1、第第7 7章章 物位检测技术物位检测技术7.1 液位检测方法液位检测方法7.2 料位检测方法料位检测方法7.3 相界面的检测相界面的检测7.1 液位检测方法液位检测方法 液位检测总体上可分为直接检测直接检测和间接检间接检测测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法压力法、浮力法浮力法、电学法电学法、热学法热学法等。7.1.1 直接测量法直接测量法 直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位引入带有标尺的观察管中，通过标尺读
2、出液位高度高度。下图所示的是玻璃管液位计。7.1.2 压力法压力法 压力法依据液体重量所产生的压力进行测压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：gPH 下面图7-2为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。(a)压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器 (c)吹气式液位计 对于密闭容器中的液位测量，除可应用上述三种液位计外，还可用差压法差压法进行测量，它可在测量过程中消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，下图7-3示出差压式液位计测量原理
3、。7.1.3 浮力法浮力法 浮力法测液位是依据力平衡原理浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮浮子式子式、浮筒式浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。1.钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图7-4为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。2.浮筒式液位计浮筒式液位计 浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变
4、化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。图中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器。图7-5所示的液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即 液位高度变化与弹簧变形量成正比。液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。GgAHkx7.1.4 电学法电学法 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统
5、一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。1.1.电阻式液位计电阻式液位计 电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。右图7-6为用于连续测量的电阻式液位计原理图。图中：1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥 该液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整个传感器电
6、阻为 该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。hKKhAHAhHAR21222 2.2.电感式液位计电感式液位计 电感式液位计利用电磁感应现象，液位变电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。图7-7为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导不导磁管子磁管子、导磁性浮子导磁性浮子及线圈线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控
7、制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。图中：1、3-上下限线圈；2-浮子 3.3.电容式液位计电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电容电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。器电容量大小的原理进行测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板平极板式式、同心圆柱式同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质导电介质和非导电介质非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器。还能用于连续测量。(1)(1)检测原
8、理检测原理 在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如右图7-8所示。同心圆柱式电容器的电容量：式中：D、d外电极内径和内电极外径 (m)；极板间介质介电常数(F/m)；L 极板相互重叠的长度(m)。液位变化引起等效介电常数变液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。这就是电容式液位计的检测原理。图中：1-内电极；2-外电极。dDLCln2(2)(2)安装形式安装形式 右图7-9为用来测量导导电介质电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而
9、导电液体和容器壁构成电容器的外电极。1-内电极；2-绝缘套 右图7-10为用于测量非导电介质非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。图中：1、2-内、外电极；3-绝缘套；4-流通孔。7.1.5 热学法热学法 在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。由于测量条件的特殊性，目前除使用核幅射法外，还常用热学方法进行检测。它利用了高温熔融液体本它利用了高温熔融液体本身的特性，即在空气和高温液体的分界身的特性，即在空气和高温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用测量温面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方法间接获得高温
10、金属熔液液位。度的方法间接获得高温金属熔液液位。热学法按温度测量转换原理的不同，通常又分为热电法热电法和热磁感应法热磁感应法。1.热电法热电法 热电法采用热电偶测量温度场，右图7-11为热电偶测量高温金属熔液液位原理图。图中:a-容器壁；b-凝固金属；c-钢水；d-热电偶。图7-11热电偶测量高温金属熔液液位原理图 在容器壁上选定一系列测量点，装上热电偶，并将各测点上热电偶的输出记录下来，得到如图7-12所示的温度-电势分布曲线，曲线上反映出第7个和第8个测点之间产生了温度突变，因此液面就在第7与第8测点之间。图7-12 温度-电势分布图 热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；
11、而且精度与热电偶分布、而且精度与热电偶分布、安装情况有关。安装情况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点，则可提高金属液位测量分辨力和测量精度。另外，热电偶工作端与容器的接触点要细而牢固，为此可将热电偶丝焊在容器壁上，由容器壁充当热电偶的另一极。这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控制方法 2.热磁感应法热磁感应法 热磁感应法也称热磁敏法热磁感应法也称热磁敏法.前面热电法测温元件为一组耐高温热电法测温元件为一组耐高温热电偶热电偶，它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电势大小的变化；热磁热磁感应法测温元件为一组热敏磁性元件感应法测温元件
12、为一组热敏磁性元件，把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电抗（电感）大小的变化。7.1.6 超声波法超声波法超声波液位计利用波在介质中的传播超声波液位计利用波在介质中的传播特性。特性。因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式气介式、液介式液介式和固介式固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的自发自收的单探头方式单探头方式和收发分开的双探头方式收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。(a)气介式 (b)液介式 (c)固介式图7-13
13、单探头超声波液位计 由图7-13看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为t ，则：L是与液位有关的量，故测出L便可知液位，L的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。tCL21单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。超声波液位测量超声波液位测量有许多优点：u与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；u超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，
14、因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；u不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；u能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。超声波液位测量超声波液位测量也有缺点：u超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；u当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；u有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。7.1.7 核幅射法核幅射法 不同物质对同位素射线的吸收能力不同，不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体
15、最差一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0之间有如下关系：式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。HeII0IIHlnln10 核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成仪表组成。辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电
16、流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。图7-14所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中(a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好；(b)为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。a)b)图7-14 核辐射式液位计1-放射源；2-接收器 辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。以上这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆
17、炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。7.1.8 微波法微波法 在电磁波谱中将波长为在电磁波谱中将波长为11000mm的电的电磁波称为微波磁波称为微波。微波的特点是:(1)在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；(2)在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。1.反射式微波液位计反射式微波液位计 利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液位定点控制。图7-15反射式微波液位计原理图 微波功率的测量通常可用热电热电或热阻热阻等元件，再配合相应的测量电路，最后经数
18、据采集和信号处理根据接收到的微波信号功率，显示和输出液位测量结果。在测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收，因此可能会对测量结果产生较大的影响，对此应该引起足够重视。2.调频连续波式物位计调频连续波式物位计 图7-16是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。图7-16 调频式微波物位计 通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。调频连续波式微波物位计工作原理如图所7-17所示。图 7-17调频式微波液位
19、计原理示意图 固态源频率变化规律为：式中 ：T调制波周期；F调制波频率；固态源初始频率；本振频率；固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围；时间。02000022fdfffffF ftTdt0f2f0ft回波频率为：式中 回波频率；微波往返于被测对象之间的延迟时间t=2L/C，C为光速，L为被测距离；1002ffF ftt1ft所以，差频频率 为 由上式整理得被测距离L为从上式可以看出被测距离L与差频频率 成正比。当固态源的调制频率F和频偏 一定时，只要测出 ，就可以计算得到L。f0210422F fLfffF fLCC 04C fLF ffff 当固态工作频偏 =300 MHz，调制频率F=1
20、kHz,则有：即被测距离L 每变化1 m时，差频频率为4 kHz。采用三角波双重调制可以克服调频式微波物位计的部分固有误差；加上采取其他措施，微波物位计的测量精确度可达1%。测量范围一般为0.520 m，最大可达几十米（由固态源发射功率大小决定）以上。0f6384 1000 300 104 103 10fLL 7.1.9 磁电法磁电法 利用磁电转换原磁电转换原理理进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出的新产品，图7-18为磁致伸缩液位计原理图。图7-18磁致伸缩液位计原理图 7.1.10 光学法光学法 激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测
21、量精度大为提高。激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在液位测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。7-19 反射式激光液位检测原理图1-激光发射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器 7.2 料位检测方法料位检测方法 由于固体物料的状态特性与液体有些差别，因此料位检测既有其特有的方法，也有与液位料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法检测类似的方法，但这些方法在具体实现时又略有差别、本节将介绍一些典型的和常用的料位检测方法。7.2.1 重锤探测法重锤探测法 重锤探测法原理示意图如图7-20所示。重锤连在与电机相
22、连的鼓轮上，电机发讯使重锤在执行机构控制下动作，从预先定好的原点处靠自重开始下降，通过计数或逻辑控制记录重锤下降的位置；当重锤碰到物料时，产生失重信号，控制执行机构停转反转，使电机带动重锤迅速返回原点位置。图 7-20 重锤探测式料位计1-重锤；2-伺服电机；3-鼓轮 7.2.2 称重法称重法 一定容积的容器内，物料重量与料位高度一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的应当是成比例的，因此可用称重传感器或测 力传感器测算出料位高低。图7-21为称重式料位计的原理图 图 7-21 称重式料位计 图7-22 电极接触式料位计1-支承；2-称重传感器 1-绝缘套；2、3、4=电极 5-信号
23、器；6-金属容器壁 7.2.3 电磁法电磁法 电阻式和电容式物位计同样适用于料位检测，但传感器安装方法与液位测量有些差别。1.电阻式物位计电阻式物位计 电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制，因此也称作电极接触式物位计电极接触式物位计。其测量原理示意图如图7-22所示。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。2.电容式料位计电容式料位计电容式料位计测量原理示意图如图7-23所示。其应用非常广泛，不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质的物料，如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性等物料。但是由于固体摩擦力大，容易“滞留”
24、，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。图7-23 电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套7.2.4 声学法声学法 上一节介绍过利用超声波在两种密利用超声波在两种密度相差较大的介质间传播时发生全反射度相差较大的介质间传播时发生全反射的特性进行液位测量的特性进行液位测量，这种方法也可用于料位测量。除此以外，还可用声振动法进行料位定点控制。图7-24为音叉式料位信号器原理图，它是由音叉、压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发出信号。图
25、7-24 音叉式料位控制器 7.2.5 光学法光学法 光学法是一种比较古老的料位控制方法。一般只用来进行定点控制，工作方式采用遮断一般只用来进行定点控制，工作方式采用遮断式式。在储料容器一侧安装激光发射器，另一侧安装接收器，当料位未达到控制位置时接收器能够正常接收到光信号，而当料位上升至控制位置时，光路被遮断，接收器接收的信号迅速减小，电子线路检测到信号变化后转化成报警信号或控制信号。7.2.6 微波法微波法 图7-25为定点式微波料位计原理示意图。图中的振荡器为一高频振荡器，可用速调管、磁控管或微波固体元件构成。小型的微波振器可用体效应管体效应管、微波砷化微波砷化镓金属半导体场效应三极管镓金
26、属半导体场效应三极管、高迁移率场效应高迁移率场效应三极管三极管等作发生器，产生的微波用波导管引到辐射天线而发射出去。发射天线与接收天线有扇形扇形、角锥形角锥形或圆圆锥形锥形等嗽叭筒天线，可保证辐射波有良好的方向。此外还有一种介质天线，方向性更好。振荡器产生的微波电流，馈送给安装在料面一侧的发射天线向料面发射出去，经过料上方被接收天线接收。当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线接收，经前置放大器放大到适当的电平后馈送到电子放大器，经检波、放大后，与定电压比较，发出正常工作的信号，表示料位没有超过规定高度。这时接收器由天线收到的功率为：式中：微波发射与接收天线的增益；微波的波长；发射与
27、接收天线的距离；馈送给发射天线的功率。riioGGPdP24iGrG diP 当料位升高到遮断微波束时，微波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率 为式中 为衰减系数，决定于物料的电磁性能、颗粒大小、堆积形状及含水量等。此时微波被接收后经放大并在电压比较电路与定电压进行比较，其电位低于定电压，使仪表发出料位高的信号。这种定点式微波物位这种定点式微波物位计很适合于物位测量的上、下限报警用。计很适合于物位测量的上、下限报警用。rP0PPr7.3 相界面的检测相界面的检测 相界面的检测包括液液-液相界面液相界面、液液-固相固相界面的检测界面的检测。液液-液相界面检测液相界面检测与液
28、位检测相似，因此各种液位检测方法及仪表(如压力式液位计、浮力式液位计、反射式激光液位计等等)都可用来进行液-液相界面的检测。液液-固相界面检测固相界面检测与料位检测相似，因此重锤探测式、吊锥式、称重式、遮断式激光料位计或料位信号器也同样可用于液-固相界面的检测控制。此外，电阻式物位计、电容式物位计、超声波物位计、核幅射式物位计等均可用来检测液液-液相界面液相界面和液液-固相界面固相界面。进行相界面的检测必须了解被测介质的物理性质的差别，才能正确选择合适的测量方法。例如，若选用电阻式(或称电极式)物位计检测时，应当明确对被测介质的要求，即位于容器下部密度较大的一相导电而浮于上面密度较小的一相不导电，如此等等。
