第五章第五章 物位测量物位测量第一节第一节 物位检测的主要方法和分类物位检测的主要方法和分类物位物位液体介质液面的高低液体介质液面的高低两种液体介质的分界面的高低两种液体介质的分界面的高低固体块、散粒状物质的堆积高度固体块、散粒状物质的堆积高度液位计液位计界面计界面计料位计料位计物物位位计计液位液位界面界面料位料位物位检测物位检测确定储存量确定储存量物料平衡物料平衡保证产量保证产量物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量物位测量必要性物位测量必要性在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确在油气储运过程中，精确测定储油大罐中的液位高度，是正确计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。计算储油量、确定库存、计算输量的重要措施。在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物与伴生污水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，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。否则会产生重大的事故。例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油例如油罐液位测量控制不好，会出现抽空或溢油“冒顶冒顶”事故；事故；油气分离器液位偏高或偏低会出现油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油跑油”、“窜气窜气”事故，事故，严重影响后序设备的生产和安全；严重影响后序设备的生产和安全；电脱水器中油水界面高了会破坏电场低了会使放水中带油，电脱水器中油水界面高了会破坏电场低了会使放水中带油，影响生产。影响生产。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量物位检测的物位检测的主要方法主要方法u静压式物位检测静压式物位检测u浮力式物位检测浮力式物位检测u电气式物位检测电气式物位检测u声学式物位检测声学式物位检测u射线式物位检测射线式物位检测物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量物位检测的物位检测的主要方法主要方法1静压式物位检测静压式物位检测根根据据流流体体静静力力学学原原理理，静静止止介介质质内内某某一一点点的的静静压压力力与与介介质质上上方方自自由由空空间间压压力力之之差差与与该该点点上上方方的的介介质质高高度度成成正正比比，因因此此可可利利用用差差压压来来检检测测液液位位，这这种种方方法法一般只用在液位的检测。一般只用在液位的检测。2浮力式物位检测浮力式物位检测利利用用漂漂浮浮于于液液面面上上浮浮子子随随液液面面变变化化位位置置，或或者者部部分分浸浸没没于于液液体体中中物物质质的的浮浮力力随随液液位位变变化化来来检检测测液液位位，前前者者称称为为恒恒浮浮力力法法，后后者者称称变变浮浮力力法法，二二者者均均用用于于液位的检测。液位的检测。3电气式物位检测电气式物位检测把把敏敏感感元元件件做做成成一一定定形形状状的的电电极极置置于于被被测测介介质质中中，则则电电极极之之间间的的电电气气参参数数，如如电电阻阻、电电容容等等，随随物物位位的的变变化化则则改改变变。这这种种方方法法既既可可用用于于液液位位检检测测，也也可可用于料位检测。用于料位检测。4声学式物位检测声学式物位检测利利用用超超声声波波在在介介质质中中的的传传播播速速度度及及在在不不同同相相界界面面之之间间的的反反射射特特性性来来检检测测物物位位。液位和料位的检测都可以用此方法。液位和料位的检测都可以用此方法。5射线式物位检测射线式物位检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质因被其吸收而减弱，吸收程度与物放射性同位素所放出的射线穿过被测介质因被其吸收而减弱，吸收程度与物位有关。位有关。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量物位检测的物位检测的基本原理基本原理1基于力学原理基于力学原理2基于相对变化原理基于相对变化原理3基于某物理量随物位的升高而增加原理基于某物理量随物位的升高而增加原理敏敏感感元元件件所所受受到到的的力力（压压力力）的的大大小小与与物物位位成成正正比比，它它包括静压式、浮力式和重锤式物位检测等；包括静压式、浮力式和重锤式物位检测等；当当物物位位变变化化时时，物物位位与与容容器器底底部部或或顶顶部部的的距距离离发发生生改改变变，通通过过测测量量距距离离的的相相对对变变化化可可获获得得物物位位的的信信息息。这这种种检检测测原理包括声学法、微波法和光学法等；原理包括声学法、微波法和光学法等；例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。例如对射线的吸收强度，电容器的电容量等。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量液位计种类作用原理主要特点静压式玻璃管液位计连通器原理结构简单、价格低廉，易损坏，读数不明显压力表式液位计液位高度与液柱静压成正比适用于敞口容器，使用简单压差式液位计基于液位升降时能造成液柱差的原理敞口容器或密闭容器都能使用，但要注意“零点迁移”问题浮力式浮标液位计浮标浮于液体中随液面变化而升降结构简单、价格低廉浮筒式液位计浮筒在液体中受到浮力而产生的位移与液位变化成正比结构简单、价格低廉电气式电容式液位计置于液体中电容，其值随液位高低而变化测量滞后小，能远距离传输，但z线路复杂，价格高电接点式液位计应用电极等电装置，当液面超过规定值时，发出电信号不能连续测量，用于要求不高的场合超声波液位计利用超声波在气体和液体中的衰减程度、穿透能力和辐射声阻抗等各不相同的性质非接触测量，准确性高，惯性小，但成本高液位检测仪表的种类及特点液位检测仪表的种类及特点 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量第二节第二节 静压式物位检测静压式物位检测检测原理检测原理 静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压式物位检测方法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。静压也随之变化的原理。 若若PA为大气压，上式变为：为大气压，上式变为：当被测介质密度为已知时，两点当被测介质密度为已知时，两点的压力差的压力差P或或B点的表压力点的表压力P与液与液位高度位高度H成正比，这样就成正比，这样就把液位把液位的检测转化为压力差或压力的检的检测转化为压力差或压力的检测测，选择合适的压力（差压）检，选择合适的压力（差压）检测仪表可实现液位的检测。测仪表可实现液位的检测。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量实现方法实现方法 直接用压力检测仪表对液位进行直接用压力检测仪表对液位进行检测。检测。方法是将压力仪表通过引方法是将压力仪表通过引压导管与容器底侧零液位相连。压导管与容器底侧零液位相连。 要要求求液液体体密密度度为为定定值值，否否则则会引起误差。会引起误差。压压力力仪仪表表实实际际指指示示的的压压力力是是液液面面至至压压力力仪仪表表入入口口之之间间的的静静压压力力，当当压压力力仪仪表表与与取取压压点点（零零液液位位）不不在在同同一一水水平平位位置置时时，应应对对其其位位置置高高差差而而引引起起的的固定压力进行修正。固定压力进行修正。q被测对象为敞口容器被测对象为敞口容器物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量容器下部的液体压力除与液位高容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压度有关外，还与液面上部介质压力有关。可以用力有关。可以用测量差压测量差压的方法的方法来获得液位来获得液位差压检测法的差压指示值与液位高度有关差压检测法的差压指示值与液位高度有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关当这些因素影响较大时必须进行修正当这些因素影响较大时必须进行修正q被测对象为密闭容器被测对象为密闭容器抵消了容器上部压力变化对测量的影响。抵消了容器上部压力变化对测量的影响。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量引引压压导导管管易易被被腐腐蚀蚀或或堵堵塞塞，影影响响测测量量精精度度，应应用用法法兰兰式式压压力力（差差压）变送器。压）变送器。敏敏感感元元件件为为金金属属膜膜盒盒，它它直直接接与与被被测测介介质质接接触触，省省去去引引压压导导管管，从从而而克克服服导导管管的的腐腐蚀蚀和和阻阻塞塞问问题题。膜膜盒盒经经毛毛细细管管与与变变送送器器的的测测量量室室相相通通，它它们们所所组组成成的的密密闭闭系系统统内内充充以以硅硅油油，作作为为传传压压介介质质。为为了了毛毛细细管管经经久久耐耐用用，其其外外部部均均套套有有金属蛇皮保护管。金属蛇皮保护管。p对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固的介质物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量量程迁移量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。处理方法处理方法对压力变送器进行零点对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静调整，使在只受附加静压力时输出为压力时输出为“零零”。量程迁移量程迁移量程量程迁移迁移无迁移无迁移负迁移负迁移正迁移正迁移Hh物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量量程迁移量程迁移n无迁移无迁移保证正压室与零液位等高保证正压室与零液位等高当当H为零时，差压输为零时，差压输出为零。出为零。差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准差压变送器的作用是将输入的差压信号转化为统一的标准信号输出。信号输出。=0 P =0 I4 mA; =max P= Pmax 20 mA物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量量程迁移量程迁移n负迁移负迁移形形成成原原因因：加加隔隔离离罐罐或或采采用法兰式测压差。用法兰式测压差。正压室：正压室：负压室：负压室：差压：差压：当当H=0时，差压的输出并不为零，而是时，差压的输出并不为零，而是-B。为使。为使H=0时，时，差变的输出为差变的输出为4mA，就要消除，就要消除-B的影响。称之为量程迁移。的影响。称之为量程迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。由于要迁移的时为负值，所以称为负迁移。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量量程迁移量程迁移用差压变送器检测液位，已知用差压变送器检测液位，已知1=1200Kg/m31=1200Kg/m3， 2=950Kg/m32=950Kg/m3，h1=1.0mh1=1.0m，h2=5.0mh2=5.0m，液位变化范围为，液位变化范围为0 03m3m，若，若g=9.8m/s2g=9.8m/s2，求：，求：(1)(1)差压变送器的量程和迁移量；差压变送器的量程和迁移量；液位高度变化形成的差压值为：液位高度变化形成的差压值为：所所以以可可选选择择差差压压变变送送器器量量程程为为40kPa所所以以负负迁迁移移量量为为37.240kPa，即即将将差差压压变变送送器器的的零零点点调调为为-37.240kPa。迁移后差变的测量范围为。迁移后差变的测量范围为-37.242.76kPa。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量量程迁移量程迁移n正迁移正迁移正压室：正压室：负压室：负压室：压差：压差：当当H=0时，差压输出并不为时，差压输出并不为零，其值为零，其值为其迁移量为正值，所以称为正迁移。其迁移量为正值，所以称为正迁移。综上所述综上所述：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改：正负迁移的实质是改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，而量程范围不变。变量程的上下限，而量程范围不变。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量（a）无迁移 （b）负迁移 （c）正迁移0500042020007000P (Pa)-20003000I0(mA)固定差压 =2000Pa某压力变送器的测量范围：05000Pa，物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量第三节第三节 浮力式物位检测浮力式物位检测浮力式物位检测分为浮力式物位检测分为恒浮力式恒浮力式检测与检测与变浮力式变浮力式检测。检测。恒浮力式恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液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）随液面变化而产生的位移。面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。 变浮力式变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位 。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测包括恒浮力式物位检测包括浮标式浮标式、浮球式浮球式和和翻板式翻板式等各种方法。等各种方法。 浮球浮球用不锈钢制作，安装在用不锈钢制作，安装在浮浮筒筒内，其上端连接有内，其上端连接有连杆连杆，连杆，连杆顶端置有顶端置有磁钢磁钢。当水位发生变化。当水位发生变化时，浮球带动连杆顶端磁钢在调时，浮球带动连杆顶端磁钢在调整箱组件中非导磁的管道中上、整箱组件中非导磁的管道中上、下移动，当磁钢移动到下移动，当磁钢移动到上下限水上下限水银开关银开关处，与水银开关上装有的处，与水银开关上装有的磁钢相作用，带动水银开关动作，磁钢相作用，带动水银开关动作，从而实现开关量控制。从而实现开关量控制。 浮球式液位计浮球式液位计电缆式浮球液位计电缆式浮球液位计调整箱组件调整箱组件浮筒浮筒浮球浮球连杆连杆非导非导磁管磁管下限水银开关下限水银开关磁钢磁钢上限水银开关上限水银开关物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量变浮力式物位检测变浮力式物位检测变浮力式物位检测方法中典型的变浮力式物位检测方法中典型的敏感元件是浮筒敏感元件是浮筒，它是利用浮筒由，它是利用浮筒由于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。 当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒受到液位对它的浮力作用而向上移动。受到液位对它的浮力作用而向上移动。 根据力平衡可得根据力平衡可得 由于由于hx，所以有所以有H=h，则，则即即弹弹簧簧的的位位移移量量与与液液位位成成正正比比。浮浮筒筒的的连连杆杆上上连连接接有有一一铁铁芯芯，随随着着浮浮筒筒的的位位移移在在差差动动变变压压器器内内上上下移动输出位移信号。下移动输出位移信号。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量浮球式液位计浮球式液位计浮筒液位计浮筒液位计物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量第四节第四节 电气式物位检测电气式物位检测电气式物位检测方法是利用敏感元件直接把物位变化转换为电电气式物位检测方法是利用敏感元件直接把物位变化转换为电参数的变化。根据电量参数的不同，可分为电阻式、电容式和参数的变化。根据电量参数的不同，可分为电阻式、电容式和电感式等。电感式等。 由两个长度由两个长度L，半径分别为，半径分别为R和和r的圆筒金属的圆筒金属导体组成。当两圆筒间充以介电常数为导体组成。当两圆筒间充以介电常数为1的的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为：为： 如如果果两两圆圆筒筒形形电电极极间间的的一一部部分分被被介介电电常常数数为为2的的液液体体所所浸浸没没，设设被被浸浸没没的的电电极极长长度度为为H，此时的电容量为，此时的电容量为电容式电容式物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量当当圆圆筒筒形形电电容容器器的的几几何何尺尺寸寸L、R和和r保保持持不不变变，且且介介电电常常数数也也不不变变时时，电电容容器器电电容容增增量量C与与电电极极被被介介电电常常数数为为2的的介介质质所所浸浸没没的的高高度度H成成正正比比关关系系。另另外外，两两种种介介质质的的介介电电常常数数的的差差值值（21）越越大大，则则C也也越越大大，说说明明相相对对灵灵敏敏度度越越高。高。当当圆圆筒筒形形电电容容器器几几何何尺尺寸寸一一定定，电电容容器器电电容容增增量量与与液液位位高高度度H成成正正比比。同同时时，两两种种介介质质的的介介电电常常数数的的差值越大，差值越大， 越大，灵敏度高。越大，灵敏度高。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量23物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量 右图为用于测量右图为用于测量非导电非导电介质介质的同轴双层电极电容式的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。孔使液体流入极板间。 图中：图中：1 1、2-2-内外电极内外电极 3-3-绝缘套；绝缘套；4-4-流通孔。流通孔。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量 安装形式安装形式 右图为用来测量导右图为用来测量导电介质的单电极电容液位电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电容器壁构成电容器的外电极。极。 1-内电极；2-绝缘套物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量电电容容式式物物位位检检测测的的基基本本原原理理是是将将物物位位的的变变化化转转换换为为由由插插入入电电极所构成的电容器的电容量的改变。极所构成的电容器的电容量的改变。电电容容式式物物位位计计主主要要由由电电极极（敏敏感感元元件件）和和电电容容检检测测电电路路组组成成。由由于于电电容容的的变变化化量量较较小小，因因此此准准确确检检测测电电容容量量是是物物位位检检测测的的关关键键。目目前前在在物物位位检检测测中中，常常见见的的电电容容检检测测方方法法主主要要有有交交流流电桥法电桥法、充放电法充放电法和和谐振电路法谐振电路法等。等。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量电容式液位计电容式液位计 棒状电极（金属管）外面包棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。导电液体之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。为高电平的型号。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方智能化液位传感器的设定方法十分简单：法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。出报警信号和控制信号。设定按钮设定按钮物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量电阻式电阻式工作原理工作原理基于液位变化引起电极间电基于液位变化引起电极间电阻变化，通过检测电阻变化阻变化，通过检测电阻变化反映液位的情况。反映液位的情况。两根电极由两根材料、截面两根电极由两根材料、截面积相同的，具有大电阻率的积相同的，具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。则其阻值定并与容器绝缘。则其阻值为为电阻大小与液位高度成正比。电阻大小与液位高度成正比。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量电感式电感式上限线圈上限线圈下限线圈下限线圈浮子浮子 电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起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。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，也可进行液位电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。定点控制。 传感器由传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮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。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制点，当浮子随液面移线圈固定在液位上下限控制点，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、下液位的报警信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。与控制。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量第五节第五节 声学式物位检测声学式物位检测超声波性质超声波性质（1）超超声声波波可可以以在在气气体体、液液体体及及固固体体中中传传播播，并并有有各各自自的的传传播播速速度度。例例如如在在常常温温下下空空气气中中的的声声速速约约为为334m/s，在在水水中中的的声声速速约约为为1440 m/s，而而在在钢钢铁铁中中约约为为5000 m/s。声声速速不不仅仅与与介介质质有有关关，而而且且还与介质所处的状态（如温度）有关。还与介质所处的状态（如温度）有关。（2）声声波波在在介介质质中中传传播播时时会会被被吸吸收收而而衰衰减减，气气体体吸吸收收最最强强而而衰衰减减最最大大，液液体体其其次次，固固体体吸吸收收最最小小而而衰衰减减最最小小，因因此此对对于于一一给给定定强强度度的的电电波波，在在气气体体中中传传播播的的距距离离会会明明显显比比在在液液体体和和固固体体中中传传播播的的距距离离短短。另另外外声声波波在在介介质质中中传传播播时时衰衰减减的的程程度度还还与与声声波波的的频频率率有有关关，频频率率越越高高，声声波波的的衰衰减减也也越越大大，因因此此超超声声波波比比其其他他声声波波在在传传播播时时的的衰衰减更明显减更明显。（3）声声波波传传播播时时的的方方向向性性随随声声波波的的频频率率的的升升高高而而变变强强，发发射射的的声声束也越尖锐，束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量（4）当当声声波波从从一一种种介介质质向向另另一一种种介介质质传传播播时时，因因为为两两种种介介质质的的密密度度不不同同和和声声波波在在其其中中传传播播的的速速度度不不同同，在在分分界界面面上上声声波波会会产产生生反射和折射，其反射系数反射和折射，其反射系数R为：为：式中式中 I IR R、I I0 0反射和入射声波的声强；反射和入射声波的声强；、声波的入射角和反射角；声波的入射角和反射角； Z Z1 1、Z Z2 2两种介质的声阻抗，其值为两种介质的声阻抗，其值为Z Z1 1= =1 1v v1 1， Z Z2 2= =2 2v v2 2 。在声波垂直入射时，在声波垂直入射时，0，0则，其反射系数变为则，其反射系数变为假假设设声声波波从从水水传传播播到到空空气气，在在常常温温下下它它们们的的声声阻阻抗抗约约为为Z11.44106，Z24102，则得，则得R0.999。说说明明当当声声波波从从液液体体或或固固体体传传播播到到气气体体，或或相相反反的的情情况况下下，由由于于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量超声波检测原理超声波检测原理声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声波从声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。位的高低。 超超声声波波发发射射器器被被置置于于容容器器底底部部，当当它它向向液液面面发发射射短短促促的的脉脉冲冲时时，在在液液面面处处产产生生反反射射，回回波波被被超超声声接接收收器器接接收收。若若超超声声发发射射器器和和接接收收器器到到液液面面的的距距离离为为H，声声波波在在液液体体中中的的传传播播速速度度为为v，则有如下简单关系：则有如下简单关系：物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中。）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中。（c）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最高液）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端。位之上，探头安装在传声固体棒的上端。采用采用自发自收单探头自发自收单探头方式方式测量时的几种基本方案测量时的几种基本方案V的含义相同吗？的含义相同吗？基本方案基本方案物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量采用采用一发一收双探头一发一收双探头测量方测量方式测量时的几种基本方案式测量时的几种基本方案（d）双探头液介式）双探头液介式如果两探头的中心距为如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为，声波从探头至液面的斜向路径为S，探，探头至液面的垂直高度为头至液面的垂直高度为L，则，则一般情况下，两个探头安装很近，即一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所以在高液位较小，所以在高液位时时L值近似地与值近似地与S相等，因此仍可用相等，因此仍可用S公式计算公式计算L值，不会产值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量采用采用一发一收双探头一发一收双探头测量方测量方式测量时的几种基本方案式测量时的几种基本方案（e）双探头气介式）双探头气介式 如果两探头的中心距为如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为，声波从探头至液面的斜向路径为S，探，探头至液面的垂直高度为头至液面的垂直高度为L，则，则一般情况下，两个探头安装很近，即一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所以在高液位较小，所以在高液位时时L值近似地与值近似地与S相等，因此仍可用相等，因此仍可用S公式计算公式计算L值，不会产值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量采用采用一发一收双探头一发一收双探头测量方测量方式测量时的几种基本方案式测量时的几种基本方案（f）双探头固介式）双探头固介式 采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传至液面，再经液体传至第二根固体，然后沿第二根固体至液面，再经液体传至第二根固体，然后沿第二根固体传至接收探头。传至接收探头。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量超声波物位计的接收和发射超声波物位计的接收和发射超超声声波波的的接接收收和和发发射射是是基基于于压压电电效效应应和和逆逆压压电电效效应应。具具有有压压电电效效应应的的压压电电晶晶体体在在受受到到声声波波声声压压的的作作用用时时，晶晶体体两两端端将将会会产产生生与与声声压压变变化化同同步步的的电电荷荷，从从而而把把声声波波（机机械械能能）转转换换成成电电能能；反反之之，如如果果将将交交变变电电压压加加在在晶晶体体两两个个端端面面的的极极上上，沿沿着着晶晶体体厚厚度度方方向向将将产产生生与与所所加加交交变变电电压压同同频频率率的的机机械械振振动动，向向外外发发射射声声波波，实实现现了了电电能能与与机机械械能能的的转转换换。因因此此，用用作作超超声声发发射射和和接接收收的压电晶体也称的压电晶体也称换能器换能器。换能器的核心是压电片，根据不同的换能器的核心是压电片，根据不同的需要，压电片振动方式有很多，如薄需要，压电片振动方式有很多，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用的最多。的最多。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。采用较高能量的超声波：采用较高能量的超声波：可可以以增增加加声声波波在在介介质质中中传传播播的的距距离离，适适用用于于物物位位测测量量范范围围较较大大的的检检测系统；测系统；有利于提高检测系统的测量精度。有利于提高检测系统的测量精度。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。具具有有较较高高能能量量的的超超声声波波在在液液体体介介质质中中传传播播易易产产生生空空化化效效应应，大大量量空化气泡的形成将使超声波在介质中传播时被吸收；空化气泡的形成将使超声波在介质中传播时被吸收；引引起起介介质质的的温温升升效效应应，超超声声能能量量超超高高，温温升升也也超超高高，易易使使介介质质特特性发生变化，从而降低测量精度。性发生变化，从而降低测量精度。措施措施：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。既减小了单位：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。既减小了单位时间内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有时间内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温升效应等以及节约仪器的能耗，后者可提高利于减小空化效应、温升效应等以及节约仪器的能耗，后者可提高测量精度。测量精度。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量超超声声波波换换能能器器除除了了采采用用压压电电材材料料外外，还还有有磁磁致致伸伸缩缩材材料料。在在某某些些铁铁磁磁材材料料及及其其合合金金（如如镍镍、锌锌铁铁合合金金、铝铝铁铁合合金金等等）和和某某些些铁铁氧氧体体做做成成的的磁磁性性体体棒棒中中，若若沿沿某某一一方方向向施施加加磁磁场场，则则随随着着磁磁场场的的强强弱弱变变化化，材材料料沿沿这这一一方方向向的的长长度度就就会会发发生生变变化化，当当施施加加的的交交变变磁磁场场的的频频率率与与该该磁磁性性体体棒棒的的机机械械固固有有频频率率相相等等时时，磁磁性性体体棒棒就就会会产产生生共共振振，其其伸伸缩缩量量加加大大，这这种种现现象象称称为为磁磁致致伸伸缩缩效效应应，能能产产生生这这种种效效应应的的材材料料称称为为磁磁致致伸伸缩缩材材料料。利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应可可以以来来产产生生超声波。超声波。磁磁致致伸伸缩缩材材料料在在外外力力（或或应应力力、应应变变）作作用用下下，引引起起内内部部发发生生形形变变，产产生生应应力力，使使各各种种磁磁畴畴之之间间的的界界限限发发生生移移动动，磁磁畴畴磁磁化化强强度度矢矢量量转转动动，从从而而使使材材料料的的磁磁化化强强度度和和磁磁导导率率发发生生相相应应的的变变化化。这这种种由由于于应应力力使使磁磁性性材材料料磁磁性性质质变变化化的的现现象象称称为为压压磁磁效效应应，又又称称逆逆磁致伸缩效应磁致伸缩效应。在在磁磁致致伸伸缩缩材材料料外外加加一一个个线线圈圈，可可以以把把材材料料的的磁磁性性的的变变化化转转化化为为线线圈圈电电流流的的变变化化，因因此此可可用用来来接接收收超超声声波波。此此外外，利利用用逆逆磁磁致致伸伸缩效应还可以进行力、压力等参数的检测。缩效应还可以进行力、压力等参数的检测。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量补偿措施补偿措施(超声波传播速度的补偿超声波传播速度的补偿)物位检测的物位检测的精度主要取决于精度主要取决于超声脉冲的超声脉冲的传播时间传播时间和超声波在介和超声波在介质中的质中的传播速度传播速度。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施措施 。温度补偿温度补偿 如如果果声声波波在在被被测测介介质质中中的的传传播播速速度度主主要要随随温温度度而而变变化化，声声速速与与温温度度的的关关系系为为已已知知，而而且且假假设设声声波波所所穿穿越越的的介介质质的的温温度度处处处处相相等等，则则可可以以在在超超声声波波换换能能器器附附近近安安装装一一个个温温度度传传感感器器，根根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。常用补偿方法常用补偿方法 温度补偿；设置校正具温度补偿；设置校正具物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量设置校正具设置校正具 在被测介质中安装两在被测介质中安装两组换能器探头，一组组换能器探头，一组用作测量探头，另一用作测量探头，另一组用作构成声速校正组用作构成声速校正用的探头。校正探头用的探头。校正探头到反射板的距离为已到反射板的距离为已知的固定长度知的固定长度 。由由于于校校正正探探头头到到反反射射板板的的距距离离为为已已知知，测测出出声声脉脉冲冲从从校校正正探探头头到反射板的往返时间，则可得声波在介质中的传播速度为：到反射板的往返时间，则可得声波在介质中的传播速度为：因为校正探头和测量探头在同一介质中，两者的传播速度相等因为校正探头和测量探头在同一介质中，两者的传播速度相等 从而消除了声速变化引起的测量误差。从而消除了声速变化引起的测量误差。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量第六节第六节 射线式物位检测射线式物位检测q放射性同位素在蜕变过程中会放射出放射性同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线。三种射线。射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线的电离本领最强，但穿透能力最弱。射射线线是是电电子子流流，电电离离本本领领比比射射线线弱弱，而而穿穿透透能能力力较较射射线强。线强。射射线线是是一一种种从从原原子子核核中中发发出出的的电电磁磁波波，它它的的波波长长较较短短，不不带带电电荷荷，它它在在物物质质中中的的穿穿透透能能力力比比和和射射线线都都强强，但但电电离本领最弱。离本领最弱。由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量检测原理检测原理当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，其变化规律为：的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，其变化规律为： 式式中中： I0 、I为为射射入入介介质质前前和和通通过过介介质质后后的的射射线线强强度度；为为介介质质对对射射线线的的吸吸收系数；收系数；H为射线所通过的介质厚度。为射线所通过的介质厚度。当射线源和被测介质一定时，当射线源和被测介质一定时，I0和和都为常数。测出通过介质后都为常数。测出通过介质后的射线强度的射线强度I，便可求出被测介质的厚度，便可求出被测介质的厚度H。 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量检测系统组成检测系统组成射线式物位检测系统主要由射线式物位检测系统主要由射线源射线源、射线探测器射线探测器和和电子线路电子线路等部分组成。等部分组成。 射线源射线源 主要从射线的种类、射线的强度以及主要从射线的种类、射线的强度以及使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位使用的时间等方面考虑选择合适的放射性同位素和所使用的量。由于在物位检测中一般需要素和所使用的量。由于在物位检测中一般需要射线穿透的距离较长，因此常采用穿透力较强射线穿透的距离较长，因此常采用穿透力较强的的射线。射线。 探测器探测器 射线探测器的作用是将其接收到的射射线探测器的作用是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。线强度转变成电信号，并输给下一级电路。 电电子子线线路路 将将探探测测器器输输出出的的脉脉冲冲信信号号进进行行处处理理并转换为统一的标准信号。并转换为统一的标准信号。物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量实现方法实现方法 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多种方式，常用的如图所示位检测有多种方式，常用的如图所示模型演示动画模型演示动画物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量其它形式的物位检测仪表其它形式的物位检测仪表通过标尺读数的液位计统称为玻璃管液位计。通过标尺读数的液位计统称为玻璃管液位计。优点：简单、经济、无需外界能源、防爆、安全。优点：简单、经济、无需外界能源、防爆、安全。缺点：信号不易远传、容器内的压力、温度不能太高；对于缺点：信号不易远传、容器内的压力、温度不能太高；对于粘稠介质和深色介质沾染玻璃而影响读数粘稠介质和深色介质沾染玻璃而影响读数物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量微波物位计微波物位计 微波物位计又称雷达物位仪，微波物位计运微波物位计又称雷达物位仪，微波物位计运用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度用了微波的特性，在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以是一定的，所以 可以通过测量微波从传感可以通过测量微波从传感 器传播至物料表面并返回器传播至物料表面并返回 到传感器所用的时间来计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。雷达液位计雷达液位计其它形式的物位检测仪表其它形式的物位检测仪表物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量微微 波波 超超 声声 波波波类型波类型电磁波电磁波机械波机械波反射特性反射特性 在不同介电常数的界在不同介电常数的界面上反射面上反射在不同声阻抗的界面上反在不同声阻抗的界面上反射射压力影响压力影响 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补偿需温度补偿传播速度传播速度 约约 （真空）（真空） (空气中，空气中，20)测量盲区测量盲区 到天线顶端到天线顶端离辐射面离辐射面250动态范围动态范围 高达高达150dB高达高达100dB传播环境传播环境 很少受气相环境影响很少受气相环境影响 要求均一的气体环境要求均一的气体环境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 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量微波物位计有以下主要特点微波物位计有以下主要特点 ： 测量准确测量准确 可靠性强、寿命长可靠性强、寿命长 几乎可以测量所有介质几乎可以测量所有介质 安全节能安全节能 物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量其它形式的物位检测仪表其它形式的物位检测仪表如何能正常工作：如何能正常工作：1、浮子不沉入液下的条件；、浮子不沉入液下的条件；2、浮子不脱离液面的条件；、浮子不脱离液面的条件；3、吃水线在浮子中央；、吃水线在浮子中央；4、在液位最低时仍能保证绳索张紧而不松驰、在液位最低时仍能保证绳索张紧而不松驰会有哪些因素引起误差？会有哪些因素引起误差？ 绳索长度的变化；绳索长度的变化； 摩擦阻力摩擦阻力浮子浮子重锤重锤标尺读数的问题标尺读数的问题物位测量最新课件物位测量最新课件第五章第五章 物位测量物位测量小结小结物位计的分类：物位计的分类：液位计、界面计、料位计液位计、界面计、料位计物位检测的主要方法：物位检测的主要方法：静压式、浮力式、电气式、声学式、射线式静压式、浮力式、电气式、声学式、射线式物位检测的基本原理：物位检测的基本原理：力学原理、相对变化原理、某物理量随物位的升高而增加原理力学原理、相对变化原理、某物理量随物位的升高而增加原理静压式：静压式：原理、实现方法、量程迁移原理、实现方法、量程迁移浮力式：浮力式：恒浮力式、变浮力式恒浮力式、变浮力式电气式：电气式：电容式、电感式、电阻式电容式、电感式、电阻式声学式：声学式：基本方案、补偿措施基本方案、补偿措施物位测量最新课件物位测量最新课件