、三、差压式液位传感器差压式液位传感器 差压式液位传感器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来检测液位的。利用压力或差压传感器测量静压的大小，可以很方便地测量液位，而且能输出标准电流信号。1、工作原理、工作原理 利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的，如图所示。设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p1，则：p2p
10、1 p1=H g+p2 p=p1-p2=H g 式中：H液位高度；介质密度；g重力加速度。宁静致远日照职业技术学院。4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识敞口容器的液位检测 密闭容器的液位检测 1-容器；2-待测液体；3-玻璃管；4-阀门若被测容器是敞口的，则气相压力为大气压，只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送器，或用压力表即可测量。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识2、零点迁移问题、零点迁移问题 差压变送器安装位置条件不同存在着仪表零点迁移问题。（1）无迁移）无迁移 理想测量条件下，液位H=0时，变送器的输入压差信号P=0，差压变送器的输出为零点信号
11、4mA。零点是对齐的：H0时p=Hg=0I0=4mA这种情况称为无迁移。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 实际应用时，由于差压变送器安装位置的限制，测量零点很难对齐，需要对变送器的零点进行迁移。（2）负迁移）负迁移 如图所示，变送器和容器之间用隔离罐隔离时：p=p1-p2 =(h1 2g+H 1g+p0)(h2 2g+p0)=H 1g-(h2-h1)2g 此时，变送器应输出4mA以下，但变送器的输出只能是420mA。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 零点迁移的方法是，另加(h2-h1)2g 信号，抵消(h2-h1)2g的影响。使：
12、H=0 时，p=0Hp0I/mAp420Hp0I/mAp420迁移后迁移后迁移前迁移前宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识（3）正迁移）正迁移 有时变送器不能和容器底部安装在同一水平面上。如图所示，有：P=Hg hg H=0 时，P=hgHp0I/mAp420宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识此时需要迁移此时需要迁移hgHp0Hp0迁移的目的：迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点相对应。使变送器输出的起点与被测量起点相对应。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识四、电容式物位计四、电容式物位计 电容物位计
13、：将物位物位的变化转换成电容量电容量的变化来进行物位测量的仪表。电容式物位计适用于适用于各种导电导电、非导电液体非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。电容物位计由传感器、电容检测两大部分组成。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 电容式物位计以电容器作为敏感元件将被测物位（液位或料位）变化转换为电容容量变化，然后再经信号调理电路处理后进行液位（料位）显示或记录的测量系统。平行板电容传感器 圆筒型电容传感器 对于平行板电容传感器，如果
14、不考虑边缘效应其电容量为 宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 显然，电容量 C 是 S，和d的函数。如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介电常数型三类。1.变极距型电容式传感器的电容量C 与极板间距d成双曲关系用于测量微小位移。2.变面积型电容传感器有线位移和角位移两种。3.变介电常数型电容传感器的电容量C与被测介质的介电常数和厚度有关，如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪、液位（料位）计。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 电容式物位计在使用时
15、主要应注意以下几点：电容式物位计在使用时主要应注意以下几点：1、电极必须垂直安装，安装前要校直。2、注意不要把电极安装在管口、孔、凹坑等里面，以防止介质停留而造成误动作。3、仪表的同轴电缆芯线不允许进水，必须严格予以注意。4、同轴电缆不许切断或加长，因为在校验中已计入初始电容量，否则将影响零点和整个线性。5、当被测介质改变后，需重新调整仪表。6、当周围温度与调整时的温度偏离过大时，则必须重新调整仪表。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 五、超声波式物位传感器 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，它按频率不同可分为次声波、声波和超声波等。物位检测中常用超声
16、波的工作频率范围为0.2520MHz，超声波在介质中传播时具有方向性好、能量损失小等特点，在气体、液体及固体中传播时，具有一定的传播速度，在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗(声速与介质密度的乘积)差别较大的相界面，几乎为全反射。超声波式物位传感器按使用特点不同可分为：连续式超声波物位计和超声波物位开关两大类。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 物位测量过程中，超声波信号由超声波探头发出，经液体或固体物料表面反射后折回，由同一个探头接收，测量超声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。声波传输距离与声速和声传输时间的关系可用公式表示：L=vt/2
17、L：超声波探头距所测料面距离。单位：m；v：经温度补偿后的声速值。单位：m/s；t：测量范围内声波的运行时间。单位：s1、连续式超声波物位计、连续式超声波物位计五、超声波式物位传感器双探头液介式超声波液位计，被测液位高度可用下式表示 2224LtvL宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 物位升高到换能器高度时，超声波声路将会被阻断，接收换能器就接收不到超声波，控制器即可发出相应的开关控制信号。发射换能器器接收换能器发射换能器接收换能器（1）气介穿透式超声波物位开关 用于判断被测物位是否达到预定的高度，并可发出相应的开关信号。2、超声波物位开关4.1 物位传感器的认识
18、物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识料位正常时料位达到报警限时 液介穿透式超声波物位开关是利用固体与液体和固体与气体的声阻抗差有差别特性而工作。当液位处于正常范围时，换能器之间的间隙（即小槽）内充满气体，由于固体与气体的声阻抗差别很大，超声波的大部分将在固-气界面上被反射，接收换能器所接收到的能量很小。当液位升高到报警限时，间隙内充满液体，由于固体与液体的声阻抗接近，则超声波穿透固-液界面时的损耗就较小，大部分超声波能量可被接收换能器所接收。根据接收换能器所接收到的能量大小不同，可判断换能器间隙是液体还是气体，可判断液位是否达到预定的高度。（2）液介
19、穿透式超声波物位开关发射换能器接收换能器不锈钢外壳宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 声阻式超声波物位开关是利用气体和液体对超声波振动的阻尼有显著差别这一特性而工作的。换能器的辐射面与气体接触时，气体对辐射面振动阻尼较小，换能器压电陶瓷的振幅就比较大；辐射面与液体接触时，液体对辐射面振动的阻尼较大，换能器压电陶瓷的振幅就较小。配以合适的电路，可自动判断被测液位是否到达探头所在高度。辐射面超声波换能器（3）声阻式超声波物位开关宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 当放射源和被测介质确定后，I。和就都是常数，测出I即可求得被测介质厚度。Ho
20、eII 射线的透射强度与介质厚度有关，在入射强度一定的情况下，透射强度会随着介质厚度的增加按指数规律衰减，其关系式为 1、基本原理六、六、核辐射核辐射式物位传感器式物位传感器宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 核辐射式物位计由放射源、接收器和显示仪表三大基本部分组成。放射源多选用穿透能力较强的射线源。接收器由探测器与前置放大器组成，探测器作用是将接收到的射线强转变成电信号，并送给前置放大器，用于检测射线的常用探测器有闪烁计数管、盖革计数管和电离室等。显示仪表接收接收器输出的电脉冲信号并进行整形、计数等一系列处理后，显示被测物位值并可输出标准信号。接 收器显 示 仪
21、表放 射源器2、结构宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识（c）（b）（a）1-放射源2-接收器212121 核辐射式物位计有固定式和随动式之分，放射源有点源和线源之分，探测器也有单点探测器和线探测器之分。3.核辐射式物位计的类型宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 （c）放射源装于容器底部，探测器装于容器的顶部，射线穿过被测液体和液体上方的气体。这种方式可连续检测液位。（a）属于定点物位检测方法，将放射源和探测器相向安装在容器的同一水平面上，当物位超过和低于此平面时，接收器接收到的射线强度会发生急剧变化，显示仪表即可显示此时的物位高度并可
22、发出上、下限报警信号，但不能进行物位的连续测量。（b）是放射源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。随着容器内物位的变化，射线的衰减程度也发生相应的变化，这种方法可对物位进行连续测量，测量范围较窄，测量准确度较低。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 当物位发生变化时，探测器接收到的射线强度与平衡状态时不同，此信号经放大等处理后，控制放射源和探测器沿导轨升降，直至到达平衡位置为止，从而实现对物位的自动跟踪，同时将被测物位由显示仪表进行显示。1-放射源；2-接收器；3-导轨自动跟踪方式2133宁静致远日照职业技术学院
23、4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识七、雷达物位传感器七、雷达物位传感器 雷达物位传感器又称微波物位计。它运用了微波的特性。微波是波长为0.0011m的电磁波，具有良好的定向辐射和传播特性，遇到各种障碍物都能够产生良好的反射，且反射率随介质的导电度或介电常数的增大而增大，具有很强的环境适应能力，传输过程中受粉尘、烟雾或强光的影响很小。利用雷达测距原理，物位计的天线向被测物料面发射出较短波段的微波脉冲，一部分微波穿过介质，而另外一部分则在被测物料面发生反射，并被天线所接收。发射波和接收波的时间差与物料面距天线之间的距离成正比，测出传播时间便可知距离，进而可求得物位高度。宁静致远日照职业技术学
24、院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 位式雷达物位计是将发射器和接收器分别装在容器壁两侧的同一水平面上，当物位低于微波束的传播路径时，接收器可接收到信号，当物位升高到波束处时，微波被反射或吸收，接收器接收到的信号将会非常微弱，可进行物位的上下限报警。发射器接收器位式雷达物位计 电 子 线路固 定 装置天线号角天线 棒状天线 雷达物位计天线 1.1.位式雷达物位计位式雷达物位计 连续式雷达物位计是将发射器和接收器安装在容器的顶部，可对物位进行连续检测。2 2.连续式雷达物位计连续式雷达物位计 宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 由于发射的信号是频率随一定时间间
25、隔（即扫描频率）线性增加的调频连续波（FMCW），发射波与反射波的频率差值就与天线到被测介质表面的距离成正比，距离越大，频率差值也越大，通过对频率差值进行检测便可知被测液位的高度。3.3.调频式雷达物位计调频式雷达物位计 调频式雷达物位计采用复合脉冲雷达技术，将一段经调制的脉冲信号由同一天线发射并接收 调频式雷达物位计宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识 微波脉冲沿杆或缆的外侧向下传播，在被测物料表面上被反射、回波被天线接收，由发射脉冲与回波脉冲的时间差即可计算出传播距离。4.4.导波式雷达物位计导波式雷达物位计发射器、接收器HH0导波体导波式雷达物位计宁静致远日照
26、职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识5.5.反射式雷达液位计反射式雷达液位计发 射器接收器LH发射器、接收器HH0测功率法 测时间法 利用微波反射原理制成的，可实现液位的连续检测或定点控制 。宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识（1）测功率法 21kPkH k1为增益常数，与微波波长、发射功率及天线的增益等有关；k2为距离常数，与发射天线与接收天线之间的距离L及天线的安装位置和安装方法等有关，只要测出接收天线所接收到的微波功率，既可计算出天线距被测液位的高度H，进而可求得
27、被测液位的高度。（2）测时间法 发射器向被测液面发射较短波段的微波脉冲，在被测液面产生反射后，由接收器接收，被测液位高度可用下式计算tvHH20宁静致远日照职业技术学院4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识八、射频导纳物位计八、射频导纳物位计 射频导纳物位计是在电容式物位计测量原理的基础上发展起来的一种物位测量技术。对于电容式物位计在测量粘附性导电物料时，物料会粘附在传感电极的绝缘层上(挂料)，形成虚假液位，产生很大的测量误差。应用射频导纳技术，对电容式物位仪表进行改造，变单纯的测量传感电极的电容变化为测量传感电极的复数阻抗变化，从而排除挂料的影响。宁静致远日照职业技术学院射频导纳的基本原理
28、射频导纳的基本原理 射频导纳中导纳的含义为阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分和电感性成分综合而成。而射频是指高频无线电波谱，所以射频导纳可以理解为用高频无线电波测量被测系统的导纳。粘附在传感电极上的挂料只是很薄的一层，其横截面积与料位以下物料的横截面积相比可以忽略。我们知道一根一定长度的导线，其电阻值和导线本身的截面积成反比。正是由于物料的截面积远远大于挂料层的截面积，而且被测物料具有良好的导电性，因而认为物料的电阻非常小，可以忽略不计。所以认为物料的电位与金属外电极的电位一样，从而把物料当做电容的一个极板。但挂料层的电阻却很大，不能忽略。因此从电学的角度，挂料层可等效为一条由无穷多个电容和电阻组成的传输线。如右图所示：挂 料 电 阻传 感 器绝 缘 层导 电挂 料4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识宁静致远日照职业技术学院主要内容主要内容4.1 物位传感器的认识物位传感器的认识归纳总结归纳总结作业作业 以表格的形式，总结各种物位传感器的工作原理、性能特点、应用场合，逐条分析物位传感器选用的规定。物位传感器是工程中应用较为广泛的一种传感器。
