检测技术课程设计Word格式文档下载.docx
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6.1测量原理………………………………………………………………………16
6.2测量仪基本结构………………………………………………………………16
6.3基本应用………………………………………………………………………17
第七章其他物位测量仪…………………………………………………………18
7.1激光式物位测量仪表…………………………………………………………18
7.2机械式物位测量仪表…………………………………………………………19
总结…………………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………………21
第一章物位测量仪概述
1.1物位基本定义
物位是指物料相对于某一基准的位置，是液位、料位和相界面的总称。
液位：
容器、河道、水库等中液体的表面位置（相对于某一指定位置）
料位：
容器、堆场、仓库等所储固体颗粒、粉料等的堆积高度。
相界面：
同一容器中储存的两种密度不同且互不相溶的液体之间或两种介质之间的分界面位置。
相界面位置分为液-液相界面、液-固相界面
1.2物位测量的目的和意义
1、为进行经济核算提供可靠依据；
确定容器内的原料、半成品或成品的数量，以保证生产过程物料平衡。
2、了解物位是否在规定范围内，对维持正常生产、保证产品的产量和质量、保证安全生产具有重要的意义。
例如，火力发电厂锅炉汽包水位的测量与控制，水位过高，造成蒸汽带水，蒸汽品质降低，轻则加重管道和汽机的积垢，降低压力和效率；
重则使汽机发生故障。
水位过低，则对水循环不利，可能使水冷壁管局部过热甚至爆炸。
1.3物位测量的工艺特点及主要问题
1、物位测量传感器的安装位置
液体：
液位水平，液位计只对安装高度有要求，可以在同一高度上选择任何安装地点；
流动性差的粉粒物料：
料面不水平，料面的局部高低与进出料口位置有关，也和进出料的流量有关。
2、物位测量的另一个普遍性问题是盲区
浮子法测液位：
受容器底面、容器顶面限制，有盲区；
超声波测量物位：
受到距离太小无法分辨的限制，也存在盲区。
3、物位测量中存在的死角问题
容器的几何形状和传感器安装位置配合不当会出现死角。
4、分粒体料位还有滯留区
流动性差，在堆积状态下有不滑坡的最大倾角，叫做“安息角”。
大小与颗粒形状、表面粗糙程度、潮湿程度、是否带静电、是否吸附气体等因素有关。
料仓的设计也要考虑这一特性，否则会有物料残留。
第二章静压式液位测量仪
2.1测量原理
测液柱高产生的静压实现液位测量。
如图4.1，设
密封容器中A点的静压（气相压力），
B点的静压，H液位高度,液体密度。
则：
若为敞口容器，则PA大气压，PBB点的表压力。
当ρ为常数，压力或差压只与液位高有关。
测出P或ΔP可知液位。
量程合适的压力或差压的仪表皆可用于液位测量。
P或ΔP乘以容器的截面积，可得到容器中液体的质量—测总量。
2.2测量方法
2.2.1压力式液位计
测量原理：
测压表所测压力来反映液位,如下图所示：
1、用测压表测量
如图4.2（a），引压管把压力计与容器底部连通，仪表示值反映液位高低。
测压基准点与最低液位一致。
若不一致，要考虑附加液柱影响，进行修正。
适合黏度较小、洁净液体液位测量。
测量黏稠、易结晶或含有颗粒液体的液位，采用法兰式压力变送器，如图4.2（b）。
2、吹气法
适于腐蚀性、高黏度或有悬浮颗粒液位测量，如图5.3。
由液位变化范围，调节减压阀2，使压缩空气压力为P1；
调节流元件3，使压力为P2，保证最高液位仍
有微量气泡从导管下端口逸出；
P1变化不大，当满足P2≤0.528P1时，气源流
量恒定不变
液位↑↓→管内压力↑↓→从导管下端逸出的气量↑↓。
管内压力与液体静压约相等，表5示值即反映液位高H。
2.2.2差压式液位计
1、零点迁移问题
压力、差压检测要求：
取压口（零液位）与压力/差压仪表的入口在同一水平面，否则有附加静压差；
①无迁移图5.4（a）
差压变送器正、负压室分别与容器下部和
上部的取压点相连通，正压室与零液位等高；
压
力分别为P+和P-，则：
H＝0，ΔP＝0，无需迁移。
负迁移图5.4（b）
上方气体可凝，或介质有腐蚀性，为防腐，差变正、负室与取压点间装有隔离罐，并充满隔离液。
其密度为
，正、负压室所受压力为：
当＝0，＝－B＜0，有一固定值（输出I＜4mA）；
要H＝0，输出I＝4mA，需消去－B的作用——零点迁移。
迁移的量为－B，故为负迁移。
③正迁移
实际安装时，常不能保证变送器和零液位在同一水平面
H＝0，＝C，有一固定值，使输出I＞4mA；
要H＝0，I＝4mA，需消去C的作用。
迁移量C＞0，故需正迁移。
方法与负迁移相似。
2.2.3特殊液位测量
①腐蚀性、易结晶或高黏度介质液位测量。
采用法兰式差变：
防引压管腐蚀或堵塞，如图4.6。
—毛细管中硅油密度，kg／m3。
②锅炉汽包水位测量
关键环节:
平衡容器粗管，粗管正压容室与汽包连通，进入平衡容器的蒸汽不断凝结成水，因溢流而保持恒定水位。
细管，负压容室与汽包水连通。
汽包为正常水位时，平衡容器差压。
2.3静压式液位测量仪应用
1、功能特点
、稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。
在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。
、具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。
、固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。
、安装方便、结构简单、经济耐用。
2、测量选择
、分体式一体式可选
、量程:
0---0.5---200米
、输出:
4---20mA（2线制）
供电电:
7.5---36VDC推荐24VDC
、可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量
性能和优点
其机械结构对过载及腐蚀性介质具有高抵抗性
高精度、长期稳定的陶瓷电容和进口扩散硅测量单元
密封的电子模块及双滤波压力补偿系统可抵抗气候现场变化的影响电子模块可输出4...20mA信号并同时带有过压保护的模块
选择集成的温度传感器Pt100可同时进行物位及温度的测量
相应的附件可提供完整的测量方案
第三章浮力式液位测量仪
3.1测量原理
力或力矩平衡原理。
①恒浮力法：
浮子升降反映液位的变化；
②变浮力法：
浮力随液位浸没高度变化。
1、恒浮力法，如图
浮子所受重力、浮力与平衡重物的重力相平衡，
使浮子漂浮在液面上。
关系为：
W－F＝G
W—浮子所受重力，N；
F—浮子所受浮力，N；
G—平衡重物的重力，N。
W、G—常数；
F—也为常数（停留在任何高度），故称恒浮力法。
实质：
浮子把液位↓↑→机械位移↓↑。
图5.10b，设浮子扁圆柱形，直径D、高度b、重量W，浸没部分高度△h，介质密度，液面高H。
当浮力F=W时，浮子停在某一位置，则：
当H↓↑，浮子位置↓↑，△h不变化（准确测量）。
误差分析：
温度或成分↓↑→介质密度↓↑；
黏性液体黏附，腐蚀液体浸蚀→浮子的重量或直径↓↑。
三种不同形状的浮子：
扁平形：
空心大直径扁圆盘形，不灵敏区较小，测量精度高；
可测重度较小的介质液位；
抗波浪性好（对高频小变化的波浪）。
但对液面的大波动比较敏感，易随之漂动。
高圆柱形：
高度大、直径小，抗波浪性好。
但对液面变动不敏感，精度差，不灵敏区较大。
扁圆柱形：
抗波浪性和不灵敏区在上述两者之间，结构简单，易于加工制作，广泛应用。
2、变浮力法如图所示：
在弹簧上悬挂圆筒形金属，浮筒重力W与弹簧的
弹性力平衡；
当部分浮筒被浸没，浮力使浮筒上
移，与弹性力平衡时，移动停止，满足关系：
（c—弹簧刚度，N／m；
x—弹簧压缩位移，m；
A—浮筒的截面积，m；
H—浮筒被液体浸没的高度，m；
—被测液体密度，kg／m；
g—重力加速度，m／s
液位升高△H，则浮筒上移△x，平衡式:
浮筒位移△x∝△H；
在浮筒的连杆上安上差动变压器铁心，输出电信号，反映液位变化。
3.2浮力式类测位仪
3.1.1恒浮力式液位计
、浮球式液位计，如图
力矩平衡：
浮球1连杆2与转动轴3相连，另一端与容器外侧的杠杆5（加有平衡重物4）相连组成。
调整平衡重物的位置或质量实现系统力矩平衡。
平衡式:
W—浮球的重力；
F—浮球所受的浮力；
G—平衡重物的重力；
l1—转动轴到浮球的垂距；
l2—转动轴到重物中心的垂离。
常测：
a、温度、黏度较高而压力不大的密闭容器的液位；
b、内浮式、外浮式；
c、小直径的容器，用外浮式；
d、测量范围受运行角限制（最大为35°
），适于窄范围液位测量。
2、磁浮子式液位计,如图：
用于中小容器和设备。
下端封闭的不锈钢管1内设条形绝缘板2，板上
排列舌簧管3和电阻4；
管外套内装环形永磁体6可上下滑动的浮子5，
磁力线沿舌簧闭合；
浮子中央的舌簧管吸合导通，其他断开图a；
液位升降，AC或AB间的阻值改变；
3、浮子钢带式液位计，如图：
可自由伸缩钢带的一端吊浮子，对浮子施以恒拉力；
导向机构：
防止浮子受被测液体流动的影响；
钢带2和滑轮
3将液位↑↓→钉轮4，将直线运动→转动；
指针5和计数
器6指示液位；
钉轮轴上安转角传感器，实现信号远传；
收带轮7、恒力弹簧轮9、反绕在轴8调整恒拉力；
不适用
于有压容器，用于常压液位测量；
范围0～20m，精度0.03％。
3.1.2变浮力式液位计
在测量过程中浮力发生变化，如浮筒式液位计，液位改变时浮筒在液体内浸没的程度不同，所受的浮力也不同，将浮力的变化量转换成差动变压器铁芯的位移，就可输出相应的电信号，供指示、记录、报警和调节之用，也可远距离传送。
1、典型仪：
扭力管浮筒液位计。
杆2的左端垂直悬挂浮筒1；
扭力管3及芯轴4垂直紧固于2右端；
另一端为自
由端，输出角位移；
当液位低于浮筒下端时，浮
筒全重作用于杠杆：
F0＝W（W—浮筒的重力。
）
此时扭力矩最大，扭力管产生最大的扭角（约为4°
）；
当浮筒整个浸没，扭力矩最小，扭力管产生最小扭
角（约为2°
）。
仪器特点：
液位H∝△F；
H浮↑力↑，作用于杠杆的力FX↓，扭角↓；
芯轴4输出，机械放大机构带动指针就地指示；
也可将角位移→气或电标准信号。
3.3浮力式液位测量仪应用
1、带有钢丝绳（钢带）的浮子式液位计
传感器安装在嫩顶上，从传感器顶部伸出一根测量钢带，钢带的端部吊有浮子，当浮子在全量程范围内上下移动变化时，钢带对浮子的拉力基本不变。
浮子的自重大于钢带的拉力，浮子部分浸入液体中。
由于拉力不变，所以浮子浸入液体的深度不变，因而可以认为，浮子与液位严格同步运动，扣除一固定初值后，浮子的位置就代表了液位。
显示仪表完成译码、计数、显示和D/A转换功能。
通过5位数字显示，精度可达到0.03级~0.02级，量程可达20^-30m，并可带有串行异步通信功能。
2、带杠杆的浮子式液位计
对于粘度比较大的液体介质的液位测量，如炼油厂的减压塔底部液面测量，一般可采用带杠杆的浮子式液位仪表。
这种仪表由于机械杠杆臂长度的限制，所以量程通常较小。
常用于液位控制系统中的液位高度变化最的检测。
3、依靠浮子电磁性能传递信号的液位计
它利用浮子电磁性能传递液位信号翻板式液位计结构牢固，工作可靠，显示醒目，又系利用机械结构和磁性联系，故不会产生火花，宜在易燃易爆场合使用。
其缺点是当被测介质粘度较大时，浮子与器壁之间易产生粘附现象，使摩擦增大。
严重时，可能使浮子卡死而造成指示错误并引起事故。
第四章电容式液位测量仪
4.1测量原理
物位变化时引起电极的电容量变化，利用这个原理构成的电容式物位计可以测量导电液和非导电液的液位、非导电颗粒状固体的料位。
两同轴相互绝缘的导电金属圆柱中间隔以不导电的介质，就构成电容器。
根据这个道理,用各种不同形状的电容测量头,可构成多种电容式物位仪表。
现代电容式物位仪表采用安全防爆、隔爆的措施，应用范围已扩大到一些化工、石油、轻工部门。
电容式物位仪表是电测式物位仪表中应用最广泛的一种。
4.2测量类型
4.2.1导电液的液位测量
两电极覆盖面积随被测液位变化，引起电容量变化，
如图；
圆柱形电容器：
定电极：
不锈钢棒3；
动电极：
被测导电液1；
绝缘介质：
套在不
锈钢棒上的聚四氟乙烯套管4；
液位↑，两电极覆盖面
积↑，传感器的电容量↑；
反之，电容量↓；
测量传
感器的电容量大小可知液位。
当H＝0，即液位低于h（非测量区），电容量C0：
—聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数F／m；
L—液位测量范围（可变电容器两电极的最大覆盖长度）m；
—容器内径m；
d—不锈钢棒直径m。
当液位为H时，电容量CH：
当电极确，、D和d定值，则只要、D和d的数值稳定（不受压力、温度等因素的影响），即K为常数，电容变化与液位变化成线性。
式（5．32）还表明：
绝缘材料的介电常数较大，绝缘层厚度较薄，即D／d较小时，灵敏度较高。
适于黏度小液体；
底部约有10mm的非测量区（图5．21中的h）。
4.2.2测非导电体液位液位↑↓→两电极间充填介质的介电常数↑↓→电容量↑↓→测液位。
适合：
轻油类、部分有机溶剂和液态气体。
内、外电极：
两根相互绝缘的同轴不锈钢管，外管上有通孔，被测液可自由进出。
当H＝0，介质是空气，初始电容：
-空气的介电常数F／m；
L—两电极的最大覆盖长度m；
D—外电极的内径m；
d—内电极的外径m
电极一定，、D和d均为定
值，电容变化量与液位H成线性。
4.2.3环形二极管电桥充放电转换电路
1、二极管D1～D4组成环形电桥；
A端加频率为f的矩形波电压；
Cx电容物位传感器，C0可变电容，与传
感器始分布电容Cx0平衡，调零；
微安电流表接AC，并联电容Cm，滤波。
二极管正向压降、起始截止区忽略；
认为微安表内阻很小，且Cm很大。
2、当电压由低U1跃变到高U2，Cx和C0同时充电到U2；
充电时，D2、D4截止；
充电结束，D1～D4全截止；
充电时由A流向C的电荷量为C0（U2－U1）；
当电压由U2降到U1时，Cx和C0同时放电；
放电过时，D1、D3截止；
放电结束，D1～D4又全截止；
放电时由C流向A的电荷量为Cx（U2－U1）。
Cx和C0充放电过程中，流过微安表的平均电流I：
当H＝0，调整C0＝Cx，使I＝0；
当H时，△C变化，I与△C成正比I与H成正比。
3、微安表不接地，不便输出电流，且引线分布电容
会带来误差；
微安表、电感L2接在C点与地之间；
且A通过L1接地；
直流分量I通过微安表，交流
分量仍从Cm上通过；
有对地输出端，便于输出电流；
电容Cd，隔断直流。
4.3电容式测量仪应用
电容式物位测量仪表应用，在火力发电厂中，广泛采用静电除尘器除去锅炉燃烧烟气中的飞灰，飞灰被高压静电吸附在极板上后，被振动落入除尘器下部的灰斗中。
当灰位达到一定高度，打开灰斗进行排灰。
控制中需要采用2只物位计测量灰在灰斗中的高位和低位，以便控制灰斗的开和关。
飞灰是煤粉燃烧后的产物，颗粒直径很小，在几十微米范围内，刚刚落下的飞灰与空气形成疏松的混合物，密度很小，电阻率很高。
另外由于静电除尘器内温度约为160℃，存在强静电干扰，使一般物位计的应用存在困难。
因此，可以采用具有防飞灰的黏结、挂料功能的射频导纳物位计。
第五章微波法物位测量仪
5.1测量原理
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。
微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。
微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。
对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。
对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。
而对金属类东西，则会反射微波。
5.2雷达式物位计
1、特点：
无可动部件、不接触介质、无测量盲区；
可用于大型固定罐、浮顶罐内腐蚀性液体、高黏度液体、有毒液体的液位测量；
精度几乎不受被测介质温度、压力、相对介电常数及其易燃易爆等恶劣工况的限制。
2、测量原理：
雷达波往返的时间ｔ（发射，抵达液面后反射），正比于天线到液面的距离。
C — 电磁波传播速度，300000km／s；
d — 被测介质与天线之间的距离，m；
t— 天线发射与接收到反射波的时间差，s；
L — 天线距罐底高度，m；
H — 液位高度，m。
3、
测量方式
、微波脉冲法
、脉冲由发送器通过天线发出；
、经液面反射后由接收器接收，并将信号
传给计时器；
、计时器得到脉冲的往返时间；
测量系统包括：
天线头、数据采集板DAB、
高频信号发生板HFB三部分。
连续波调频法
原理如图：
组成部分：
微波源：
波段（10GHｚ）的压控振荡器；
从液面反射的信号经环形器送往混频器；
混频器：
对输入信号进行混频，产生差频信号，并送往放大器；
放大器：
将回波信号放大到规定的幅度后，送数字信号处理器；
数字信号处理器：
对输入信号进行采样和傅氏变换，获得频谱特性；
计算输出液位信号。
5.3应用
1、雷达液位计的应用问题
、介质的相对介电常数
微波在液面产生反射和折射，强度被衰减，当相对介电常数小到一定值时，微波信号衰减过大，液位计无法正常工作。
避免法：
被测介质相对介电常数大于产品所要求的最小值；
用导波管。
、温度和压力
微波的传播速度不受温度变化的影响；
在允许温度范围内工作（采取冷却措施）；
避免高温介质对天线的影响：
与最高液面间留有一定的安全距离。
可在真空或受压状态下正常工作；
压力高到一定程度时，对测量带来误差。
、导波管（稳态管）
消除多重回波所产生的干扰影响；
提高反射回波能量（测量相对介电常数较小的液面）。
2、微波物位计应用
现今物位测量领域困扰用户的是一些大型固体料仓的物位测量，特别是用于50/100米以内的充满粉尘和扰动的加料状态下的料仓。
相关技术的仪表例如电容或导波雷达TDR在放料时物位下降时会受到很强的张力负载，可能会损坏仪表或把仓顶拉塌掉。
重锤经常有埋锤的问题，需要经常维修，大多数其他机械式仪表也是这样。
而高粉尘工况又可能会超出非接触式超声波物位测量系统的能力。
高频的调频雷达技术尤其适合这种大型固体料仓的物位测量！
现今的高频雷达一般为工作在K波段（24～26GHz）的雷达物位计，雷达的工作频率越高其电磁波波长越短，越容易在倾斜的固体表面有更好的反射，并具有较窄的波束宽度，可有效避开障碍物，高的频率还可使雷达使用更小的天线。
而FMCW调频连续波微波物位计发射和接受信号是同时的，相同时间内发射的微波信号更多，固体测量中可减少高粉尘固体料仓测量中的失波现象。
因此固体测量中高频的调频雷达能提供准确、可靠的测量，并在例如化工行业中的PP粉末、PE粉末等介质中也有良好应用。
但由于技术限制，现今还没有工作在K波段以上的高频雷达物位计。
也有使用5.8GHz~10GHz的低频雷达测量固体，但由于其较低的频率、较长的波长其发射波不容易被漫反射，在高粉尘工况下会导致很多的二次或多次回波，干扰和噪声很大，因此固体粉料测量中逐渐被淘汰。
第六章核辐射物位测量仪
6.1测量原理
核辐射主要是α、β、γ三
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