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第七章第七章 物位测量物位测量郑丹丹郑丹丹 7.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲7.1.1 测量原理测量原理（1）恒浮力恒浮力法液位测量法液位测量W：浮子重力；：浮子重力；F：浮子所受浮力；：浮子所受浮力；G：平衡物重力。：平衡物重力。由于仪表各部分具有摩擦，所以只有在浮力由于仪表各部分具有摩擦，所以只有在浮力 达到一定数值达到一定数值 ，能克服摩擦时，浮子才能，能克服摩擦时，浮子才能开始动作，这就是仪表产生不灵敏区的原因。开始动作，这就是仪表产生不灵敏区的原因。7.1.1 测量原理测量原理（1）恒浮力恒浮力法液位测量法液位测量表示表示不灵敏区不灵敏区7.1.1 测量原理测量原理（1）恒浮力法液位测量）恒浮力法液位测量凯泰克凯泰克KM26磁耦合液位计磁耦合液位计应用原理图应用原理图凯泰克凯泰克KC99 磁耦合液位计磁耦合液位计防漏防磁指示型远传型密封壳体保护附近不可有强磁场舌簧管7.1.1 测量原理测量原理（1）恒浮力法液位测量）恒浮力法液位测量磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁翻板磁翻板磁翻板磁翻板N NS S小小小小磁磁磁磁针针针针罐外罐外罐外罐外红红红红色色色色白白白白色色色色1010水平轴轻、薄轻、薄轻、薄轻、薄NNNNS径向充磁磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子式液位计磁浮子舌簧管液位变送器磁浮子舌簧管液位变送器磁浮子舌簧管液位变送器磁浮子舌簧管液位变送器 干簧管铁片7.1.1 测量原理测量原理（1）恒浮力法液位测量）恒浮力法液位测量初态：初态：末态：末态：7.1.1 测量原理测量原理(2)(2)(2)(2)变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量浮筒液位计浮筒液位计浮筒液位计浮筒液位计上两式相减：上两式相减：目的：目的：测出较小的测出较小的x，得到较大的液位变化，得到较大的液位变化Hc弹性刚度系数，弹性刚度系数，N/m；x弹簧弹簧拉伸拉伸位移，位移，m；A浮筒的截面积，浮筒的截面积，m2；H浮筒被液体浸没的高度浮筒被液体浸没的高度,m，被测液体的密度，被测液体的密度，kg/m3;g 重力加速度，重力加速度，m/s2。其中：其中：液位变化液位变化 力的变化力的变化机械位移机械位移位移传感器位移传感器电信号电信号初态：初态：末态：末态：7.1.1 测量原理测量原理(2)(2)(2)(2)变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量浮筒液位计浮筒液位计7.1.1 测量原理测量原理(2)(2)(2)(2)变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量变浮力法液位测量浮筒液位计浮筒液位计液位变化液位变化扭力矩变化扭力矩变化扭转角变化扭转角变化 角位移传感器角位移传感器电信号电信号7.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲根据流体静力学原理：根据流体静力学原理：通过测得容器内通过测得容器内液柱高度液柱高度液柱高度液柱高度产生的产生的静压静压静压静压实现液位测量。实现液位测量。7.2.1 测量原理测量原理 7.2.2 压力式液位计压力式液位计（1）测压仪表测量）测压仪表测量注意：注意：测压基准点与最低液位一致测压基准点与最低液位一致测压基准点与最低液位一致测压基准点与最低液位一致（a）适合粘度较小、洁净液体的液位测量。）适合粘度较小、洁净液体的液位测量。敞口敞口容器容器（a）（b）零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移：液面高度为零时，即便受液面高度为零时，即便受附加静压差，输出仍为附加静压差，输出仍为“零零”。三种三种三种三种情况情况:无迁移无迁移无迁移无迁移、负迁移负迁移负迁移负迁移和和正迁移正迁移正迁移正迁移（a a）无迁移）无迁移）无迁移）无迁移。差压变送器正、负压室。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分别与容器下部和上部的取压点相连通，并保证通，并保证正压室与零液位等高正压室与零液位等高正压室与零液位等高正压室与零液位等高。差压变送器作用是将输入差压差压变送器作用是将输入差压420 mA：=0 P=0 I4 mA;=max P=Pmax 20 mA(1)(1)零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题PP ggP-P7.2.3 7.2.3 差压式液位计差压式液位计（b b）负迁移负迁移负迁移负迁移 11222 1(h2-h1)2g 07.2.3 7.2.3 差压式液位计差压式液位计(1)(1)(1)(1)零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题当当当当 时时时时 P 4 调节变送器上的调节变送器上的迁移机构迁移机构，实现，实现 P4H=0当当当当maxmax时时时时 P max120说明说明说明说明:调整的压差调整的压差 是是作用于负压室作用于负压室 且附加静压且附加静压 调节调节迁移机构迁移机构:当当P=C时时=0。当当=max时时P=max1+CI=20mA说明说明说明说明:调整的压差调整的压差是是作用于正压室作用于正压室 且且 附加静压附加静压0正迁移！正迁移！（c c）正）正）正）正迁移迁移迁移迁移=h1g7.2.3 差压式液位计差压式液位计(1)(1)零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题零点迁移问题求解求解求解求解界位界位界位界位密闭容器密闭容器密闭容器密闭容器7.2.3 差压式液位计差压式液位计注注：负压室要处于上层介质中，且不高于上表面：负压室要处于上层介质中，且不高于上表面7.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲当液位高度为当液位高度为0时，传感器电容时，传感器电容量量C0为为当液位高度为当液位高度为H时，传感器电容时，传感器电容量量CH 为为7.3.1 导电液体的液位测量导电液体的液位测量D0D，且，且0液位由液位由0增加到增加到H，传感器电容变化，传感器电容变化量量C为：为：补充：射频导纳液位计补充：射频导纳液位计(去除挂料影响的电容式液位传感器去除挂料影响的电容式液位传感器)通过分析传输电流的波动方通过分析传输电流的波动方程，得（程，得（射频导纳定理射频导纳定理）：）：射频导纳液位计射频导纳液位计挂料的等效阻抗为：挂料的等效阻抗为：当：当：进行测量。进行测量。射射频频导导纳纳液液位位计计7.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲凯泰克（凯泰克（K-Tek）超声波液位）超声波液位/料位计料位计7.4.1 测量原理测量原理声波遇到两相界面时会声波遇到两相界面时会发生发生反射反射单探头气介式单探头气介式气介声速气介声速高出最高高出最高液位液位（1）基本测量方法）基本测量方法7.4.2 测量方法测量方法测量盲区测量盲区约约1m（）设置声速校正具方法（）设置声速校正具方法 声波在介质中的声波在介质中的传播速度传播速度与介质的与介质的密度密度有有关，而密度是关，而密度是温度和压力温度和压力的函数的函数 v（P,T）eg.空气空气 V0=331 m/s；V100=387 m/s7.4.2 测量方法测量方法带温度探头的超声波液位计带温度探头的超声波液位计带有声速校正杆的超声波液位计带有声速校正杆的超声波液位计 tt0hh07.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲7.5.1 测量原理测量原理 发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位计。计。电磁波电磁波，波速与空气温度、湿度等无关波速与空气温度、湿度等无关。雷达液位计雷达液位计导波雷达液位计导波雷达液位计德国德国E+H FMR230 雷达液位计雷达液位计用于液体、颗粒及浆料物位的用于液体、颗粒及浆料物位的连续非接触测量连续非接触测量。测量不受介质变化、温度变化、测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽的影响；惰性气体及蒸汽的影响；喇叭式天线喇叭式天线，频率，频率6 GHz；量程量程20 m，精度，精度3mm；两线制，两线制，HART协议；协议；西门子西门子SITRANS LR400 雷达液位计雷达液位计适于测量高粉尘固体物料适于测量高粉尘固体物料和低介电常数液体物位。和低介电常数液体物位。连续波调频工作方式连续波调频工作方式；工作频率工作频率24 GHz；量程量程50 m，精度，精度60 mm；两线制，两线制，HART协议；协议；现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。德国科隆德国科隆(KROHNE)BM70P 雷达液位计雷达液位计液体和液化气的液位测量。液体和液化气的液位测量。工作频率工作频率9.9 GHz；量程量程35 m；精度精度:110 m时，时，1mm 10 m时，时，0.01%示值误差示值误差具有改进信噪比的微波窗，具有改进信噪比的微波窗，高灵敏性高灵敏性，动态响应达动态响应达 140 dB。7.5.2 计数法测时计数法测时若计数时钟频率为若计数时钟频率为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接收，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有脉冲瞬间停止计数，共有N个计数脉冲，个计数脉冲，则传播时间则传播时间t为为由由得得其中其中 tt计数脉冲周期计数脉冲周期 f f计数脉冲频率计数脉冲频率 H H液位分辨率液位分辨率电磁波速度（即光速）电磁波速度（即光速）m/s，H1.5 mm 计数脉冲频率计数脉冲频率为为而当前集成电路的运算速度为几十而当前集成电路的运算速度为几十MHz，相差，相差几个数量级，几个数量级，必须另寻出路必须另寻出路！7.5.3 等效时间采样法测时等效时间采样法测时 被测信号是周期为被测信号是周期为T的的周期性信号周期性信号，采样周期采样周期为为T+t，每周期只采一个，每周期只采一个瞬时值，瞬时值，等效采样周期等效采样周期为为t。周期性重复的高频信号周期性重复的高频信号均可采用此方法，降低采样频均可采用此方法，降低采样频率。率。原理原理等效时间采样法在时间量检测中的应用等效时间采样法在时间量检测中的应用t（最小分辨时间）为（最小分辨时间）为发射发射与与采样信号采样信号周期差值，又称周期差值，又称等效采样周期，只要满足两信号周期之差为等效采样周期，只要满足两信号周期之差为t10ps。举例：举例：发射时钟发射时钟采样时钟采样时钟相应的，相应的，前已述，分辨前已述，分辨液位，等效采样周期液位，等效采样周期t10ps故，若实测距离故，若实测距离 hD第第n个采样脉冲可测到反射波，求个采样脉冲可测到反射波，求n？若取若取n=4294，则发射接收，则发射接收4294次完成测量，次完成测量，用计数器计数用计数器计数n，即可测出，即可测出tD，进而求出，进而求出hD。需时需时验验 算算n=4293n=4293n=4294n=4294今测得今测得n=23654,n=23654,求求h:h:7.5.4 连续波调频法连续波调频法调频连续波调频连续波接收到的信号接收到的信号频率与发出的频率与发出的信号频率之差信号频率之差时间差时间差液位高度液位高度7.5.4 连续波调频法连续波调频法7.1 浮力式液位测量浮力式液位测量7.2 静压式液位测量静压式液位测量7.3 电容式液位测量电容式液位测量7.4 超声波物位测量超声波物位测量7.5 雷达物位测量雷达物位测量7.6 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量提提 纲纲磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：铁磁材料和亚铁磁材料在铁磁材料和亚铁磁材料在居里点温度以下，于磁场中被磁化时，会居里点温度以下，于磁场中被磁化时，会沿磁化方向发生微量伸长或缩短的现象。沿磁化方向发生微量伸长或缩短的现象。AT100磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计应用原理图应用原理图AT500磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计美国凯泰克美国凯泰克(K-Tek)工作原理：工作原理：磁浮子产生一个轴向磁场，磁浮子产生一个轴向磁场，电流脉冲产生一个脉冲周向磁场，两磁电流脉冲产生一个脉冲周向磁场，两磁场相遇时合成场相遇时合成倾斜磁场倾斜磁场，产生磁致伸缩，产生磁致伸缩效应。波导管效应。波导管内的敏感元件（由特殊磁内的敏感元件（由特殊磁致伸缩材料制成）致伸缩材料制成）出现扭曲变形（机械出现扭曲变形（机械变形振动），应变脉冲的变形振动），应变脉冲的超声波超声波信号向信号向两端传播。两端传播。补充作业：补充作业：1、一台脉冲式雷达液位计，发射脉冲信号周期为、一台脉冲式雷达液位计，发射脉冲信号周期为499990ps,采样脉冲信号周期为采样脉冲信号周期为500000ps,采用等效时采用等效时间采样法进行雷达脉冲回波测量，等效采样周期为多间采样法进行雷达脉冲回波测量，等效采样周期为多少？液位分辨率是多少？今用计数器记得第少？液位分辨率是多少？今用计数器记得第13465个个周期测得液位的反射波，问雷达液位计至液面距离是周期测得液位的反射波，问雷达液位计至液面距离是多少？多少？