1、2第七章第七章 力学量检测技术力学量检测技术7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法7.3 7.3 相界面的检测相界面的检测7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法v直接检测直接检测v间接检测间接检测 更常用更常用 即将液位信号转化为其它相关信号进行测量即将液位信号转化为其它相关信号进行测量 压力法压力法、浮力法浮力法、电学法电学法、热学法热学法等等7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 3v7.1.1 直接测量法直接测量法连通器原理连通器原理 观察管，标尺观察管，标尺 优点：简单，成本低，安全 缺点：不利于远传，读数误差7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 4 玻璃管液位计玻璃管液位计
2、 压力表式液位计压力表式液位计 法兰式液位变送器法兰式液位变送器 吹气式液位计吹气式液位计v7.1.2 压力法压力法 依据液体重量所产生的压力进行测量。依据液体重量所产生的压力进行测量。常压开口容器液位高度常压开口容器液位高度H与液体静压力与液体静压力P之间关系：之间关系：7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 5gPHv差压法差压法7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 6出差压式液位计测量原理出差压式液位计测量原理v7.1.3 浮力法浮力法 基本原理：力平衡原理基本原理：力平衡原理。借助浮子借助浮子浮子式液位计浮子式液位计 液位高度变化液位高度变化 浮子浮子位置位置变化变化 液位变化液
3、位变化 浮子式液位计浮子式液位计按浮子形状不同可分为：按浮子形状不同可分为：浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等 按机构不同可分为：按机构不同可分为：钢带式钢带式、杠杆式杠杆式等等7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 7v 1、钢带浮子式液位计、钢带浮子式液位计7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 8直读式钢带浮子式液位计直读式钢带浮子式液位计24DgFH灵敏度：灵敏度：7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 9采用光电编码器进行位移测量采用光电编码器进行位移测量v 2、浮筒式液位计、浮筒式液位计液位变化液位变化浮筒浸没体积浮筒浸没体积变化变化浮力变化浮力变化7.1 7.1 液位检测方法液
4、位检测方法 10 浮筒式液位计浮筒式液位计GgAHkxxgAkH)1(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 GxHHgAxxk)()(v7.1.4 电学法电学法按工作原理可分为电阻式、电感式和电容式。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，且输出可转换为统一的电信号。与电动单元组合仪表配合使用，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 11v 1、电阻式液位计、电阻式液位计 基本原理基本原理：液位变化：液位变化电极间电阻变化电极间电阻变化 定点液位控制；液位连续测量；7.1 7.1 液位检测方法液位检测
5、方法 127.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 13连续测量的电阻式液位计连续测量的电阻式液位计hH两根电极是材料、截面积相同两根电极是材料、截面积相同且具有大电阻率的电阻棒，两且具有大电阻率的电阻棒，两端固定并与容器绝缘。整个端固定并与容器绝缘。整个传传感器电阻感器电阻为：为：hKKhAHAhHAR21222电阻棒表面生锈，极化，液体腐蚀会影响测量精度电阻棒表面生锈，极化，液体腐蚀会影响测量精度v 2、电感式液位计、电感式液位计 基本原理基本原理：液位变化：液位变化线圈电感变化线圈电感变化感应电流变化感应电流变化 定点液位控制；液位连续测量；7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 14
6、 电感式液位控制器电感式液位控制器1 1、3-3-上下限线圈；上下限线圈；2-2-导磁性浮子导磁性浮子 浮子和介质接触，不适宜测量容易结浮子和介质接触，不适宜测量容易结垢，腐蚀性强的液体垢，腐蚀性强的液体 v 3、电容式液位计、电容式液位计 基本原理基本原理：液位高低变化：液位高低变化 电容器电容量变化电容器电容量变化 结构形式结构形式：平极板式、同心圆柱式等：平极板式、同心圆柱式等 适用范围广泛适用范围广泛：对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格；测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位 定点液位控制；液位连续测量；7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 15v（1）检测原理）检测原理 7.
7、1 7.1 液位检测方法液位检测方法 16同心圆柱式电容器同心圆柱式电容器液位变化液位变化介电常数变化介电常数变化电容量变化。电容量变化。dDLCln2v（2）单电极电容液位计）单电极电容液位计 用来测量用来测量导电介质导电介质的。的。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 17 单电极电容液位计单电极电容液位计当容器内有液体时当容器内有液体时v 有液体部分有液体部分由内电极与导电由内电极与导电液体组成电容器，绝缘体作液体组成电容器，绝缘体作介电层。介电层。v 无液体部分无液体部分内电极与容器壁内电极与容器壁组成电容器，绝缘体和空气组成电容器，绝缘体和空气作介电层：作介电层：7.1 7.1
8、液位检测方法液位检测方法 18 单电极电容液位计单电极电容液位计dDHLdDHC00ln)(2ln2当容器内没有液体时当容器内没有液体时7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 19 单电极电容液位计单电极电容液位计dDLC000ln2液体为液体为H时，电容变化量时，电容变化量HdDCCCxln20dDSln2灵敏度：灵敏度：v（3）同轴双层电极电容式液位计）同轴双层电极电容式液位计7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 20 同轴双层电极电容式液位计同轴双层电极电容式液位计用于测量用于测量非导电介质非导电介质内电极和与之绝缘的同轴金属内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极。套组成电容的
9、两极。外电极上开有很多流通孔使液外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。体流入极板间。当容器内有液体时当容器内有液体时v 有液体部分有液体部分由液体和绝缘体由液体和绝缘体作介电层。作介电层。v 无液体部分无液体部分由绝缘体和空气由绝缘体和空气作介电层。作介电层。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 21 同轴双层电极电容式液位计同轴双层电极电容式液位计HdDCCCxln)(2007.1 7.1 液位检测方法液位检测方法22v 特殊安装形式特殊安装形式：大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，使用单电极靠近容器壁安装，与容器壁构成电容器的两极；大型容器或非导电容器内装非导电介质，可
10、用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；极低温度下的液态气体，被测介质介电常数接近空气介电常数，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，相当于多个电容并联。v7.1.5 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。利用高温熔融液体本身的特性，即在空气和高温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。按温度测量转换原理的不同，分为：热电法 热磁感应法7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 23v 1、热电法、热电法 采用热电偶测量温度场采用热电偶测量温度场7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 2
11、4热电偶测量高温金属熔液液位热电偶测量高温金属熔液液位温度温度-电势分布图电势分布图 v 热电偶测液位是一个较为粗略的热电偶测液位是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；而且测量方法，精度一般不高；而且精度与热电偶分布、安装情况有精度与热电偶分布、安装情况有关；关；v 液位连续测量；虽然精度不高，液位连续测量；虽然精度不高，但很可靠；在某些应用场合中，但很可靠；在某些应用场合中，仍是一种很适用的方法。仍是一种很适用的方法。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 25热电偶测量高温金属熔液液位热电偶测量高温金属熔液液位v 2、热磁感应法、热磁感应法 也称热磁敏法，类似热电法，在容器外壁上焊上一
12、系列热敏磁性材料，对应每个磁性元件安装一个测量线圈并通以交流电；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 7.1 液位检测方法液位检测方法 26v7.1.6 超声波法超声波法全反射条件：光从光密介质射到它与光疏介质的界面上；入射角等于或大于临界角。利用波在介质中的传播特性：超声波在由气体传 播到液体或固体中，或者由固体、液体传播到空 气中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生 反射。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 27在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 28按按探
13、头的工作方式探头的工作方式可分：可分：自发自收的单探头方式自发自收的单探头方式 收发分开的双探头方式收发分开的双探头方式按按传声介质传声介质可分：可分：气介式，液介式和固介式气介式，液介式和固介式7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 29 气介式气介式 液介式液介式 固介式固介式单探头超声波液位计单探头超声波液位计 7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 30缺点缺点：结构复杂，价格相对昂贵；：结构复杂，价格相对昂贵；传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化；传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化；有些物质对超声波有强烈吸收作用。有些物质对超声波有强烈吸收作用。优点优点：振幅小
14、，仪器寿命长；：振幅小，仪器寿命长；适用有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；适用有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；连续测量和定点测量，提供遥测或遥控信号；连续测量和定点测量，提供遥测或遥控信号；能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位。能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位。v7.1.7 核辐射法核辐射法 入射强度为入射强度为I0的射线射入厚度为的射线射入厚度为H的介质时，会有一部的介质时，会有一部分被介质吸收掉，透过介质的射线强度为分被介质吸收掉，透过介质的射线强度为I，则则I与与I0之间有之间有如下关系：如下关系：HeII07.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 31IIHl
15、nln10 核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。盖革计数管吸收射线，每接收到一个盖革计数管吸收射线，每接收到一个 粒子，就输出一个粒子，就输出一个脉冲电流。经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再脉冲电流。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。经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 32固定安装方式的核幅射液位计固定安装方式的核幅射液位计优点：优点：既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制。既可进行连续测量，也可进行
16、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，能实现完全非接触测量。各种介质，包括固体，能实现完全非接触测量。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、有爆炸性、易结晶、沸腾状态高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。介质、高温熔融体等的液位测量。缺点：缺点：控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。7.1 7.
17、1 液位检测方法液位检测方法 33v7.1.8 微波法微波法v 定义：定义：微波：电磁波谱中波长为微波：电磁波谱中波长为11000mm的电磁波的电磁波。v 特点：特点：1）在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向）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；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）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。，具有很强的环境适应能力。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 34v1、反射式微波液位计反射式微波液位计7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 35利用微波反射原理，可以连续检测与实
18、现液位定点控制利用微波反射原理，可以连续检测与实现液位定点控制反射式微波液位计反射式微波液位计 7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法36接收天线接收到的微波接收天线接收到的微波功率功率为：为：22424)(HdGGPrriiP22122411424)(HKKHdGGPrriiP1K增益常数增益常数2K距离常数距离常数rrPPKKH/217.1 7.1 液位检测方法液位检测方法37微波功率的测量：微波功率的测量：通常可用热电或热阻元件，配合相应的测量电路。通常可用热电或热阻元件，配合相应的测量电路。用专门的微波检波管（如用专门的微波检波管（如2DV2DV检波二极管）检波成直流电流由检波二极管
19、）检波成直流电流由 微安表直接显示。微安表直接显示。注意注意测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）测量环境有大量水蒸汽时，由于水（蒸汽）对微波有强烈吸收，会产生较大误差。对微波有强烈吸收，会产生较大误差。v2、调频连续波式物位计调频连续波式物位计7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 38 将发射、接收天线装在被将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。位进行连续测量。抗机械噪声、电磁噪声能抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。地测出
20、目标物体的物位值。调频式微波物位计调频式微波物位计 7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 39调频式微波液位计原理调频式微波液位计原理7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 4004C fLF f被测距离为被测距离为F F 调制波频率；调制波频率；0f固态源在调制信号固态源在调制信号1/21/2周期内的频偏范围；周期内的频偏范围；即：即：被测距离被测距离L与差频频率成正比。当固态源的调制频率与差频频率成正比。当固态源的调制频率和频偏一定时，只要测出和频偏一定时，只要测出差频差频，就可以计算得到，就可以计算得到L。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 41例如例如，当固态工作频偏，当固
21、态工作频偏300 MHz，调制频率，调制频率1kHz,则有：则有：6384 1000 300 104 103 10fLL 被测距离被测距离L L每变化每变化1m，差频频率为，差频频率为4kHz测量精确度可达测量精确度可达1%。测量范围一般为测量范围一般为0.5-20m，最大可达几十米最大可达几十米v7.1.9 磁电法磁电法 磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计：利用：利用磁电转磁电转换原理换原理的。的。由探测杆（内装有磁致伸缩线由探测杆（内装有磁致伸缩线），电路单元和浮子三部分组成。），电路单元和浮子三部分组成。分辨力：0.5mm 精度等级：0.21.0级 7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 4
22、2磁致伸缩液位计原理磁致伸缩液位计原理7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 437.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 44v7.1.10 光学法光学法 激光式液位仪：激光发射器、接收器、测量控制电路。激光式液位仪：激光发射器、接收器、测量控制电路。一般一般只用作定点检测控制只用作定点检测控制，不易进行连续测量。，不易进行连续测量。7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 45反射式反射式 遮断式遮断式 7.1 7.1 液位检测方法液位检测方法 46反射式激光液位检测原理图反射式激光液位检测原理图1-1-激光发射器；激光发射器；2-2-上液位接收器；上液位接收器；3-3-下液位接收器下液
23、位接收器 由于固体物料的状态特性与液体有些差别，由于固体物料的状态特性与液体有些差别，料料位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的位检测既有其特有的方法，也有与液位检测类似的方法方法，但这些方法在具体实现时又略有差别。，但这些方法在具体实现时又略有差别。7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 47v7.2.1 重锤探测法重锤探测法7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 48重锤探测式料位计重锤探测式料位计1-1-重锤；重锤；2-2-伺服电机；伺服电机；3-3-鼓轮鼓轮 开始下降开始下降计数计数 失重失重停止计数停止计数方法简单，精度不高方法简单，精度不高7.2 7.2 料位检测方法料位
24、检测方法 49v7.2.2 称重法称重法7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 50称重式料位计称重式料位计1-1-支承支承 2-2-称重传感器称重传感器一定容积的容器内，物料重量一定容积的容器内，物料重量与料位高度应当是成比例的与料位高度应当是成比例的 方法简单，精度不高方法简单，精度不高电极接触式料位计电极接触式料位计1-1-绝缘套；绝缘套；2 2、3 3、4-4-电极电极 5-5-信号器；信号器；6-6-金属容器壁金属容器壁v7.2.3 电磁法电磁法v 1、电阻式物位计、电阻式物位计一般用作料位的定点控制。一般用作料位的定点控制。物料是导电介质或本身虽不导电物料是导电介质或本身虽不导电
25、但含有一定水分能微弱导电。但含有一定水分能微弱导电。不宜于测量粘附性的浆液或流体，不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物料的粘附而产生误信否则会因物料的粘附而产生误信号。号。7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 51v 2、电容式物位计、电容式物位计不仅能测不同性质的液体，而且不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质的物料。还能测量不同性质的物料。固体摩擦力大，容易固体摩擦力大，容易“滞留滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。双层电极，而是只用一根电极棒。为了消除介质因素引起的测量误为了消除介质因素引起的测量误差，引入辅助电极。
26、差，引入辅助电极。7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 52电容式料位电容式料位1-1-金属电容；金属电容；2-2-测量电极；测量电极；3-3-辅助电极；辅助电极；4-4-绝缘套绝缘套0LHdDCxln207.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 53000ln2LdDCL则：则：00LHCCLx电容式料位电容式料位1-1-金属电容；金属电容；2-2-测量电极；测量电极；3-3-辅助电极；辅助电极；4-4-绝缘套绝缘套主电极：主电极：辅助电极：辅助电极：0Lv7.2.4 声学法声学法工作原理工作原理：是通过安装在音叉基：是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一座上的一对压电晶体使音叉
27、在一定共振频率下振动。当音叉与被定共振频率下振动。当音叉与被测介质相接触时。音叉的振幅和测介质相接触时。音叉的振幅和频率将发生急剧衰减甚至停振，频率将发生急剧衰减甚至停振，检测并将这种变化转换为一个开检测并将这种变化转换为一个开关信号。关信号。7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 54灵敏度高，用作定点检测控制灵敏度高，用作定点检测控制 音叉式料位控制器音叉式料位控制器 7.2 7.2 液位检测方法液位检测方法 55v7.2.5 光学法光学法光学法是一种比较古老的料位控光学法是一种比较古老的料位控制方法。制方法。一般只用来进行一般只用来进行定点控定点控制制，工作方式采用遮断式，工作方式采用
28、遮断式。物位检测范围约物位检测范围约20m。不宜用于粘性大的物料，以防粉不宜用于粘性大的物料，以防粉料对透光孔和接收器光敏元件的料对透光孔和接收器光敏元件的粘附和堵塞。粘附和堵塞。7.1 7.1 料位检测方法料位检测方法 56光学法料位计光学法料位计 v7.2.6 微波法微波法7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法 57 遮断式微波料位计控制器原理框图遮断式微波料位计控制器原理框图 7.2 7.2 料位检测方法料位检测方法58当料位较低时当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线接收。接收器由天线收到的功率为：接收。接收器由天线收到的功率为：ri
29、ioGGPdP24当料位升高当料位升高到遮断微波束时，微波部分被物料反射回去，到遮断微波束时，微波部分被物料反射回去，部分被物料吸收。接收到的微波功率为部分被物料吸收。接收到的微波功率为:0PPr相界面的检测包括相界面的检测包括液液-液液相界面相界面、液液-固固相界面检测相界面检测。液液-液相界面检测液相界面检测与液位检测相似与液位检测相似：压力式液位计、浮力：压力式液位计、浮力式液位计、反射式激光液位计。式液位计、反射式激光液位计。液液-固相界面检测固相界面检测与料位检测相似与料位检测相似，重锤探测式、吊锥式、，重锤探测式、吊锥式、称重式、遮断式激光料位计称重式、遮断式激光料位计电阻式物位计、电容式物位计、超声波物位计、核幅射式电阻式物位计、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物位计等均可用来检测液液-液相界面液相界面和和液液-固相界面。固相界面。注意对被测介质的要求。注意对被测介质的要求。7.3 7.3 相界面的检测相界面的检测 59
