建筑环境测量技术6章讲课稿.ppt
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1、建筑环境测量技术6章24、声学式物位检测利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。液位和料位的检测都可以用此方法5、射线式物位检测放射性同位素所放出的射线(如射线、射线等)穿过被测介质(液体或固体颗粒)因被其吸收而减弱,吸收程度与物位有关6、除此之外还有微波法、光学法、重锤法等3二、物位检测的基本原理 1、基于力学原理敏感元件所受到的力(压力)的大小与物位成正比,它包括静压式、浮力式和重锤式物位检测等2、基于相对变化原理当物位变化时,物位与容器底部或顶部的距离发生改变,通过测量距离的相对变化可获得物位的信息。这种检测原理包括声学法、微波法和光学法等3、基于物理量变化原
2、理某强度性物理量随物位的升高而增加原理例如对射线的吸收强度,电容器的电容量等 46-2 静压式物位检测 一、检测原理液位高度变化时,由液柱产生的静压也随之变化,如图A代表实际液面,B代表零液位,H为液柱高度,根据流体静力学原理可知,A、B两点的压力差为PP P 式中:P容器中B点的静压;P液面上方气相的压力。当被测对象为敞口容器,则P 为大气压,上式变为PP P0 式中:P B点的表压力5二、测量方法 l敞口容器:可以直接用压力检测仪表对液位进行检测。这种方法要求液体密度为定值要求液体密度为定值要求液体密度为定值要求液体密度为定值,否则会引起误差 另外,当压力仪当压力仪表与取压点(零液位)表与
3、取压点(零液位)不在同一水平位置时不在同一水平位置时,应对其位置高差而引起的固定压力进行修固定压力进行修正正6l密闭容器: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力有关。可以用测量差压的方法测量差压的方法来获得液位来获得液位注意:差压检测法的差压指示值除了与液位高度有关外,还受液体密度和差压仪表的安装位置有关对于安装位置引起的指示偏差可采用“量程迁移”来解决 7l特殊介质:具有腐蚀性、含有结晶颗粒、粘度大、易凝固的液体介质,应用法兰式压力(差压)变送器法兰式压力(差压)变送器法兰式压力(差压)变送器法兰式压力(差压)变送器。敏感元件为金属膜盒,它直接与被测介质接触,省去引压导管
4、,从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经膜盒经膜盒经膜盒经毛细管与变送器的测量室相通,它们所组成的密闭系毛细管与变送器的测量室相通,它们所组成的密闭系毛细管与变送器的测量室相通,它们所组成的密闭系毛细管与变送器的测量室相通,它们所组成的密闭系统内充以硅油统内充以硅油统内充以硅油统内充以硅油 为使毛细管经久耐用,其外部均套有金属蛇皮保护管8三、量程迁移 量程迁移:当取压口与差压检测仪表的入口不在同一水平高度时,要进行量程迁移。即:对压力(差压)对压力(差压)对压力(差压)对压力(差压)变送器进行零点调整变送器进行零点调整变送器进行零点调整变送器进行零点调整,使它在只受附加静压差时输出为“零”计算校
5、正:采用法兰式差压变送器时。由于从膜盒至变送器的毛细管中充以硅油,无论差压变送器安装在什么高度,一般均会产生附加静压。在这种情况下,可通过计算进行校正量程迁移有无迁移、负迁移和正迁移三种情况9(1)无迁移 如图(a)所示,正压室与零液位等高;连接负压室与容器上部取压点的引压管中充满与容器液位上方相同的气体,气体密度相对于液体小得多,则取压点与负压室之间的静压差很小,可以忽略设差压变送器正、负压室所受到的压力分别为P和P,则有 PP0;PP0 PPP 10(2)负迁移 如图(b),差压变送器正、负压室与取压点之间装有隔离罐的。设隔离液密度为2,这时差压变送器正、负压室所受到的压力分别为Ph12P
6、0 Ph 2P0 所以:PPPh1 2h 2 式中:B(h一h1)211由上式可见,当H0时,P,差压变送器受到一个附加的差压作用,使差变的输出 I4mA为使 H0 时,差变输出 I4mA,就要设法消去B的作用,这称为量程迁移要迁移的量为负值,因此称负迁移,负迁移量为BPI204-B 4负迁移B12lIII型差压变送器量程迁移l调节变送器上的迁移弹簧,使变送器在 H 0,P时,输出电流 I 4mA;当H Hmax,PHmax时,输出电流I20mA,从而实现量程迁移l如果不能实现上述关系,可再进行零点和满度校正调节13(3)正迁移 变送器和零液位不在同一水平面上,如图(C)。设连接负压室与容器上
7、部取压点的引压管中充满气体,并忽略气体产生的静压力,则差压变送器正、负所受压力为 Ph1P0;PP0 所以PPPh1 h114由上式可见,当H0时,PC,差压变送器受到一个附加正差压作用,使差变的输出 I4mA。为使 H0时,I4mA,就需设法消去 C 的作用。由于 C0,故需要正迁移,迁移量为 C C15正、负迁移通过迁移弹簧同时改变变送器的零点和满度即改变量程的上、下限,而不改变量程的大小订货是要特殊标注零点、满度调整分别调整量程的上、下限即改变关系曲线的斜率16四、测量分析1、敞口容器液位测量(1)压力变送器与最低液位水平安装p=Hg 无迁移17(2)压力变送器低于最低液位安装p=Hg+
8、h g式中:+h g0 正迁移18(3)压力变送器高于最低液位安装p=Hg h g式中:h g0 正迁移21(3)压力变送器高于最低液位安装 p+=Hg h2 g+p0 p=p0p=p+p=Hg h2 g+p0 p0 =Hg h2 g h2 g0 负迁移问题?223、密闭容器液位测量(隔离)(1)压力变送器与最低液位水平安装 p+=H1g+p0 p=h12g+p0p=p+p =Hg+p0 h12g p0 =Hg h12g h12g 0 负迁移23(2)压力变送器低于最低液位安装 p+=H1g+h22g+p0 p=(h1+h2)2g+p0p=p+p =H1g+h22g+p0 (h1+h2)2g
9、p0 =Hg h12g h12g 0 负迁移24(3)压力变送器高于最低液位安装 p+=H1g h22g+p0 p=(h1 h2)2g+p0p=p+p =H1g h22g+p0 (h1 h2)2g p0 =Hg h12g h12g ,被测液位可表示为:29上式表明,当液位变化时,使浮筒产生位移,其位移量与液位高度H成正比关系。因此变浮力物位检测方法实质上就是将液位转换成敏感元件(在这里为浮筒)将液位转换成敏感元件(在这里为浮筒)将液位转换成敏感元件(在这里为浮筒)将液位转换成敏感元件(在这里为浮筒)的位移的位移的位移的位移应用信号变换技术可进一步将位移转换成电信号,配上显示仪表在现场或控制室进
10、行液位指示或控制在浮筒的连杆上安装一铁芯,可随浮筒一起上下移动,通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系306-4 电气式物位检测 检测方法: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、电容式和电感式等电容式检测原理:电容式物位检测是基于圆筒电容器原理结构见下页图。由两个长度为L,半径分别为R和r的圆筒形金属导体组成。当两圆筒间充以介电常数为1的气体时,则由该圆筒组成的电容器的电容量为:31如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为2的液体所浸没,设被浸没的电极长度为H,此时的电容量为:经整理后可得:32l特点l当圆筒形电容器的几何尺寸、和保持不变,且介电常数也
11、不变时,电容器电容增量C与电极被介电常数为的介质所浸设的高度H成正比关系l两种介质的介电常数的差值()越大,则C也越大,说明相对灵敏度越高l圆筒形电容器既可用于非导电液体的液位检测,也可用于固体颗粒的料位检测 33导电液体的液位检测:导电液体的液位检测,电极要用绝缘物覆盖并作为中间介质,而液体和外圆筒一起作为外电极构成的等效电容C为34电容 C11、C12和 C2分别为 式中:1、3分别为被测液位上方气体和覆盖电极用绝 缘物的介电常数i 容器的内半径 35一般情况下,3 1,并且i,因此有C12 C11,则等效电容C可写为:上式的第2项远比第3项小得多,可忽略不计,故有 电容量随液位的升高而线
12、性增电容量随液位的升高而线性增电容量随液位的升高而线性增电容量随液位的升高而线性增加加加加,C、K 是常数36电容式物位计主要由电极(敏感元件)和电容检测电路组成电容的变化量较小,因此准确检测电容量是物位检测的关键目前在物位检测中,常见的电容检测方法主要有交流电桥法、充放电法和谐振电路法等 376-5 声学式物位检测 声波振动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉,称为闻声波更低频率的机械波称为次声波20kHZ以上频率的机械波称为超声波物位检测,一般应用超声波 38一、超声波检测原理 超声学:是一门学科,已有几十年历史,其应用范围很 广泛,超声波可用于物位检测性质:(1)超超超超声声声声波波波
13、波可可可可以以以以在在在在气气气气体体体体、液液液液体体体体及及及及固固固固体体体体中中中中传传传传播播播播。并有各自的传播速度。例如在常温下空气中的声速约为334ms,在水中的声速约为1440ms,而在钢铁中约为5000ms。声速不仅与介质有关,而且还与介质所处的状态(如温度)有关。例如理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比,对于空气来说影响声速的主要因素是温度,并可用下式计算声速的近似值:39(2)声声声声波波波波在在在在介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时会会会会被被被被吸吸吸吸收收收收而而而而衰衰衰衰减减减减,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,因此
14、对与一给定强度的声波,在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另另另另外外外外声声声声波波波波在在在在介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时衰衰衰衰减减减减的的的的程程程程度度度度还还还还与与与与声声声声波波波波的的的的频频频频率率率率有有有有关关关关,频率越高,声波的衰减也越大,因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显(3)声声声声波波波波传传传传播播播播时时时时的的的的方方方方向向向向性性性性随随随随声声声声波波波波的的的的频频频频率率率率的的的的升升升升高高高高而而而而变变变变强强强强,发射的声束也越尖锐,超超超超声声声声波波波波可可可可近近近近似似似似为为为为直
15、直直直线线线线传传传传播播播播,具有很好的方向性40(4)当声波从一种介质向另一种介质传播时,因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同,在分分分分界面上声波会产生反射和折射界面上声波会产生反射和折射界面上声波会产生反射和折射界面上声波会产生反射和折射,其反射系数R为:式中:、0反射和入射声波的声强 、声波的入射角和反射角 Z1、Z2两种介质的声阻抗 Z111,Z22241在声波垂直入射时,a0,则0,其反射系数变为设想声波从水传播到空气,在常温下它们的声阻抗约为Z1.44106,Z24102,代入(6-19)式则得R0.999。这说明当声波从液体或固体传播到气体,或相反的情况下,由于两
16、种介质的声阻抗相差悬殊,两种介质的声阻抗相差悬殊,两种介质的声阻抗相差悬殊,两种介质的声阻抗相差悬殊,声波几乎全部被反射声波几乎全部被反射声波几乎全部被反射声波几乎全部被反射 42声学式物位检测:通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回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位的高低波的时间间隔来确定物位的高低波的时间间隔来确定物位的高低波的时间间隔来确定物位的高低超声波发射器被置于容器底部,当它向液面发射短促的脉冲时,在液面处产生反射,回波被超声接收器接收若超声
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