第四章第四章 物位及厚度检测物位及厚度检测 4.1 .1 浮力式物位检测浮力式物位检测 n 浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移来检测液位；或利用沉浸在被化而产生的位移来检测液位；或利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系来检测液位。前者一般称为恒浮面位置的关系来检测液位。前者一般称为恒浮力式检测，后者一般称为变浮力式检测。力式检测，后者一般称为变浮力式检测。n4.1.1恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测 原理如图所示原理如图所示 4.1 .1 浮力式物位检测浮力式物位检测n4.1.2变浮力式物位检测变浮力式物位检测 变浮力式物位检测原理变浮力式物位检测原理 如图所示，当浮筒的重力与如图所示，当浮筒的重力与 弹簧的弹力达到平衡时，浮弹簧的弹力达到平衡时，浮 筒才停止移动，平衡条件为筒才停止移动，平衡条件为n 4.1 .1 浮力式物位检测浮力式物位检测n 设液位高度为设液位高度为H，浮筒由于向上移动实际侵没，浮筒由于向上移动实际侵没 在液在液体中的长度为体中的长度为h ，浮筒移动的距离即弹簧的位移改变，浮筒移动的距离即弹簧的位移改变量量x为为 n根据力平衡可知根据力平衡可知 n从而被测液位从而被测液位H可表示为可表示为 4.24.2静压式物位检测静压式物位检测 n4.2.1静压式物位检测原理静压式物位检测原理 静压式物位检测方法是根据液柱静压与液静压式物位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的，其原理如图所柱高度成正比的原理来实现的，其原理如图所示。示。 4.24.2静压式物位检测静压式物位检测n4.2.2 压力式液位计压力式液位计 n一、压力计式液位计一、压力计式液位计 二、法兰液位计二、法兰液位计 4.24.2静压式物位检测静压式物位检测n三、吹气式液位计三、吹气式液位计n4.2.3 4.2.3 压差式液位计压差式液位计 用测量差压的方法来获得液位，如图所示。用测量差压的方法来获得液位，如图所示。 4.24.2静压式物位检测静压式物位检测n4.2.4 量程迁移量程迁移 n 一、无迁移一、无迁移 二、负迁移二、负迁移 三、正迁移三、正迁移 由上述可知，正、负迁移的实质是通过迁由上述可知，正、负迁移的实质是通过迁移弹簧改变变送器的零点，即同时改变量程的移弹簧改变变送器的零点，即同时改变量程的上、下限，而量程的大小不变。上、下限，而量程的大小不变。 4.3 电容式物位计电容式物位计 n电容式物位传感器是利用被测物的介电常数与电容式物位传感器是利用被测物的介电常数与空气（或真空）不同的特点进行检测的，电容空气（或真空）不同的特点进行检测的，电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的测式物位计由电容式物位传感器和检测电容的测量线路组成。它用于各种导电、非导电液体的量线路组成。它用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的测量，也可以实现液位或料液位或粉状料位的测量，也可以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。位的自动记录、控制和调节。 n4.3.1电容式物位计原理电容式物位计原理 其结构形式如图所示，当中间所充介质的其结构形式如图所示，当中间所充介质的介电常数为介电常数为1时，则两圆筒间的电容量为时，则两圆筒间的电容量为 4.3 电容式物位计电容式物位计n如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为22的液体的液体( (非导电性的非导电性的) )所浸没时，则必然会所浸没时，则必然会有电容量的增量有电容量的增量C C 产生。产生。 4.3 电容式物位计电容式物位计n4.3.2 4.3.2 电容式物位传感器电容式物位传感器 一、测量导电液体的电容式物位传感器一、测量导电液体的电容式物位传感器二、测量非导电液体的电容式物位传感器二、测量非导电液体的电容式物位传感器 4.3 电容式物位计电容式物位计n4.3.3 4.3.3 电容式物位传感器应用举例电容式物位传感器应用举例 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测 n4.4.1 4.4.1 超声波检测原理超声波检测原理 n一、超声波及其波型一、超声波及其波型 人耳所能听到的声波在人耳所能听到的声波在2020 000Hz2020 000Hz之间，之间，频率超过频率超过20000Hz20000Hz，人耳不能听到的声波称为，人耳不能听到的声波称为超声波。超声波。 1. 1.纵波纵波 2. 2.横波横波 3. 3.表面波表面波 n二、超声波的传播速度二、超声波的传播速度 声速不仅与介质有关，而且还与介质所处声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态有关。的状态有关。 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n三、扩散角三、扩散角 n四、反射与折射四、反射与折射 1. 1.反射定律反射定律 2. 2.折射定律折射定律 3. 3.反射系数反射系数 n五、声波的衰减五、声波的衰减 气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。另外声波在介质中传体吸收最小而衰减最小。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大。高，声波的衰减也越大。 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n4.4.2 4.4.2 超声波传感器超声波传感器 n超声波传感器，称为超声波换能器，有时也称超声波传感器，称为超声波换能器，有时也称为超声波探头。为超声波探头。 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n 4.4.3 4.4.3 超声波传感器测物位超声波传感器测物位 超声波物位传感器根据使用特点可分为定超声波物位传感器根据使用特点可分为定点式物位计和连续式物位计两大类。点式物位计和连续式物位计两大类。 一、超声式物位传感器的特点一、超声式物位传感器的特点 二、定点式超声物位计二、定点式超声物位计 1. 1.声阻式液位计声阻式液位计 如图所示，声阻式如图所示，声阻式 液位计结构简单，使用液位计结构简单，使用 方便。方便。 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n2.2.液介穿透式超声液位计液介穿透式超声液位计 结构如图所示，该液位计结构简单，不受结构如图所示，该液位计结构简单，不受 被测介质物理性质的影响，工作安全可靠。被测介质物理性质的影响，工作安全可靠。n3.3.气介穿透式超声物位计气介穿透式超声物位计n三、连续式超声物位计三、连续式超声物位计n1.液介超声液位计液介超声液位计 n2.气介超声物位计气介超声物位计 4.4 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n 4.4.4 4.4.4 超声波传感器测厚度超声波传感器测厚度 n超声波法测厚常用脉冲回波法。测厚的原理如超声波法测厚常用脉冲回波法。测厚的原理如 图所示，图所示， 4.5微波式传感器微波式传感器 n 微波是波长为微波是波长为1m1mm1m1mm电磁波，既具有电磁波的性电磁波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同。它广泛应用于质，又与普通的无线电波及光波不同。它广泛应用于液位、物位、厚度及含水量的测量中。液位、物位、厚度及含水量的测量中。n4.5.1 4.5.1 微波传感器微波传感器 n一、微波振荡器及微波天线一、微波振荡器及微波天线 微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分，构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管部分，构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管 或或某些固体器件。某些固体器件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管( (波长波长在在10cm10cm以上可用同轴电缆以上可用同轴电缆) )传输，并通过天线发射出去，传输，并通过天线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质线等。常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质线等。 4.5微波式传感器微波式传感器n二、微波传感器二、微波传感器 n微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其它部分可视为一个转换器和接收器，如图所其它部分可视为一个转换器和接收器，如图所示。示。n微波传感器可分为反射式与遮断式两种。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。 1.1.反射式微波传感器反射式微波传感器 2. 2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器 4.5微波式传感器微波式传感器n 4.5.2 4.5.2 微波传感器测物位与液位微波传感器测物位与液位 n一、微波物位计一、微波物位计 n微波物位计原理如图所示。当被测物位低于设定物位微波物位计原理如图所示。当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为时，接收天线接收的功率为 4.5微波式传感器微波式传感器4.5微波式传感器微波式传感器n当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线 接收的功率为接收的功率为 n二、微波液位计二、微波液位计n微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率功率Pr为为 4.5微波式传感器微波式传感器4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测 n 核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收、反核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作，散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作，核辐射传感器是核辐射式检测仪表的重要组成部分，核辐射传感器是核辐射式检测仪表的重要组成部分，它是利用放射性同位素来进行测量的。核辐射传感器它是利用放射性同位素来进行测量的。核辐射传感器一般由放射源、探测器以及电信号转换电路所组成。一般由放射源、探测器以及电信号转换电路所组成。它可以检测厚度、液位、物位等参数。它可以检测厚度、液位、物位等参数。n 4.6.1 放射源和探测器放射源和探测器 n一、射线的种类及衰变规律一、射线的种类及衰变规律 ( (1) )粒子：一般具有粒子：一般具有410Mev能量，其电离能力能量，其电离能力较强，主要用于气体分析，用来测量气体压力、流量较强，主要用于气体分析，用来测量气体压力、流量等参数。等参数。 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测 ( (2)粒子：实际上是高速运动的电子，它粒子：实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达在气体中的射程可达20 m，主要测量材料的厚，主要测量材料的厚度、密度或重量；根据辐射的反散射来测量覆度、密度或重量；根据辐射的反散射来测量覆盖层的厚度，利用盖层的厚度，利用粒子很大的电离能力来测粒子很大的电离能力来测量气体流。量气体流。 ( (3)射线：是一种从原子核内发射出来的射线：是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，在物质中的穿透能力比较强，在气电磁辐射，在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质。主要用于金属探伤、厚度检测以及物体物质。主要用于金属探伤、厚度检测以及物体密度检测等。体密度检测等。 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n二、射线与物质的相互作用二、射线与物质的相互作用 1. 1.带电粒子和物质的相互作用。带电粒子和物质的相互作用。 2. 2.射线和物质的相互作用射线和物质的相互作用 三、常用探测器三、常用探测器 探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。其用途就是将核辐射信号转换重要组成部分。其用途就是将核辐射信号转换 成电信成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，主要有号，从而探测出射线的强弱和变化，主要有 电离室、电离室、闪烁计数器和盖格计数等。闪烁计数器和盖格计数等。 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n1.1.电离室电离室 n2.2.闪烁计数器闪烁计数器 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n4.6.2 4.6.2 测量电路测量电路 n常用的测量电路有电离室前置放大电路和闪烁常用的测量电路有电离室前置放大电路和闪烁 计数器的前置放大电路，电离室前置放大电路计数器的前置放大电路，电离室前置放大电路如图所示。如图所示。 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n4.6.34.6.3核辐射厚度计核辐射厚度计n4.6.4 4.6.4 核辐射液位计核辐射液位计 4.6 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测 n电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。 n 4.7.1 涡流效应涡流效应 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转 圈，所以圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡 流效应。流效应。 形成涡流必须具备下列两个条件：形成涡流必须具备下列两个条件： n1.存在交变磁场；存在交变磁场； n2.导电体处于交变磁场中。导电体处于交变磁场中。 4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 4.7.2高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 n一、工作原理一、工作原理二、结构形式二、结构形式 4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n三、测量电路三、测量电路 n1.电桥电路电桥电路4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n2.谐振幅值电路谐振幅值电路4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n四、高频反射式涡流传感器测量厚度应用举例四、高频反射式涡流传感器测量厚度应用举例n涡流传感器可无接触地测量金属板厚度和非金涡流传感器可无接触地测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度如图所示。属板的镀层厚度如图所示。 4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 4.7.3 4.7.3 低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 n一、低频透射式涡流传感器测厚原理一、低频透射式涡流传感器测厚原理n低频透射式涡流传感器工作原理如图所示。低频透射式涡流传感器工作原理如图所示。 1. 1.两线圈之间不两线圈之间不 存在被测材料存在被测材料M M 2. 2.两线圈之间存两线圈之间存 在被测材料在被测材料M M 4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 二、注意的问题二、注意的问题 n1、M中的涡流中的涡流i的大小不仅取决于的大小不仅取决于h，且与金属，且与金属板板M的电阻率的电阻率 有关，于是引起相应的测试误有关，于是引起相应的测试误差，差， 并限制了测厚范围。并限制了测厚范围。 n2.为使交变电势为使交变电势E与厚度与厚度h得到较好的线性关系，得到较好的线性关系，应选用较低的测试频率应选用较低的测试频率f，通常选，通常选 1 kHz。此时。此时灵敏度较低。灵敏度较低。 n 3.频率频率f一定，当被测材料的电阻率一定，当被测材料的电阻率 不同时，不同时，引起了引起了E =f()曲线形状的变化。曲线形状的变化。