自动检测技术_7物位测量

第七章物位测量郑丹丹[e-mail]7.1浮力式液位测量7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲7.1.1测量原理GFW（1）恒浮力法液位测量W：浮子重力；F：浮子所受浮力；G：平衡物重力。24DFHg由于仪表各部分具有摩擦，所以只有在浮力达到一定数值，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。7.1.1测量原理（1）恒浮力法液位测量F'F'24HFDg'HF表示不灵敏区7.1.1测量原理（1）恒浮力法液位测量凯泰克KM26磁耦合液位计应用原理图凯泰克KC99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（1）恒浮力法液位测量磁浮子式液位计——磁翻板NS小磁针罐外红色白色10ｍｍ水平轴轻、薄NNNNS径向充磁磁浮子式液位计——磁浮子舌簧管液位变送器干簧管铁片7.1.1测量原理（1）恒浮力法液位测量gAHWcx初态：gxHHAWxxc)()(末态：7.1.1测量原理(2)变浮力法液位测量——浮筒液位计上两式相减：xgAcHgAxHxc1)(目的：测出较小的Δx，得到较大的液位变化ΔHc——弹性刚度系数，N/m；x——弹簧拉伸位移，m；A——浮筒的截面积，m2；H——浮筒被液体浸没的高度,m，ρ——被测液体的密度，kg/m3;g——重力加速度，m/s2。其中：液位变化力的变化机械位移位移传感器电信号gAHWcx初态：gxHHAWxxc)()(末态：7.1.1测量原理(2)变浮力法液位测量——浮筒液位计7.1.1测量原理(2)变浮力法液位测量——浮筒液位计液位变化扭力矩变化扭转角变化角位移传感器电信号7.1浮力式液位测量7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲根据流体静力学原理：通过测得容器内液柱高度产生的静压实现液位测量。7.2.1测量原理BApppHg7.2.2压力式液位计（1）测压仪表测量注意：①测压基准点与最低液位一致②（a）适合粘度较小、洁净液体的液位测量。敞口容器隔离罐压力表HHgHpp0gHpB（a）（b）零点迁移：液面高度为零时，即便受附加静压差，输出仍为“零”。三种情况:无迁移、负迁移和正迁移（a）无迁移。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通，并保证正压室与零液位等高。差压变送器作用是将输入差压4~20mA：Ｈ=0ΔP=0I＝4mA;Ｈ=ＨmaxΔP=ΔPmaxＩ＝20mA(1)零点迁移问题P＋＝P０＋Ｈρ１gΔｐ＝ｐ＋－ｐ－＝Ｈρ１gP-＝P０7.2.3差压式液位计（b）负迁移ｐ＋＝ｈ１ρ２ｇ＋Ｈρ１ｇ＋ｐ０ｐ－＝ｈ２ρ２ｇ＋ｐ０Δｐ＝ｐ＋－ｐ－＝Ｈρ1ｇ＋ｈ1ρ2ｇ－ｈ2ρ2ｇ＝Ｈρ1ｇ－ＢＢ＝(h2-h1)ρ2g07.2.3差压式液位计(1)零点迁移问题当Ｈ＝０时△P＝－Β＜０Ｉ＜4ｍＡ调节变送器上的迁移机构，实现△P＝－ＢＩ＝4ｍＡH=0当Ｈ＝Ｈmax时△P＝Ｈmaxρ1ｇ－ＢＩ＝20ｍＡ说明:调整的压差Δｐ是作用于负压室且附加静压0负迁移！（b）负迁移7.2.3差压式液位计(1)零点迁移问题Ｂ＝(h2-h1)ρg△P=Hρ1g－ＢΔｐ＝Ｈρ1ｇ＋Ｃ当Ｈ=０时ΔP=C０Ｉ４ｍＡ调节迁移机构:①当ΔP=C时Ｉ=４ｍＡＨ=0。②当Ｈ=Ｈmax时ΔP=Ｈmaxρ1ｇ+CI=20mA说明:调整的压差Δｐ是作用于正压室且附加静压0正迁移！（c）正迁移Ｃ=hρ1g7.2.3差压式液位计(1)零点迁移问题求解界位密闭容器-+ρHmH0H差压变送器ρ0p0pgHHgHHm00)()(gpgHHHm)()(0007.2.3差压式液位计注：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7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲当液位高度为0时，传感器电容量C0为dDLC0'00ln2当液位高度为H时，传感器电容量CH为7.3.1导电液体的液位测量dDHdDHdDHCln2ln2ln20'02lndDCHD0D，且ε＞ε0′液位由0增加到H，传感器电容变化量△C为：dDLC0'00ln2补充：射频导纳液位计(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程，得（射频导纳定理）：ggCR11ggZRjC射频导纳液位计挂料的等效阻抗为：),....2,1(24nkkt当：进行测量。射频导纳液位计ggCR17.1浮力式液位测量7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲凯泰克（K-Tek）超声波液位/料位计7.4.1测量原理声波遇到两相界面时会发生反射单探头气介式气介声速高出最高液位（1）基本测量方法7.4.2测量方法测量盲区约1m（２）设置声速校正具方法声波在介质中的传播速度与介质的密度有关，而密度是温度和压力的函数v——ρ——（P,T）eg.空气V0℃=331m/s；V100℃=387m/s7.4.2测量方法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00tthhvth002vth2tt0hh07.1浮力式液位测量7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲7.5.1测量原理发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位计。电磁波，波速与空气温度、湿度等无关。HH导波管vtH21雷达液位计导波雷达液位计德国E+HFMR230雷达液位计用于液体、颗粒及浆料物位的连续非接触测量。测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽的影响；喇叭式天线，频率6GHz；量程20m，精度±3mm；两线制，HART协议；西门子SITRANSLR400雷达液位计适于测量高粉尘固体物料和低介电常数液体物位。连续波调频工作方式；工作频率24GHz；量程50m，精度±60mm；两线制，HART协议；现场本安型的红外手持编程器对仪表进行编程。德国科隆(KROHNE)BM70P雷达液位计液体和液化气的液位测量。工作频率8.9－9.9GHz；量程35m；精度:1~10m时，±1mm10m时，±0.01%示值误差具有改进信噪比的微波窗，高灵敏性，动态响应达140dB。7.5.2计数法测时t发射脉冲接收脉冲计数时钟N个若计数时钟频率为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接收脉冲瞬间停止计数，共有N个计数脉冲，则传播时间t为fNtvtH21vtH21由得fvtvH22其中Δt－计数脉冲周期f－计数脉冲频率ΔH－液位分辨率电磁波速度（即光速）m/s，ΔH＝1.5mm计数脉冲频率为8103vGHzHzf1001011psst101011而当前集成电路的运算速度为几十MHz，相差几个数量级，必须另寻出路！7.5.3等效时间采样法测时被测信号是周期为T的周期性信号，采样周期为T+Δt，每周期只采一个瞬时值，等效采样周期为Δt。周期性重复的高频信号均可采用此方法，降低采样频率。原理等效时间采样法在时间量检测中的应用Δt（最小分辨时间）为发射与采样信号周期差值，又称等效采样周期，只要满足两信号周期之差为Δt10ps。Δt2Δt3Δt6Δt5Δt4ΔtTttttDT+ΔttΔt6Δt5Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形tDtDtDtDtDtD举例：发射时钟628.000000810fMHzHz2125000Tps采样时钟618.0001568.00015610fMHzHz相应的，1124997.6Tps0212.4tTTps前已述，分辨ΔH=1.5mm液位，等效采样周期Δt10ps故，若实测距离hD＝6.182m第n个采样脉冲可测到反射波，求n？pstt6.940pst6.9mhD182.6psvhtDD3.41213103182.6228tntD05.42936.93.41213ttnD若取n=4294，则发射接收4294次完成测量，用计数器计数n，即可测出tD，进而求出hD。Δt2Δt4294Δt4293Δt4292Δt4T1ttttD4T1+ΔttΔt4294Δt4293Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形f1=8.000156MHzf2=8.000000MHzΔt=9.6ps真实值4293.05Δtmspst16.242944125000需时2125000Tps1124997.6Tps验算n=4293n=4294mvth9118.6106.942931032121128mvth4318.6106.942941032121128今测得n=23654,求h:mvth062.34106.92365410321211287.5.4连续波调频法Δt2Δt3Δt6Δt5Δt4ΔtTttttDT+ΔttΔt6Δt5Δt0000发射脉冲回波接收采样信号重组波形调频连续波接收到的信号频率与发出的信号频率之差stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当Rvth21kftdRtfrf时间差RtdfdsSdRfBvTTBfvtvh422121液位高度stssTBkktkffTtT221210：调制斜率时当7.5.4连续波调频法ftfrf7.1浮力式液位测量7.2静压式液位测量7.3电容式液位测量7.4超声波物位测量7.5雷达物位测量7.6磁致伸缩液位测量提纲磁致伸缩效应：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磁致伸缩液位计应用原理图AT500磁致伸缩液位计美国凯泰克(K-Tek)工作原理：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，两磁场相遇时合成倾斜磁场，产生磁致伸缩效应。波导管内的敏感元件（由特殊磁致伸缩材料制成）出现扭曲变形（机械变形振动），应变脉冲的超声波信号向两端传播。补充作业：1、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500000ps,采用等效时间采样法进行雷达脉冲回波测量，等效采样周期为多少？液位分辨率是多少？今用计数器记得第13465个周期测得液位的反射波，问雷达液位计至液面距离是多少？