1、第11章 界位傳感器及工程應用第第11章章 界位傳感器及工程應用界位傳感器及工程應用11.1 界界位測量概述位測量概述11.2 液位傳感器及工程應用液位傳感器及工程應用11.3 料位傳感器及料位傳感器及工程工程應用應用11.4 物位傳感器及物位傳感器及工程工程應用應用11.5 界位傳感器工程應用案例界位傳感器工程應用案例返回主目錄第11章 界位傳感器及工程應用界位是指兩種不同物質分界面的位置，實現界位測量的傳感器稱作界位傳感器。為了敘述方便，通常人們把液體和氣體的分界面位置稱作液位；把細小顆粒狀或粉末狀固體與氣體的分界面位置稱作料位；把大塊固體與氣體的分界面位置稱作物位。測量界位的傳感器種類較

2、多，按其工作原理可分為下列幾種： 直讀式根據流體的連通性原理來測量液位。 浮力式根據浮子高度或浮力大小隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。11.1 界界位測量概述位測量概述第11章 界位傳感器及工程應用 差壓式根據液位高度變化對某點產生的靜(差)壓力變化原理來測量液位。 電學式根據物位變化與某種電量變化有一一對應關系原理來測量物位。 核輻射式根據核輻射透過物料時，其強度隨厚度變化而變化的原理來測量物位。 聲學式根據物位變化引起聲阻抗和反射距離變化原理來測量物位。 其他形式如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等。本章重點介紹常用的幾種界位傳感器。 第11章 界位傳感器及工程應用11.2 液

3、位傳感器及工程應用液位傳感器及工程應用11.2.1 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器是利用液體浮力來測量液位的。根據測量原理，它可分為恒浮力式和變浮力式兩大類型。1.1.恒浮力式液位傳感器恒浮力式液位傳感器最原始簡單的恒浮力式液位傳感器就是一個浮子。把它置于液體中，它受到浮力的作用就會漂浮在液面上，其液位檢測原理如圖11 1所示。圖圖11 1 浮子式液位檢測原理浮子式液位檢測原理第11章 界位傳感器及工程應用由圖可知，由于浮子由繩索經滑輪與塔外的重錘相連，當液面發生變化時，重錘帶著指針便可移動，其位置便可反映水位的高低。但與直觀印象相反，標尺下端代表水位高，若使指針動作方向與水

4、位變化方向一致，應增加滑輪數目，但引起摩擦阻力增加，誤差也會增大。 若將標尺上的滑動電觸點與報警電路適當相連，可實現超限報警。若將標尺上的滑動電觸點與水塔水箱進水口的電磁閥門執行機構配合，可實現閥門的自動啟停，進行液位的自動控制。若把浮子換成浮球，測量機構從容器內移到容器外，可直接顯示罐內液位的變化。常見的一種外浮球式液位檢測原理如圖11 2所示。第11章 界位傳感器及工程應用這種液位傳感器適合測量溫度較高、粘度較大的液體介質，但量程范圍較窄。如在該液位傳感器的基礎上增加機電信號變換裝置，可實現液位的自動控制。 圖圖11 2 外浮球式液位檢測原理外浮球式液位檢測原理2. 變浮力式液位傳感器變浮

5、力式液位傳感器變浮力式液位傳感器最常見的就是浮筒式傳感器，它是利用變浮力的原理來測量液位的。圖11 3是浮筒式傳感器液位檢測原理圖。它由浮筒、彈簧和差動變壓器組成。第11章 界位傳感器及工程應用設懸掛在彈簧上的空心金屬圓筒(浮筒)橫截面積為A，質量為m，彈簧的下端被固定，當浮筒的重力與彈簧力達到平衡時，則有(11-1)圖圖11 3 浮筒液位檢測原理浮筒液位檢測原理mggAh0Amh 0(11-2)式中，h0為浮筒浸沒在液體的深度； 為浸沒浮筒的液體密度。如果浮筒重力與浮力平衡時，浮筒底面所處的液面高度為H0，以h0+H0作為初始液位（即使彈簧處于原始長度）。第11章 界位傳感器及工程應用假設當

6、液位高度為H，且浮筒受到的浮力和重力與彈簧力平衡時，浮筒上移了x，浸沒在液體中的深度為h。因浮筒上移的距離x即為彈簧的位移，則有(11-3)式中，k為彈簧的彈性系數。由圖11 3可知，被測液位H可表示為kxmggAh0hxgAkAmxgAkh(11-4)000)1 (HhxgAkHxhH由式(11 5)可知，被測液位H與浮筒產生的位移x呈線性關系。(11 5)第11章 界位傳感器及工程應用 以上分析表明，變浮力式液位傳感器實際上是將液位轉化成浮筒的位移。當浮筒移動時，安裝在浮筒連桿上的鐵芯則隨浮筒一起上下移動，通過位移測量電路（即差動變壓器）把位移轉變成與它成正比例關系的電壓輸出。只要把電壓測

7、量出來就得到了被測液位。 浮筒式液位傳感器適應性能好，對粘度較高的介質、高壓介質及溫度較高的敞口或密閉容器的液位等都能測量。對液位電信號可遠距離傳輸和顯示，若與單元組合儀表配套，可實現液位的報警和自動控制。第11章 界位傳感器及工程應用11.2.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 1.1.利用壓力傳感器測量液位原理利用壓力傳感器測量液位原理對于上端與大氣相通的敞口容器，其底部壓力與液位的關系為gpH式中，H為液位高度(m)；為液體的密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；p為容器底部的壓力(Pa)。由式(11 6)可知，只要能把敞口容器底部的壓力測量出來，就可以計算出液位高度H。測量

8、壓力的傳感器很多，利用壓力傳感器測量液位原理如圖11 4所示。當壓力傳感器與容器底部處在同一水平線上時，儀表顯示的數值就是液位H的高度。(11 6)第11章 界位傳感器及工程應用圖圖11 4 壓力傳感器測量液位原理壓力傳感器測量液位原理注：如果壓力傳感器與容器底部不在同一水平線上時，將會產生零點遷移，導致測量誤差。為了測量準確，使用中應注意消除。2. 壓差傳感器測量液位原理壓差傳感器測量液位原理對于上端與大氣隔絕的封閉容器，容器上部空間與大氣壓力一般不相等，不能用上述方法來測量。工業生產中普遍采用壓差傳感器來測量液位，利用壓差傳感器測量液位原理如圖11 5所示。第11章 界位傳感器及工程應用設

9、容器上部空間的壓力為p1，液體的壓力為p2，則差壓傳感器正、負壓室所受到的壓力分別為p+和p-則112pgHppp1pp gHppp圖圖11 5 壓差傳感器測量液位原理壓差傳感器測量液位原理(11 7)正、負壓室的壓差為(11 8)(11 9)由式(11 9)可知，壓差p與被測液位H成正比。只要把壓差測量出來，就可以利用式(11 9)計算出被測液位H。第11章 界位傳感器及工程應用3.3.常用靜壓式液位變送器常用靜壓式液位變送器 液位變送器的特點是輸出電流信號和被測液位呈線性關系，不需要進行壓力和液位的換算。根據安裝方法不同有多種結構形式，其中常見的靜壓式液位變送器有投入式和法蘭式兩種，如圖1

10、1 6所示。(a) 投入式 (b) 法蘭式圖圖11 6 常見液位變送器常見液位變送器第11章 界位傳感器及工程應用11.2.3 應變式液位傳感器應變式液位傳感器1. 應變式液位傳感器結構應變式液位傳感器結構應變式液位傳感器是利用電阻應變片把液位壓力轉變成應變的原理來測量液位的。其結構示意圖如圖11 7(a)所示。它有一根傳壓桿，下端安裝感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。圖圖11 7 應變式液位傳感器結構示意圖及測量電路應變式液位傳感器結構示意圖及測量電路第11章 界位傳感器及工程應用其測量電路結構如圖11 7(b)所示。圖中RL的阻值比較大，其作用是把電壓源U輸出的電流恒定，以減少測量電路的非

11、線性誤差。2. 應變式傳感器測量液位原理應變式傳感器測量液位原理由圖11 7(b)可知，若微壓傳感器在未受壓力時，電橋平衡，U1=U2=0；則當微壓傳感器受到壓力p作用時，兩微壓傳感器串聯后的輸出電壓Uo為gHKKpKpKUUU)(212121ogKKUH)(21o式中，K1，2分別為兩個微壓傳感器對壓力p的傳輸系數；H為被測液位高度；為被測液體的密度；g為重力加速度。(11 10)(11 11) 即第11章 界位傳感器及工程應用式(11 11)表明，容器內液位高度H與電橋輸出電壓Uo呈線性關系，只要把輸出電壓Uo測量出來，就可以計算出容器內液位高度H。11.2.4 電容式液位傳感器電容式液位

12、傳感器1. 電容式液位傳感器的結構電容式液位傳感器的結構電容式液位傳感器實際是一個變介質電容器。它的極板是兩根同心圓柱。將它插入裝有液體的容器內，如圖11 8所示。若容器中液體是非導電的，這時在同心圓柱之間就形成了兩個并聯電容器。根據同心圓柱電容器電容量的計算公式可知，這兩個電容器并聯后總的電容C為)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2212121022102211DDHDDHDDHHDDHC(11 12)第11章 界位傳感器及工程應用由式(11 12)可知，當容器內液位H變化時，兩極板間的電容量 就會發生變化。令圖圖11 8 變介質電容器測量液位原理變介質電容器測量液位原理

13、式中，H0為同心圓柱的高度；D1為外圓柱內直徑；D2為內圓柱外直徑；H為被測液位的高度；1為被測液體的介電常數；2為空氣的介電常數。2. 電容式液位傳感器測量原理電容式液位傳感器測量原理 )/ln()(22121DDA)/ln(221020DDHC(11-13)(11-14)第11章 界位傳感器及工程應用(11-16)AHCCC00CAHC將式(11 14)和(11 13)代入式(11 12)，可得(11-15)由此可見，電容式液位傳感器的電容變化量C與液位高度H成正比例關系。因此，只要通過電容測量電路把變化的電容量測量出來，就可以實現液位的測量。第11章 界位傳感器及工程應用11.3 料位傳

14、感器及工程應用料位傳感器及工程應用11.3.1 電容式料位傳感器電容式料位傳感器1. 電容式料位傳感器的結構電容式料位傳感器的結構電容式料位傳感器與電容式液位傳感器結構相類同，也是一個變介質電容器。所不同的是，它只有一根圓柱形極板(金屬棒)，稱作測定電極。使用時將它安裝在罐的中央，如圖11 9所示。這樣在罐壁和測定電極之間就形成了一個電容器。圖圖11 9 變介質電容器測量料位原理變介質電容器測量料位原理第11章 界位傳感器及工程應用根據同心圓柱形電容器電容C的計算公式可知，測定電極與罐壁組成的電容器電容量C可由下式表示(11-17)式中，1為被測物料的介電常數；2為空氣的介電常數；D1為儲罐的

15、內直徑；D2為測定電極的外直徑；H為被測物料的高度；H0為儲罐深度。2. 電容式料位傳感器測量原理電容式料位傳感器測量原理由式(11 17)可知，該電容量的大小與被測物料在罐內高度H有關。令)/ln()(2)/ln(221212102DDHDDHC)/ln(221020DDHC(11-18)第11章 界位傳感器及工程應用式中，C0為罐內無料時的電容值。當儲罐放入物料后引起電容的變化量為由式(11 20)可見，電容式料位傳感器的電容變化量C與液面高度H成正比。因此，只要把變化的電容量測量出來就可以實現料位的測量。并且介電常數1和2差別越大，直徑D1與D2相差愈小，傳感器靈敏度就愈高。)/ln()

16、(221210DDHCC則(11-19)HDDCCC)/ln()(221210(11-20)第11章 界位傳感器及工程應用在實際應用時，儲存罐并不一定要求是圓柱形的，而電容式料位傳感器也并非一定要安裝在罐的中央，而是應該安裝在罐內料位平穩、能正確反映料位高低的任意位置。此時，物料高度變化引起的電容變化量應修正為式中，K為比例系數，它與罐的形狀、電容式料位傳感器的安裝位置有關；1為被測物料的介電常數；2為空氣的介電常數；H為被測物料的高度。需要注意的是，這種測量方法要求罐壁必須是金屬材料的，而物料必需是不導電的；否則，此傳感器不能使用。HKCCC)(210(11-21)第11章 界位傳感器及工程

17、應用 1 1. .超聲波傳感器測量料位原理超聲波傳感器測量料位原理超聲波傳感器測量料位的工作原理是利用超聲波在傳播過程中遇到兩種介質分界面就反射回波的特性，通過測量超聲波從發射至接收到被測料位界面的回波時間間隔來實現料位檢測的。2. 超聲波料位傳感器結構超聲波料位傳感器結構因為超聲波傳感器有單探頭和雙探頭之分，所以常見的超聲波料位傳感器結構如圖11 10所示。其中圖(a)和(b)是把超聲波探頭安裝在料面的上方，這種安裝、維修方便，但衰減比較嚴重。圖11 10(c)和(d)是把超聲波探頭安裝在料面下方。這種安裝可以大大降低超聲波傳感器的功率，減少成本。11.3.2 超聲波料位傳感器超聲波料位傳感

18、器第11章 界位傳感器及工程應用圖圖11 10 超聲波料位傳感器結構示意圖超聲波料位傳感器結構示意圖第11章 界位傳感器及工程應用對于圖11 10(a)來說，假設超聲波的發射時刻為t0，探頭接收到超聲波的時刻為t1，超聲波從發射到接收經過的路程為2h，則2)(01tth 被測料位的高度H為式中，H0為探頭到容器底面的距離；h為探頭到料面的距離；為超聲波在空氣中的傳播速度；H為料位的高度。(11 22)(11 23)2)(0100ttHhHH第11章 界位傳感器及工程應用對于圖11 10(b)來說，設超聲波從發射到接收經過的路程為2S，則2)(01ttS 料位高度H為2201022002)(at

19、tHaSHhHH(11 24)(11 25)式中，a為兩個探頭之間距離的一半。從式(11 23)和(11 25)可以看出，只要測出超聲波從發射到接收的時間間隔(tl-t0)，便可求出待測料位的高度H。第11章 界位傳感器及工程應用11.4 物位傳感器及工程應用物位傳感器及工程應用11.4.1 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器1. 超聲波測量物位原理超聲波測量物位原理超聲波測量物位原理與測量料位原理相同，首先利用超聲波發射探頭朝著被測物體發出超聲波，超聲波遇到被測物體后就要返回。當接收探頭接收到返回的超聲波時，計算出超聲波從發射到接收所需的時間，根據超聲波在介質中的傳播速度，就可計算出被測物位的

20、距離。其計算公式為2tS(11-26)式中：S為被測距離；為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波的傳播時間。第11章 界位傳感器及工程應用2. 超聲波物位傳感器的結構超聲波物位傳感器的結構由于超聲波探頭有單探頭和雙探頭兩種形式，所以超聲波物位傳感器也有兩種結構（見圖11 11）。其中圖(a)是單探頭結構，圖(b)是雙探頭結構。圖圖11 11 超聲波物位傳感器結構示意圖超聲波物位傳感器結構示意圖第11章 界位傳感器及工程應用11.4.2 超聲波探頭的使用注意事項超聲波探頭的使用注意事項1. 超聲波探頭的補償超聲波探頭的補償由于超聲波的傳播速度通常不是一個常數，而是隨著傳播介質的溫度、壓力及成分等

21、變化而變化。例如在空氣中，0時的傳播速度為331.36 m/s，而在20時則為343.38 m/s。為了測量準確，考慮到環境對超聲波傳播速度的影響，可采用補償措施予以校正，以提高測量精度。超聲波傳播速度的校正方法主要由溫度補償和校正裝置補償兩種。如果超聲波在介質中的傳播速度主要隨溫度變化，而且超聲波速度隨溫度的變化規律已知，則可以在超聲波探頭附近安裝一個溫度傳感器，根據超聲波速度與溫度之間的關系，在測量時進行聲速的自動校正。這就是所謂的溫度補償。第11章 界位傳感器及工程應用若聲速與溫度的關系未知，或者傳播介質成分復雜，就需要校正裝置補償法。所謂校正裝置補償是指在同一測量環境里安裝兩組超聲波探

22、頭，一組用作測量探頭；另一組用作校正探頭。其結構如圖11 12所示。由于S0為已知，只要測出超聲脈沖從校正探頭到反射板的往返時間t0，就可知道超聲波在空氣中的傳播速度，即002tS圖11 12 具有校正裝置的超聲波物位測量系統(11-27)第11章 界位傳感器及工程應用式中，S0為校正探頭到反射板的距離；t0為超聲波從校正探頭到反射板的往返時間；t為超聲波從測量探頭到被測物的往返時間。由式(11 28)可知，只要測出時間t0和t，就可獲得被測物距S，而且還消除了因環境變化引起的誤差。基于超聲波測距的原理，還可以應用到其他地方，比如汽車的防撞、車速的檢測、大門的自動開關、倒車雷達、交通車輛的檢測

23、以及防盜報警等相關領域。因為校正探頭和測量探頭在相同的環境里，則兩者的傳播速度一樣。顯然，從測量探頭到被測物體之間的距離S為(11-28)002ttStS第11章 界位傳感器及工程應用2. 超聲波探頭的使用環境超聲波探頭的使用環境 由于超聲波探頭不能承受高溫、高壓，故超聲波傳感器通常適合于溫度在-40100之間，壓力在0.3Mpa以下的場所，進行液位、料位和物位的測量。 對于密閉容器內料面上方粉塵較多的料位測量，或密閉容器內揮發性液體的液位測量。由于超聲波在粉塵或揮發性氣體中的傳播速度與空氣中不同，應采用圖11 10(c)和(d)所示的結構，否則應采用補償措施對聲速進行修正。 對于灰塵嚴重或密

24、閉容器內有揮發性液體的場合，由于超聲波探頭上會有灰塵聚集或揮發氣體的凝結，影響超聲波的發射和接收。在這些場合最好要求該傳感器具有可變功率控制功能。第11章 界位傳感器及工程應用3. 超聲波探頭的安裝位置超聲波探頭的安裝位置為保證測量的準確，防止干擾，超聲波探頭安裝位置要盡可能選擇液面平穩、料面平整的位置，同時遠離扶梯、進料口、出料口，盡可能與容器壁保持較遠的距離，遠離攪拌器等。第11章 界位傳感器及工程應用11.5 界界位傳感器工程應用案例位傳感器工程應用案例11.5.1 液位測量顯示系統案例液位測量顯示系統案例 實現液位測量的方法很多，可以用壓力傳感器測量，也可以用壓力變送器測量，還可以用液

25、位變送器或超聲波傳感器測量。本案例是選用一個液位變送器和顯示儀表及報警電路來實現的。其系統結構如圖11 13所示。圖圖11 13 液位測量顯示系統液位測量顯示系統第11章 界位傳感器及工程應用設液位變送器的輸出電流為420mA，則該容器內的液位高度與液位變送器輸出電流的關系為4 kHI(11-29)式中，k為液位變送器的比例系數(mA/m)；H為液位高度(m)；I為液位變送器的輸出電流(mA)。由式(11 29)可知，只要能把液位變送器的輸出電流I測量出來，就可以計算出液位的高度H。然后利用顯示儀表就可以把液位的高度顯示出來。假設液位上限對應的電流為I1，下限對應的電流為I2，設計一個超限報警

26、電路，使得當液位變送器輸出電流低于下限電流I2或高于上限電流I1時，使報警電路工作，就可以實現被測液位的超限報警。第11章 界位傳感器及工程應用11.5.2 物位測量顯示系統案例物位測量顯示系統案例目前汽車上普遍安裝的超聲波倒車雷達系統就是物位測量顯示系統的典型應用案例。它可以在倒車時自動監測車后是否有障礙物以及障礙物的遠近，并及時提醒駕駛員注意。為了保證倒車安全可靠，倒車雷達系統通常在汽車的后保險杠上布置34只超聲波探頭。該系統電路種類較多，圖11 14是某小型轎車超聲波倒車雷達系統結構方框圖。它由4只一體式超聲波探頭、4路超聲波發射與接收電路、雙四選一開關、單片機控制電路、LCD顯示電路、

27、溫度補償電路和聲音報警電路等組成。下面簡單介紹各部分電路的結構和功能。第11章 界位傳感器及工程應用圖圖11 14 超聲波倒車雷達系統結構方框圖超聲波倒車雷達系統結構方框圖1. 超聲波探頭超聲波探頭它是該系統的主要部件，型號很多。一般測距在1.52.5m的都能滿足要求。本案例采用了四只EFR40RS一體式探頭。第11章 界位傳感器及工程應用2. 超聲波電壓產生電路超聲波電壓產生電路要想讓超聲波探頭發射超聲波信號，必須給它施加一個與超聲波頻率相同的交變電壓信號。產生超聲波交變電壓信號的電路很多，本案例采用單片機編程來產生超聲波探頭所需的激勵脈沖電壓信號。3. 超聲波發射驅動與接收電路超聲波發射驅

28、動與接收電路超聲波發射驅動電路的作用是對單片機發出的激勵脈沖信號進行功率放大；超聲波接收電路的作用是把超聲波接收探頭轉化出來的回波電壓信號傳送給單片機。超聲波發射驅動與接收電路有多種，本案例采用的超聲波發射驅動與接收電路如圖11 15所示。第11章 界位傳感器及工程應用圖圖11 15 超聲波發射驅動與接收電路超聲波發射驅動與接收電路4. 收發分時控制電路收發分時控制電路由于本案例中設計的發射驅動和接收電路各有4路，為了保證它們有序工作。選用了雙四選一模擬開關CD4052來實現四路信號的分時收發控制。CD4052與超聲波發射驅動/接收電路的連接方式如圖11 16所示。第11章 界位傳感器及工程應用圖圖11 16 CD4052與超聲波發射驅動與超聲波發射驅動/接收電路的連接方式接收電路的連接方式第11章 界位傳感器及工程應