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1、自动检测技术及仪表自动检测技术及仪表Test&Measurement Technologyand Automatic InstrumentationCISTBUCT2011M&T,AI 检测仪表检测仪表l物位物位l料位、液位和界面料位、液位和界面l确定容器内储存量确定容器内储存量l按工作原理分类按工作原理分类l直读式物位计、静压式物位计、浮力式物位计、电直读式物位计、静压式物位计、浮力式物位计、电气式物位计、声学式物位计、射线式物位计、其他气式物位计、声学式物位计、射线式物位计、其他形式物位计形式物位计M&T,AI 检测仪表检测仪表l静静压压式液位式液位计计l检测原理检测原理 l容器中某点的静
2、压力和容器内物位的高度有关容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关M&T,AI 检测仪表检测仪表l静静压压式液位式液位计计l量程迁移量程迁移l无迁移、正迁移和负迁移无迁移、正迁移和负迁移M&T,AI 检测仪表检测仪表l浮力式液位浮力式液位计计l检测原理检测原理l恒浮力式恒浮力式l变浮力式变浮力式当用来做界面测量时，当用来做界面测量时，需要考虑两种液体组需要考虑两种液体组分的密度。分的密度。第第部分部分过程参数检测过程参数检测第三章检测仪表第三章检测仪表物位检测仪表物位检测仪表物性式液位计物性式液位计其它物位计其它物位计M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l物性式液位计物性式
3、液位计l电容式液位计电容式液位计l其他物位计其他物位计l超声波物位计超声波物位计l射线式物位计射线式物位计l微波式物位计微波式物位计l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l把物位的变化变换为电容量的变化把物位的变化变换为电容量的变化l在国际单位制中，电容的单位称为在国际单位制中，电容的单位称为法拉（简称法），符号为法拉（简称法），符号为 F F。l通常电容器由两个金属极板和介于通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。中间的介质所组成。l电容器的电容电容器的电容 C 定义：电容器一个极板所带电荷定义：电容器一个极板所带
4、电荷 q（指（指绝对值）和两个极板的电势差绝对值）和两个极板的电势差 UA UB（不是某一极板（不是某一极板的电势）之比，即的电势）之比，即 C=q/(UA UB)。l电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l检测元件常为一个圆筒式电容器。检测元件常为一个圆筒式电容器。由两个圆筒形金属导体中间隔以由两个圆筒形金属导体中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。绝缘物质构成圆筒形电容器。l当两圆筒中间所充介质为空气时，当两圆筒中间所充介质为空气时，该圆筒间的电容量为该圆筒间
5、的电容量为M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l如果电极的一部分被液体如果电极的一部分被液体(物料物料)所浸没时所浸没时M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l若被测介质为导电性液体，电若被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为质，而液体和外圆筒一起作为外电极。（忽略边缘效应）外电极。（忽略边缘效应）M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l若被测介质为导电性液体，电若被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介极要用绝
6、缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为质，而液体和外圆筒一起作为外电极。（忽略边缘效应）外电极。（忽略边缘效应）M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l检测原理检测原理l若被测介质为导电性液体，电若被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为质，而液体和外圆筒一起作为外电极。外电极。l可见，当几何尺寸一定、被测可见，当几何尺寸一定、被测介质一定时，电容的变化量是介质一定时，电容的变化量是被测介质物位的线性函数。被测介质物位的线性函数。M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l介电常数介电常数M&T
7、,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l等效电路等效电路l边缘效应边缘效应l减小边缘效应减小边缘效应l静电引力静电引力l圆柱形电容器圆柱形电容器M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l等效电路等效电路l边缘效应边缘效应l静电引力静电引力l寄生电容寄生电容l屏蔽、接地屏蔽、接地l温度影响温度影响l温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响l温度对电解质介质的影响温度对电解质介质的影响M&T,AI 检测仪表检测仪表l电电容式液位容式液位计计l等效电路等效电路l边缘效应边缘效应l静电引力静电引力l寄生电容寄生电容l温度影响温度影响l介电常数变化介电常数变化l测量介电常数测
8、量介电常数l电极挂料影响电极挂料影响M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理 l超声波一般频率高于超声波一般频率高于 20 kHz；l超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前最广泛的超声波换能器是电最广泛的超声波换能器是电声换能器，压电晶体换能声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一；器就是常用的换能器之一；l超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。速度，衰减以及在界面的反射等特性进行。M&T,AI 检测仪表
9、检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理 l当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其中反射率为中反射率为l当声波从气体传播到液体或固体，或者相反的情况下，当声波从气体传播到液体或固体，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理 l超声波物位计根据使用特点可分为超声波物位计根据使用特点可分为
10、定点式物位计和连续式物位计两大类；定点式物位计和连续式物位计两大类；l根据传感器放置位置的介质不同可分为根据传感器放置位置的介质不同可分为气介式、气介式、液介式和固介式三类；液介式和固介式三类；l超声波传感器既可采用单探头，也可采用双探头。超声波传感器既可采用单探头，也可采用双探头。M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l超声波发射和接收换能超声波发射和接收换能器可设置在水中，让超器可设置在水中，让超声波在液体中传播。由声波在液体中传播。由于超声波在液体中的衰于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发减比较小，所以即使发出的超声波脉冲幅度较出的超声波脉冲幅度较
11、小也可以传播。小也可以传播。M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l超声波发射和接收换能超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的器也可以安装在液面的上方，超声波在空气中上方，超声波在空气中进行传播，这种方式便进行传播，这种方式便于安装和维修。由于超于安装和维修。由于超声波在空气中衰减比较声波在空气中衰减比较厉害，因此用于液位变厉害，因此用于液位变化比较大的场合时，必化比较大的场合时，必须采取相应措施。须采取相应措施。M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l检测原理检测原理l采用单探头时采用单探头时l采用双探头时采用双探头时M&T,AI 检测
12、仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l超声波的接收和发射超声波的接收和发射l基于压电效应和逆压电效应基于压电效应和逆压电效应 l实现方法实现方法超声波传播速度的补偿方法有超声波传播速度的补偿方法有l温度补偿温度补偿l设置校正具设置校正具l固定距离标志法固定距离标志法M&T,AI 检测仪表检测仪表l超声波物位计超声波物位计l超声波物位计的特点超声波物位计的特点l能定点及连续测量物位，并提供遥控信号；能定点及连续测量物位，并提供遥控信号；l无机械可动部分，安装维修方便；无机械可动部分，安装维修方便；l换能器压电体振动振幅很小，寿命长；换能器压电体振动振幅很小，寿命长；l能实现非接触测量，适用于有
13、毒、高粘度及密封容器内能实现非接触测量，适用于有毒、高粘度及密封容器内的液位测量；的液位测量；l能实现安全火花型防爆。能实现安全火花型防爆。l若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。M&T,AI 检测仪表检测仪表l射线式物位计射线式物位计l检测原理检测原理l当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为随物质的厚度而减小，其变化规律为l不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大、液体其不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大、液体其次、气体最小。次、气体最小。
14、M&T,AI 检测仪表检测仪表l射线式物位计射线式物位计l检测原理检测原理l检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。检测系统组成：射线源、探测器、电子线路。l实现方法实现方法放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式。多种方式。M&T,AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波物位计又称雷达物位仪。微波物位计又称雷达物位仪。l微波物位计运用了微波的特性，在一定微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播
15、速度是一定的，所以条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波从传感器传播至物料可以通过测量微波从传感器传播至物料表面，并返回到传感器所用的时间来计表面，并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。算出所测量的物位。M&T,AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波是波长为微波是波长为 1 mm1 m 的电磁波，它具有电磁波的的电磁波，它具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。性质，又不同于普通无线电波和光波。l定向辐射的装置容易制造。定向辐射的装置容易制造。l遇到各种障碍物易于反射，绕射能力较差。遇到各种障碍物易于反射，绕射能力较差。l传输特性良好
16、，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等影响较小。影响较小。l介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强，这些特点构成了微波检测的基础。作用最强，这些特点构成了微波检测的基础。M&T,AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l检测原理检测原理l微波传感器由振荡器与微波天线等构成。微波传感器由振荡器与微波天线等构成。M&T,AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l微波物位计有以下主要特点微波物位计有以下主要特点l测量准确测量准确 l可靠性强、寿命长可靠性强、寿命长 l几乎可
17、以测量所有介质几乎可以测量所有介质 l安全节能安全节能 M&T,AI 检测仪表检测仪表l微波式物位计微波式物位计l微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较微波物位计和超声波物位计的主要差别的比较微微 波波超超 声声 波波波波类类型型电电磁波磁波机械波机械波反射特性反射特性在不同介在不同介电电常数的界面上反射常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压压力影响力影响微不足道微不足道很小很小温度影响温度影响微不足道微不足道需温度需温度补偿补偿传传播速度播速度约约 3108m/s（真空中）（真空中）约约 334 m/s（空气中，（空气中，20）测测量盲区量盲区到天到天线顶线顶端
18、端离离辐辐射面射面250 mm动态动态范范围围高达高达 150 dB高达高达 100 dB传传播播环环境境很少受气相很少受气相环环境影响境影响要求均一的气体要求均一的气体环环境境M&T,AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l所谓磁致伸缩效应可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居所谓磁致伸缩效应可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和尺寸上变化的现象。尺寸上变化的现象。l在铁磁质中存在许多体积很小在铁磁质中存在许多体积很小的区域，每个小区域内部都自的区域，每个小区域内部都自发地
19、磁化到饱和状态，这种自发地磁化到饱和状态，这种自发磁化地区域称为磁畴。发磁化地区域称为磁畴。铁磁质的磁畴铁磁质的磁畴M&T,AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。距发生变化而产生的现象。l外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁外磁场方向与磁质磁化方向相同时，在磁质磁化方向上磁质会伸长（或缩短）；质磁化方向上磁质会伸长（或缩短）；l外磁场方向与磁质磁化方向垂直时，在磁外磁场方向与磁质磁化方向垂直
20、时，在磁质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。质磁化方向上磁质反而要缩短（或伸长）。HHHM&T,AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l磁致伸缩式液位计由测量头（也称传感器，磁致伸缩式液位计由测量头（也称传感器，包括脉冲发包括脉冲发生、回波接生、回波接收、信号检收、信号检测与处理电测与处理电路），波导路），波导线和磁浮子线和磁浮子等组成。等组成。M&T,AI 检测仪表检测仪表l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计l检测原理检测原理l磁浮子：磁浮子：恒浮力式恒浮力式l磁致伸缩磁致伸缩l机械应变：机械应变：应变效应和应变片应变效应和应变片机械波传播速度的倒数机械波
21、传播速度的倒数称为倾斜度称为倾斜度l测量精确度高（测量精确度高（0.05%0.05%），），可同时测量液位和多界位可同时测量液位和多界位M&T,AI 检测仪表检测仪表l物位检测仪表的使用物位检测仪表的使用l适用介质不同适用介质不同l差压式：差压式：液位检测液位检测优点：优点：结构简单、工作可靠、准确度高结构简单、工作可靠、准确度高缺点：缺点：需要在容器壁上开孔，不适用于危险度大的介质需要在容器壁上开孔，不适用于危险度大的介质l浮力式：浮力式：液位、界位检测液位、界位检测优点：优点：结构简单、工作可靠、准确度高结构简单、工作可靠、准确度高缺点：缺点：不适用于高黏度介质不适用于高黏度介质M&T,A
22、I 检测仪表检测仪表l物位检测仪表的使用物位检测仪表的使用l适用介质不同适用介质不同l电容式：电容式：液位、物位检测液位、物位检测优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：灵敏度低，受介质介电常数的影响灵敏度低，受介质介电常数的影响l超声波式：超声波式：液位、物位、界位检测液位、物位、界位检测优点：优点：非接触测量非接触测量缺点：缺点：受温度影响，受介质吸波性质的影响受温度影响，受介质吸波性质的影响M&T,AI 检测仪表检测仪表l物位检测仪表的使用物位检测仪表的使用l适用介质不同适用介质不同l射线式：射线式：液位、物位、界位检测液位、物位、界位检测优点：优点：非接触测量，不受温度和压力的影响，工
23、作较稳非接触测量，不受温度和压力的影响，工作较稳定，适用于低温、高温、高压、高腐蚀性、高粘度、易定，适用于低温、高温、高压、高腐蚀性、高粘度、易燃易爆等危险场合燃易爆等危险场合缺点：缺点：准确度较低，有辐射危险准确度较低，有辐射危险l微波式：微波式：液位、物位测量液位、物位测量l磁致伸缩式：磁致伸缩式：液位、界位测量液位、界位测量M&T,AI 检测仪表检测仪表l物位检测仪表的使用物位检测仪表的使用l需要根据工况对测量参数进行补偿和修正需要根据工况对测量参数进行补偿和修正l差压式、浮力式：差压式、浮力式：介质密度介质密度l电容式：电容式：介质的介电常数介质的介电常数l超声波式：超声波式：声波在介
24、质中的传播速度声波在介质中的传播速度l射线式：射线式：介质对射线的吸收系数介质对射线的吸收系数M&T,AI 检测仪表检测仪表l小结小结l电容式物位计电容式物位计l结构、原理、特点结构、原理、特点l绝缘介质、导电介质绝缘介质、导电介质l其他物位计其他物位计l超声波、无线电波（雷达）、射线式物位计超声波、无线电波（雷达）、射线式物位计结构、原理、特点结构、原理、特点l磁致伸缩式液位计磁致伸缩式液位计结构、原理、特点结构、原理、特点M&T,AI 检测仪表检测仪表l作业作业l试推导如图所示由平板试推导如图所示由平板电容构成的液位检测系电容构成的液位检测系统测量公式（统测量公式（H与与C的的函数关系）。已知，电函数关系）。已知，电极宽度为极宽度为 b，工作电极，工作电极长度为长度为 L，补偿电极长，补偿电极长度为度为 l，极间距离为，极间距离为 。