項(xiàng)目四測量液位高度2生活中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)【項(xiàng)目思維導(dǎo)圖】【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】【知識目標(biāo)】1．能理解液位基本概念，掌握液位檢測的分類；2.能理解差壓式傳感器工作原理；3.能理解浮力式液位傳感器工作原理；4.能理解電氣式傳感器分類和工作原理；5．能理解超聲波的應(yīng)用、超聲波傳感器的分類與基本結(jié)構(gòu)；6．能掌握超聲波傳感器的測量方法?！炯寄苣繕?biāo)】1．會選擇液位傳感器類型進(jìn)行液位測量；2．會安裝和使用投入式液位傳感器；3.會選擇超聲波傳感器類型；4.會安裝和使用防腐超聲波液位計(jì)?！舅仞B(yǎng)目標(biāo)】1.通過激勵學(xué)生奮斗的青春最美麗，培養(yǎng)學(xué)生正能量、積極拼搏奮斗精神；2.通過超聲波傳感器學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)揚(yáng)胡楊精神，自立自強(qiáng)發(fā)展創(chuàng)新，敢于突破勇于創(chuàng)新的精神。任務(wù)4.1液位傳感器測量液位高度在油氣儲運(yùn)過程中，精確測定儲油大罐中的液位高度，是正確計(jì)算儲油量、確定庫存、計(jì)算輸量的重要措施。在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲與處理，物位的測量與控制，對于保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至關(guān)重要的，否則會產(chǎn)生重大的事故。例如油罐液位測量控制不好，會出現(xiàn)抽空或溢油“冒頂”事故；油氣分離器液位偏高或偏低會出現(xiàn)“跑油”、“竄氣”事故，嚴(yán)重影響后序設(shè)備的生產(chǎn)和安全。液位測量是利用液位傳感器將非電量的液位參數(shù)轉(zhuǎn)換為便于測量的電量信號，通過電信號的計(jì)算和處理，可以確定液位的高低。在工程應(yīng)用方面，液位測量包括對液位、液位差、界面的連續(xù)監(jiān)測、定點(diǎn)信號報(bào)警、控制等。任務(wù)描述任務(wù)描述：例如，火力電廠鍋爐汽泡水位的測量和控制；低溫領(lǐng)域如液氦、液氫等液體在各種低溫容器或儲槽中液面位置的監(jiān)測和報(bào)警等，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，對液位的監(jiān)視和控制是極其重要。測定液位的目的有兩種，一種是液體貯藏量的管理，另一種是為了安全方面的管理或自動化的需要。前一種要求精度高，后一種要求可靠性高。有時液位的測定只要求提供從某液位開始是升了或是降了的信息就足夠了，把這種用途的液位傳感器叫作液位開關(guān)。大部分液位的測定是罐內(nèi)自由液位的測定，但也有把兩種互相不混合液體邊界面，液體中的沉淀物的高度，以及粉狀物體的堆積高度等作為液面的測定對象。汽車油箱的油量多少直接關(guān)系可持續(xù)行車的里程，是駕駛員需要知道的重要參數(shù)。我們可以從汽車的儀表盤的油量指示表讀出油箱油量，那么油量是如何測量的呢？這時用到液位傳感器，那么液位傳感器工作原理是什么？其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)如何？這就是我們節(jié)課的任務(wù)。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度一、物位基本概念物位——指容器中的液體介質(zhì)的液位、固體的料位或顆粒物的料位和兩種不同液體介質(zhì)分界面的總稱。液位——容器中的液體介質(zhì)的高低。在這里我們重點(diǎn)研究液位。料位——容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度。界位——兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度二、物位檢測常用方法1.按測量方式可以分為連續(xù)測量和定點(diǎn)測量。2.按其工作原理可分為下列幾種類型：（1）直讀式：它根據(jù)流體的連通性原理來測量液位，如圖4-1（a）玻璃管液位計(jì)（2）浮力式：它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。（3）差壓式（靜壓式）：它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位，如圖4-1（b）法蘭式差壓變送器（4）電氣式：它根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度（5）核輻射式：它根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。（6）聲學(xué)式：它根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來測量物位在液位檢測中，差壓式和浮力式檢測方法是最常用的，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度較高等。缺點(diǎn)：不適用于高粘度介質(zhì)或易燃、易爆等危險(xiǎn)性較大的介質(zhì)的液位檢測。

圖4-1（a）玻璃管液位計(jì)（b）法蘭式差壓變送器知識鏈接：液位傳感器測量液位高度三、幾種常見液位傳感器1.差壓式液位傳感器壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系：

對于密閉容器中的液位測量，可用差壓法進(jìn)行測量，它可在測量過程中消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響，如圖4-2所示差壓式液位計(jì)測量原理。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度圖4-2差壓式液位計(jì)測量原理圖4-3法蘭式液位傳感器示意圖為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度敏感元件為金屬膜盒，它直接與被測介質(zhì)接觸，省去引壓導(dǎo)管，從而克服導(dǎo)管的腐蝕和阻塞問題。膜盒經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測量室相通，它們所組成的密閉系統(tǒng)內(nèi)充以硅油，作為傳壓介質(zhì)，示意圖如圖4-3所示,1-容器；2-差壓計(jì)；3-液位零面；4-法蘭；5-毛細(xì)管。為了毛細(xì)管經(jīng)久耐用，其外部均套有金屬蛇皮保護(hù)管。外形結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。圖4-4法蘭式差壓液位傳感器知識鏈接：液位傳感器測量液位高度2.浮力式液位傳感器浮力式液位檢測分為恒浮力式檢測與變浮力式檢測。恒浮力式檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液面上的浮子（也稱浮標(biāo)）隨液面變化而產(chǎn)生的位移。變浮力式檢測是利用沉浸在被測液體中的浮筒（也稱沉筒）所受的浮力與液面位置的關(guān)系檢測液位。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度（1）浮球液位傳感器電動浮球液位變送器的測量部分由浮球與平衡桿和平衡錘組成力矩平衡機(jī)構(gòu)，因此浮球可以自由地隨液位的變化而升降。當(dāng)液位改變時，浮球的位置發(fā)生相應(yīng)的變化，通過球桿帶動主軸轉(zhuǎn)動，表頭內(nèi)角位移傳感器與主軸通過齒輪嚙合，將液位的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。外形如圖4-5所示。

圖4-5電動浮球液位變送器圖4-6磁性浮子液位傳感器知識鏈接：液位傳感器測量液位高度（2）磁性浮子液位傳感器磁性浮子、浮球式液位傳感器主要由本體部分、就地指示器、遠(yuǎn)傳變送器以及上、下限液位報(bào)警器等幾部分組成。磁性浮子式液位計(jì)通過與工藝容器相連的筒體內(nèi)浮子隨液面（或界面）的上下移動，由浮子內(nèi)的磁鋼利用磁耦合原理驅(qū)動磁性翻板指示器，用紅藍(lán)兩色（液紅氣藍(lán)）明顯直觀地指示出工藝容器內(nèi)的液位或界位，如圖4-6所示。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度（3）浮筒式液位傳感器浮筒式液位傳感器屬于變浮力液位傳感器，當(dāng)被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量，如圖4-7中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器。圖4-7浮筒式液位傳感器原理圖和實(shí)物圖4-8電阻式液位計(jì)原理圖知識鏈接：液位傳感器測量液位高度3.電氣式液位傳感器電氣式液位傳感器按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。用電學(xué)法測量無摩擦件和可動部件，信號轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號，與電動單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動檢測和自動控制。（1）電阻式液位計(jì)電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測量。所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。該液位計(jì)的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。圖4-8為用于連續(xù)測量的電阻式液位計(jì)原理圖，1-電阻棒；2-絕緣套；3-測量電橋。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度（2）電容式液位傳感器電容式液位傳感器利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量。電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等等。電容式傳感器是把被測非電量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、零漂小、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但它具有分布電容影響嚴(yán)重的缺點(diǎn)。它的適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運(yùn)動的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。電容式傳感器的工作原理：在物理學(xué)中我們可以知道，彼此絕緣而又相距很近的兩個極板（導(dǎo)體）可組成一個電容式傳感器，如圖4-9所示。其電容量為==

（4-1）知識鏈接：液位傳感器測量液位高度=

式中S——兩極板正對面積；δ——極板間距離；ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)，ε0=8.85xl0-12，F(xiàn)/m；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)，εr=ε/ε0，對于空氣介質(zhì)εr

=1。

圖4-9平行板電容器由式（4-1）可得，當(dāng)被測量變化使式中參數(shù)S、δ、εr中的任一參數(shù)發(fā)生變化時，電容C就發(fā)生變化，可以將該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用電容量c的變化來進(jìn)行某些物理量的測量。如改變極距δ和面積S可以反映位移或角度的變化，從而可以用于間接測量壓力、彈力等的變化：改變εr則可以反映厚度、溫度的變化。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度電容式傳感器通?？梢苑譃橐韵?類：變面積型—改變極板面積；變極距型—改變極板距離；變介質(zhì)型—改變介質(zhì)的介電常數(shù)，如圖4—10所示。

變極距δ型：（a）（e）；變介電常數(shù)ε型：（i）～（l）變面積型A型：（b）（c）（d）（f）（g）（h）圖4-10各種電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖知識鏈接：液位傳感器測量液位高度電容式液位傳感器的應(yīng)用：油箱油量檢測系統(tǒng)如圖4-11所示。它由電容式液位傳感器、電阻一電容電橋、放大器、兩相電機(jī)、減速器及顯示裝置等組成。電容式液位傳感器作為電橋的一個臂，C0為標(biāo)準(zhǔn)電容器，R1.R2，為標(biāo)準(zhǔn)電阻，RP為調(diào)整電橋平衡的電位器，它的轉(zhuǎn)軸與顯示裝置同軸連接并經(jīng)減速器由電機(jī)帶動，如圖4-12所示為電容式液化傳感器外形圖。圖4-11電容式油量表示意圖圖4-12電容式液位傳感器外形

知識鏈接：液位傳感器測量液位高度在油箱無油時，電容傳感器的電容量Cx=C0，調(diào)節(jié)RP的滑動臂位于0點(diǎn)，即RP的電阻值為0，此時，電橋滿足CO/Cx=R1/R2的平衡條件，電橋輸出電壓為零，伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ=0。電容式液位傳感器要注意：注意進(jìn)行屏蔽和接地；增加初始電容值，降低容抗；導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)些，線要盡可能短些，最好成直角排列，若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線；盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地?！緤^斗的青春最美麗】液位測量的“方法千種萬種，適合實(shí)際最好”特點(diǎn)給我們的啟示：作為青年學(xué)生，大家正處于學(xué)習(xí)知識、增長才干的美好年華；奮斗的青春，是“長風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟(jì)滄?！钡暮狼閴阎荆恰扒トf擊還緊勁，任爾東西南北風(fēng)”的堅(jiān)韌頑強(qiáng)，是“仰天大笑出門去，我輩豈是蓬蒿人”的自信擔(dān)當(dāng)，是“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越”的昂首向前。青春是用來奮斗的，志存高遠(yuǎn)，緊跟時代，不畏艱險(xiǎn)，腳踏實(shí)地，以蓬勃朝氣投身實(shí)現(xiàn)國家富強(qiáng)、民族復(fù)興的偉大事業(yè)，奮斗的青春最美麗。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度四、投入式液位變送器的安裝

圖4-13投入式液位變送器

1.技術(shù)參數(shù)投入式液位變送器，型號：ELE-803，精度等級：±0.5%，穩(wěn)定性：優(yōu)于±0.2%FS/年，探頭材料：不銹鋼，傳輸方式：二線制，重量：l442g投入式液位變送器也是一種壓力變送器，是一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的計(jì)量器具，而且其輸出信號與壓力變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系（通常為線性函數(shù)）。主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量和控制。選用型號時要確認(rèn)測量壓力的類型和確認(rèn)測量范圍。壓力類型主要有表壓、絕壓、差壓等；表壓是指以大氣壓力為基準(zhǔn)，小于或大于大氣壓力的壓力︰絕壓是指以絕對壓力零位為基準(zhǔn)，高于絕對壓力零位的壓力；差壓是指兩個壓力之間的差值。選用時確認(rèn)測量范圍，一般情況下，按實(shí)際測量壓力為測量范圍的80%選取。知識鏈接：液位傳感器測量液位高度1.技術(shù)參數(shù)投入式液位變送器，型號：ELE-803，精度等級：±0.5%，穩(wěn)定性：優(yōu)于±0.2%FS/年，探頭材料：不銹鋼，傳輸方式：二線制，重量：l442g投入式液位變送器也是一種壓力變送器，是一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的計(jì)量器具，而且其輸出信號與壓力變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系（通常為線性函數(shù)）。主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量和控制。選用型號時要確認(rèn)測量壓力的類型和確認(rèn)測量范圍。壓力類型主要有表壓、絕壓、差壓等；表壓是指以大氣壓力為基