傳感器與檢測技術(shù)：物位檢測技術(shù)

物位檢測技術(shù)7.1概述

7.2連續(xù)式物位檢測技術(shù)

7.3開關(guān)式物位檢測內(nèi)容提要本章主要介紹物位的基本概念及檢測方法重點介紹了物位連續(xù)檢測中常用的電容式物位計、浮力式物位計、壓力式物位計、超聲波物位計的檢測原理物位上下限檢測中常用的超聲波物位開關(guān)、微波物位開關(guān)與接近開關(guān)的工作原理，應(yīng)用實例以及物位計的選用等。7.1概述7.1.1物位的基本概念液位――容器中的液體介質(zhì)的高低料位――容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度界位――在同一容器中由于兩種密度不同且相互不相溶的液體間或液體與固體之間的分界面（相界面）位置。物位――液位、料位和界位的總稱。物位檢測的作用①確定容器中的貯料數(shù)量，以保證連續(xù)生產(chǎn)的需要或進行經(jīng)濟核算；②為了監(jiān)視或控制容器的物位，使它保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；

③對它的上下極限位置進行報警，以保證生產(chǎn)安全、正常進行。

物位檢測的分類連續(xù)式物位檢測：連續(xù)檢測物位變化的；主要用于連續(xù)控制等方面，有時也可用于多點報警系統(tǒng)中。開關(guān)式物位檢測：檢測物位上下限的，即物位開關(guān)。它主要用于過程自動控制的門限、溢流和空轉(zhuǎn)防止等。7.1.2物位的檢測方法1.直讀法2.壓力法3.浮力法4.電學(xué)法5.聲學(xué)法6.光學(xué)法7.核輻射法8.其他方法1直接測量法

它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。7.2連續(xù)式物位檢測技術(shù)連續(xù)式物位檢測主要是利用物位計連續(xù)檢測物位的變化。電容式物位計主要有兩個導(dǎo)體電極（通常把容器壁作為一個電極），電極間的氣體、流體或固體的物位發(fā)生變化時導(dǎo)致電極間電容量的變化，因而可以反映出物位的變化。浮子自動平衡式物位計通過檢測平衡浮子浮力的變化來進行液位的檢測。壓力式物位計一般采用半導(dǎo)體膜盒結(jié)構(gòu)，利用金屬片承受液體壓力，通過封入的硅油導(dǎo)壓傳遞給半導(dǎo)體應(yīng)變片進行液位的測量。超聲波計檢測物位是由探頭向液面或粉體表面發(fā)射一束超聲波，再接收其反射波，根據(jù)聲波往返的時間就可以計算出傳感器到液面（粉體表面）的距離，即測量出液面（粉體表面）高度。7.2.1電容式物位計1.測量導(dǎo)電液體的電容式物位計圖7-1導(dǎo)電液體電容液位計示意圖根據(jù)電容計算公式C=ξs/d，對于導(dǎo)電液體來說，液位的變化相當于介電常數(shù)ξ和極板距離d不變，而極板面積S在變。

2.測量非導(dǎo)電液體的電容式物位計圖7-2非導(dǎo)電液體電容液位計示意圖電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖電容的增量正比于被測液位高度，可測量一種流體的液位高度(1)如大直徑容器或介電系數(shù)較小的介質(zhì)，為增大測量靈敏度，通常也只用一根電極，將其靠近容器壁安裝，使它與容器壁構(gòu)成電容器的兩極；(2)在測大型容器或非導(dǎo)電容器內(nèi)裝非導(dǎo)電介質(zhì)時，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；(3)在測極低溫度下的液態(tài)氣體時，由于接近，一個電容靈敏度太低。可取同軸多層電極結(jié)構(gòu)，把奇數(shù)層和偶數(shù)層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極，變成相當于多個電容并聯(lián)，以增加靈敏度。有些特殊場合還有其它特殊安裝形式:3.電容式物位計的外形與應(yīng)用（a）外形（b）典型應(yīng)用圖7-3電容式物位計的外形與典型應(yīng)用示意圖7.2.2浮力式物位計檢測液位1.檢測原理圖7-4浮力式液位檢測7.2.3靜壓式物位計檢測物位1.檢測原理由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測量容器中液體的壓力即可測得出液位高度。壓力表測量液位原理敞口容器：多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的高度。其關(guān)系為

式中，ρ為被測液體的密度（kg/m3），P—測壓儀表指示值，H—液位的高度，g—重力加速度由式可知，測出靜壓力p即可求出液位高度H。有壓力式和差壓式兩種。式中PA、PB——分別是液面上部介質(zhì)壓力和液面以下H深度的液體壓力。密閉容器：測量容器底部壓力，除與液面高度有關(guān)外，還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)，其關(guān)系為2.壓力式物位計圖7-5壓力式液位計1—旋塞閥；2—引壓管；3—壓力表；4—法蘭；5—壓力變送器3.差壓式物位計圖7-6差壓式液位計原理示意圖差壓式液位計使用注意事項：①對有腐蝕性介質(zhì)、易結(jié)晶介質(zhì)等，要用隔離器進行防護；②雙法蘭差壓式液位計的變送器安裝高度應(yīng)不影響零點遷移；③當介質(zhì)密度受溫度變化影響時，必須注意對刻度進行修正；④差壓式液位計在安裝時，要在取壓口處裝截止閥，以便安裝和維護；⑤差壓式液位計的正、負壓引壓管之間要裝平衡閥，以避免差壓變送器單向受壓而損壞；⑥差壓式液位計在使用時，要防止泄漏，應(yīng)按規(guī)定進行定期排污或排氣。7.2.4超聲波物位計檢測物位根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，超聲波液位計可分為液介式、氣介式和固介式三種。1.超聲波液位計的基本方案根據(jù)探頭的工作方式又可分為發(fā)射和接收由一個探測器完成的單探頭式超聲波液位計；以及發(fā)射和接收由兩個探測器分別完成的雙探頭式超聲波液位計。F1發(fā)射的超聲波到達

F2的時間較短

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器由于介質(zhì)的不同和探頭使用上的差異，可以組成六種形式，分別如圖7-7所示。圖7-7脈沖回波式超聲波液位計六種基本方案2.液介超聲液位計液介超聲液位計是以被測液體為導(dǎo)聲介質(zhì)，利用回波測距方法來測量液面高度。裝置由超聲換能器和電子裝置組成，用高頻電纜連接。圖7-8液介超聲液位計3.氣介超聲物位計它以被測介質(zhì)上方的氣體為導(dǎo)聲介質(zhì)，利用回波測距測量物位。其原理與液介相似。利用被測介質(zhì)上方的氣體導(dǎo)聲，被測介質(zhì)不受限制，可測量有懸浮物的液體、高黏度液體與粉體、塊體等，使用維護方便。除了能測各種密封、敞開容器中的液位外，還可以用于測塑料粉粒、砂子、煤、礦石、巖石等固體料位，以及測瀝青、焦油等粘糊液體及紙漿等介質(zhì)料位。4.超聲液位計的外形

圖7-9超聲波液位計外形圖核幅射法不同物質(zhì)對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。當射線射入厚度為H的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強度I與入射強度I0之間有如下關(guān)系：

式中—吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為：

因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。核輔射式液位計由輻射源、接收器和測量儀表組成。輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測容器的一側(cè)。輔射源在結(jié)構(gòu)上只能允許射線經(jīng)鉛室的一個小孔或窄縫透出。接收器與前置放大器裝在一起，安裝在被測容器另一側(cè)，射線由蓋革計數(shù)管吸收，每接收到一個粒子，就輸出一個脈沖電流。射線越強，電流脈沖數(shù)越多，經(jīng)過積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓，再經(jīng)電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關(guān)的電流輸出。

圖中所示為輻射源與接收器均是為固定安裝方式的核幅射液位計。a)b)圖核輻射式液位計1-放射源；2-接收器7.3開關(guān)式物位檢測開關(guān)式物位檢測是檢測物位是否超限（上、下限）或到達某一位置，并輸出相應(yīng)開關(guān)信號的一種物位開關(guān)。其主要有利用超聲波、激光、微波的反射與對射形式進行檢測或利用接近開關(guān)檢測等。超聲波物位開關(guān)是向液面或粉體表面發(fā)射一束超聲波，通過是否接收到反射波，來確定物位是否到達物位開關(guān)的安裝高度，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號。超聲波物位開關(guān)特別適合檢測高粘度液體和粉狀體的物位。激光式物位開關(guān)的工作原理與超聲波相同，只是把超聲波換成激光，一般采用近紅外光對射形式，激光式物位開關(guān)可應(yīng)用于狹窄開口容器以及高溫、高精度的液面檢測。微波式物位開關(guān)是根據(jù)微波具有良好的定向輻射性能，且各種障礙物都能產(chǎn)生良好的反射與吸收特性，來進行物位檢測的。7.3.1超聲波物位開關(guān)1．定點式超聲物位開關(guān)定點式物位開關(guān)用來檢測被測物位是否達到預(yù)定高度（通常是安裝檢測探頭的位置），并發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)信號。根據(jù)不同的工作原理及換能器結(jié)構(gòu)，可以分別用來測量液位、固體料位、固－液分界面、液－液分界面以及檢測液體的有無。

定點式超聲物位開關(guān)常用的有聲阻式、液介穿透式和氣介穿透式三種。（1）聲阻式液位開關(guān)利用氣體和液體對超聲振動的阻尼有顯著差別這一特性來判斷測量對象是液體還是氣體，從而測定是否到達檢測探頭的安裝高度。圖7-10聲阻式液位開關(guān)原理示意圖1－輻射面；2－壓電陶瓷；3－不銹鋼外殼；4－放大；5－控制器（2）液介穿透式超聲液位開關(guān)利用超聲換能器在液體和氣體中發(fā)射系數(shù)的顯著差別來判斷被測液面是否到達換能器安裝高度。

圖7-11液介穿透式超聲波液位開關(guān)原理示意圖1－壓電陶瓷；2－不銹鋼外殼；3－檢測探頭；4－放大；5－控制器（3）氣介穿透式超聲物位開關(guān)發(fā)射換能器中壓電陶瓷和放大器接成正反饋振蕩回路，振蕩在發(fā)射換能器的諧振頻率上。接收換能器同發(fā)射換能器采用相同的結(jié)構(gòu)使用時，將兩換能器相對安裝在預(yù)定高度的一條直線上，使其聲路保持暢通。當被測料位升高遮斷聲路時，接收換能器接收不到超聲波，控制器內(nèi)繼電器動作，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。2．超聲波物位開關(guān)的特點①能定點檢測物位，并提供遙控信號；②無機械可動部分，安裝維修方便，換能器壓電體振動振幅很小，壽命長；③能實現(xiàn)非接觸測量，適用于有毒、高粘度及密封容器內(nèi)的液位測量；④能實現(xiàn)安全火花型防爆。

激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在液位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進行連續(xù)測量。

反射式激光液位檢測原理圖1-激光發(fā)射器；2-上液位接收器；3-下液位接收器7.3.2微波物位開關(guān)1.微波的基本知識微波是指波長為1mm～1m的電磁波，它既有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波。相對于波長較長的電磁波，微波具有下列特點：①定向輻射的裝置容易制造；②遇到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特性好，在傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光等影響很小；⑤介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，水對微波的吸收作用最強。微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的主要組成部分。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，而頻率又很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用場效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管（管長10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線需具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖7-12所示，其中有喇叭形天線、拋物面天線、介質(zhì)天線和隙縫天線等。圖7-12常用微波天線（a）、（b）喇叭形天線；（c）、（d）拋物面天線2.微波物位開關(guān)微波物位開關(guān)就是指利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時微波被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路后，即可顯示出被測量，從而實現(xiàn)微波檢測過程。根據(jù)上述原理，微波物位開關(guān)可分為反射式和遮斷式兩類。（1）反射式微波物位開關(guān)圖7-13微波液位計原理示意圖接收天線接收到的功率為（2）遮斷式微波物位開關(guān)圖7-14微波開關(guān)式物位計原理圖3.微波物位開關(guān)的應(yīng)用圖7-15微波定位檢測原理圖微波源（MS）、環(huán)行器（C）、信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器（T）、顯示器（D）4.主要特點微波物位開關(guān)的特點是可實現(xiàn)非接觸測量，檢測速度快、靈敏度高、適應(yīng)環(huán)境能力強，便于動態(tài)檢測。5.微波物位開關(guān)實物7.3.3接近開關(guān)與物位檢測1.接近開關(guān)接近開關(guān)是一種檢測器件，又稱無觸點行程開關(guān)。當被測物接近時（幾毫米至幾十毫米）引起開關(guān)動作，一般作為位置檢測使用。常用的接近開關(guān)有渦流式、電容式、磁性干簧管和霍爾式接近開關(guān)。（1）工作原理渦流式接近開關(guān)習(xí)慣稱電感接近開關(guān)。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)只能檢測金屬物體。電容式接近開關(guān)的感應(yīng)面由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，該兩個電極構(gòu)成一個電容，串接在RC振蕩回路內(nèi)，電源接通時RC振蕩器不振蕩，當被測物體朝著電容器的電極靠近時，電容器的容量增加振蕩器開始振蕩，經(jīng)內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，從而達到了檢測有無物體存在的目的。電容式接近開關(guān)既能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體對金屬物體可以得到較大的動作距離；對非金屬物體的動作距離主要決定于被測物質(zhì)的介電常數(shù)，被測物的介電常數(shù)越大，動作距離也越大。磁性干簧開關(guān)又稱干簧管，干簧管是在充有惰性氣體的玻璃管內(nèi)封裝了兩支由導(dǎo)磁材料制成的舌簧開關(guān)，其中觸點部分鍍金。當有磁場接近干簧管時，與干簧管形成閉合磁路，磁力克服簧片彈力，使觸點動作。當磁場離開時，觸點跳開。干簧管具有觸點不易氧化、接觸電阻小、絕緣電阻高、耐高壓等優(yōu)點，但它只對磁性較強的物體起作用，且動作速度較慢（約10ms）?；魻柺浇咏_關(guān)只對磁性物體起作用。（2）特點及外形接近開關(guān)與機械開關(guān)相比有如下特點：①非接觸檢測；②工作壽命長；③響應(yīng)快；④全密封結(jié)構(gòu)，工作可靠性強；⑤無觸點、無火花、無噪聲，適用于防爆場合；⑥輸出信號大，便于接口；⑦體積小，安裝、調(diào)整方便。缺點是觸點過載能力小。