第11章 物位检测技术（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

第十一章 物位检测技术 概述 物位检测包括液位、料位和相界面位置的检测。它一般是以容器口为起点，测量物料相对起点的位置。液位指液体表面位置，液面一般是水平的，但在有些情况下可能有沸腾或起泡。料位指容器中固体粉料或颗粒的堆积高度的表面位置，一般固体物料在自然堆积时料面是不平的。相界面指同一容器中互不相溶的两种物质在静止或扰动不大时的分界面，包括液—液相界面、液—固相界面等，相界面检测的难点在于界面分界不明显或存在混浊段。 11.1 液位检测 11.2 物位检测 11.3 相界面的检测 11.4 物位仪表分类与选用 11.1 液位检测方法 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。 11.1.1 力学法检测液位 11.1.2 电学与电磁法检测液位 11.1.3 声学与光学法检测液位 11.1.4 其它液位检测技术 11.1 液位检测方法 由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系： 11.1.1力学法检测液位 1. 压力法检测液位 压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。 式中， ——被测液体的密度( )。 用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计如图11-1 1.压力法检测液位 2.浮力法检测液位 11.1.1力学法检测液位 浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。 浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。 （1）钢带浮子式液位计 图11-2为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。 2.浮力法检测液位 (1)钢带浮子式液位计 平衡时，浮子重量与钢带拉力之差W与浮力相平衡： 当液位变化 时，浮子浸入深度 应保持不变才能使测量准确，但由于摩擦等因素，浮子不会马上跟随动作，它的浸入深度的变化量为 ，所受浮力变化量: 克服了摩擦力 fr后浮子才会开始动作，这就是仪表不灵敏区的产生原因。 由此可见 灵敏度与浮子直径有关，适当增大浮子直径，会使相同摩擦情况下浮子的浸入深度变化量减小，灵敏度提高，从而提高测量精度 (1)钢带浮子式液位计 可知 （2）浮筒式液位计 浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。图11-3为浮筒式液位计原理图 2.浮力法检测液位 图11-3所示的液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即 当液位发生变化时有 两式相减得 （2）浮筒式液位计 由此可见 液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。 钢带浮子式液位计实物图 浮筒式液位计实物图 2.浮力法检测液位 11.1.2 电学与电磁法检测液位 1．电学法检测液位 电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。 （1）电阻式液位计 电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。 图11-4为用于连续测量的电阻式液位计原理图 1.电学法检测液位 整个传感器电阻为 该传感器的材料、结构与尺寸确定后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位高度成正比。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。 （1）电阻式液位计 优点 缺点 结构和线路简单，测量准确，通过在与测量臂相邻的桥臂中串接温度补偿电阻可以消除温度变化对测量的影响。 如极棒表面生锈、极化等，另外，介质腐蚀性将会影响电阻棒的电阻大小，这些都会使测量精度受到影响。 （2）电感式液位计 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。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。 图11-5为电感式液位控制器的原理图 电感式液位计由于浮子与介质接触