建筑环境测量技术6章.ppt

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1、1,建筑环境测量技术第六章 物位测量,2,6-1 物位检测的主要方法和分类,物位是指容器(开口或密封)中液体介质液面的高低(称为液位)，或固体料位的高低通过物位检测可以确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程物料平衡物位检测对象有液位，也有料位等，物位检测方法很多，以适应各种不同的检测要求,3,1、静压式物位检测根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此可利用差压来检测液位 2、浮力式物位检测恒浮力法：利用浮于液面上浮子随液面变化的位置来检测液位变浮力法：利用部分浸没于液体中物质的浮力随液位变化来检测液位二者均用于液位的检测3、电气

2、式物位检测把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数，如电阻、电容等，随物位的变化而改变这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测,4,4、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,5,二、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

3、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,6,6-2 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,7,二、测量方法,敞口容器：可以直接用压力检测仪表对液位进行检测。

4、这种方法要求液体密度为定值，否则会引起误差,另外，当压力仪表与取压点（零液位）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正,8,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,9,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。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，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与变送器的测量室相通，

5、它们所组成的密闭系统内充以硅油,为使毛细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管,10,三、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）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,11,（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

6、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,12,（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Ph12P0 Ph 2P0 所以：PPPh1 2h 2 式中：B（h一h1）2,13,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B,P,I,20,4,-B,4,负迁移,B,14,III型差压变送器

7、量程迁移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，从而实现量程迁移如果不能实现上述关系，可再进行零点和满度校正调节,15,（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 h1,16,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,C,17,正、

8、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,18,四、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,19,(2)压力变送器低于最低液位安装,p=Hg+h g式中：+h g0 正迁移,20,(3)压力变送器高于最低液位安装,p=Hg h g式中：h g0 负迁移使用中会发生什么问题？,21,2、密闭容器液位测量（直联）,压力变送器与最低液位水平安装 p+=Hg+p0 p=p0 p=p+p=Hg+p0 p0=Hg 无迁移,22,(2)压力变送器低于最

9、低液位安装,p+=Hg+h2 g+p0 p=p0p=p+p=Hg+h2 g+p0 p0=Hg+h2 g+h2 g0 正迁移,23,(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？,24,3、密闭容器液位测量（隔离）,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,25,(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(h

10、1+h2)2g p0=Hg h12g h12g 0 负迁移,26,(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 0 负迁移,27,6-3 浮力式物位检测,恒浮力式检测:通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移变浮力式检测:利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位,28,一、恒浮力式物位检测,类型：恒浮力式物位检测包括浮标式、浮球式和翻板式等各种方法浮球式水位计原理：浮球式水位控制器可作为开口水箱或密闭容器的水

11、位控制仪表。浮球安装在浮筒内，其上端连接有连杆，连杆顶端置有磁钢水位发生变化时，浮球带动磁钢移动到上下限水银开关处，与水银开关上装有的磁钢相作用，使得水银开关动作，从而实现开关量控制,1浮筒；2浮球；3连杆；4非导磁管；5下限水银开关；6磁钢；7上限水银开关；8调整箱组件,29,二、变浮力式物位检测,原理：利用浮筒由于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。横截面积为A，质量为m的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上。弹簧的下端固定，弹簧因浮筒的重力被压缩，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，则有 0式中：C 弹簧的刚度；0 弹簧由于浮筒重力被压缩所产生的位移,变浮力式液位计原理图,30,

12、当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒受到液位对它的浮力作用而向上移动。当它与弹簧力和浮筒的重力平行时，浮筒停止移动。设液位高度为H，浮筒由于向上移动实际漫没在液体中的长度为h，浮筒移动的距离，也就是弹簧的位移改变量为，则Hh根据力平衡可得：hC（o）因为：0 带入上式则：hC一般情况下，被测液位可表示为：,31,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）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

13、变压器使输出电压与位移成正比关系,32,6-4 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：,33,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：,34,特点当圆筒形电容器的几何尺寸、和保持不变，且介电常数也不变时，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

14、成正比关系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,35,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,36,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,37,一般情况下，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性增加，C、K 是常数,38,电容式物位计主要由电极（

15、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,39,6-5 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,40,一、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）超声波可以在气体、液体及固体中传播。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

16、。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：,41,（2）声波在介质中传播时会被吸收而衰减，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。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，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）声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性,42,（4

17、）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，Z222,43,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，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射,44,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波的时间间隔来确定物位

18、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发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为，则有如下简单关系：,45,二、超声波物位计的接收和发射,超声波的接收和发射原理：利用压电效应和逆压电效应制成接收器和发射器。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。换能器的核心：压电片，根据

19、不同的需要，压电片的振动方式有很多，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动。横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中以薄片厚度振动用得最多,46,超声波能量的选择：采用较高能量的超声波，可以增加声波在介质中传播的距离，适用于物位测量范围较大的检测系统；有利于提高检测系统的测量精度。但是，声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。例如，具有较高能量的超声波在液体介质中传播易产生空化效应，大量空化气泡的形成将使超声能量在这空化区域内消耗而不能传到较远处；超声波在介质中传播时被吸收，同时引起介质的温升效应，超声能量越高，温升也越高，易使介质特性发生变化、从

20、而降低测量精度,47,超声脉冲：为了减小上述各种不利的超声效应，同时也为了便于测量超声波的传播时间，在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲。这样既减小了单位时间内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温升效应及节约仪器的能耗，并提高测量精度。超声换能器除了采用压电材料外，还有磁致伸缩材料,48,三、实现方法,根据声波传播的介质不同，超声波物位计可分为固介式、液介式和气介式三种。超声换能器探头可以使用两个，也可以只用一个。前者是一个探头发射超声波，另一个探头用来接收；后者是发射与接收声波均由一个探头进行，只是发射与接收时间相互错开。测量精度：物位检测的精度主要取决于

21、超声脉冲的传播时间t和超声波在介质中的传播速度两个量。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施,49,超声波传播速度的补偿方法,（l）温度补偿如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声换能器附近安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿,50,（2）设置校正具 在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成声速校正用的探头。校正的方法是将校正用的探头固定在校正具（一般是金属圆筒）的一端，校正具的另一端是一块反射

22、板。由于校正探头到反射板的距离L，为已知的固定长度，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间t0，则可得声波在介质中的传播速度为：,将0，则代入式中可得：,只要测出时间 t 和0，就能获得料位的高度H,51,图6-15 应用较正具检测液位原理,根据介质的特性，校正具可以采用固定型的，也可以用活动型。固定型的适用于容器中介质的声速各处相同，活动型的适用于声速沿高度方向变化的介质,52,6-5 射线式物位检测,放射线：放射性同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线。射线是从放射性同位素原子核中放射出来的，它由两个质子和两个中子所组成，带有正电荷，它的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线是电子流，电离本领比

23、射线弱，而穿透能力较射线强。射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短，不带电荷，射线的穿透能力比和射线都强，但电离本领最弱。放射线应用：由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料的厚度及成分、流体密度、流量、，物位等。物位检测是其中一个典型的应用示例,53,一、检测原理,当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为：式中:、0射入介质前和通过介质后的射线强度；介质对射线的吸收系数；H 射线所通过的介质厚度。,介质的吸收能力：一般是固体吸收能力最强，液体其次，气体最

24、弱。当射线源和被测介质一定时，0和都为常数。测出通过介质后的射线强度，便可求出被测介质的厚度H。,为用射线方法检测物位的基本原理图。,54,二、检测系统组成,（1）射线源 在物位检测中常采用穿透能力较强的射线。能产生射线的放射性同位素主要是Co60（钴）和Cs137（铯），它们的半衰期分别为 5.3年和 33年。另外，由Co60产生的射线能量较Cs137大，在介质中平均质量吸收系数小，因此它的穿透能力较Cs137强。需要更换射线源，要妥善处理废弃的射线源，注意安全因素。放射源的强度取决于所使用的放射性同位素的质量。质量越大，所释放的射线强度也越大，这对提高测量精度，提高仪器的反应速度有利，但同

25、时也给防护带来了困难。（2）探测器 射线探测器的作用是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电路。作为射线的检测，常用的探测器是闪烁计数管，此外，还有电离室，正比计数管和盖革一弥勒计数管等。（3）电子线路 将探测器输出的脉冲信号进行处理并转换为统一的标准信号。,55,静压式和浮力式物位计：常用于液位检测。具有结构简单、工作可靠、精度较高等优点。但是，需要在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此不适用于高粘度介质或易燃、易爆等危险性较大的介质的液位检测。电容式物位计：可用于液位和料位的检测。具有检测原理和敏感元件结构简单等特点，缺点是电容量及电容随物位的变化量较小，对电子线路的要求

26、较高，而且电容量易受介质的介电常数变化的影响。超声波物位计：可用于液位和料位的检测。使用范围较广，只要界面的声阻抗不同，液位、粉末、块状的物位均可测量，敏感元件（换能器探头）可以不与被测介质直接接触，实现非接触式测量，但是，由于探头本身不能承受过高的温度，声速又与介质的温度等有关，并且有些介质对声波吸收能力很强，因而超声波物位计的应用受到一定限制，此外电路比较复杂，价格较高。,56,射线式物位计：可用于液位和料位的检测。可实现完全的非接触测量，特别适用于低温、高温、高压容器的高粘度、高腐蚀性、易燃、易爆等特殊测量对象（介质）的物位检测，而且射线源产生的射线强度不受温度、压力的影响，测量值比较稳定，但由于射线对人体有较大的危害作用，使用不当会产生不安全事故，因而在选用上必须慎重。物位检测方法还有重锤式、振动式、微波式、激光式等。物位检测在不少场合下，只要求知道物位是否已到某个规定的高度，这种检测叫定点检测。能用于定点物位检测的有浮球式液位计、电学式（电阻、电容、电感）物位计、超声波物位计、射线式物位计、激光物位计、微波物位计和振动式（音叉）物位计等。,57,液位计介绍,差压式液位计 浮筒式液位计,58,液位计介绍,投入式液位计安装,59,液位计介绍,雷达式液位计,60,习题：,1、2、4,