超声波液位计.pptx
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1、项目五项目五 物位检测物位检测第二学习周第二学习周 检测技术基础知识检测技术基础知识知识目标:知识目标:知识目标:知识目标:p 了解物位检测的基本方法了解物位检测的基本方法 p 掌握电容式传感器的结构、分类和工作原理掌握电容式传感器的结构、分类和工作原理 p 熟悉电容式传感器的基本转换电路熟悉电容式传感器的基本转换电路 p 了解电容式传感器的典型应用了解电容式传感器的典型应用 p 理解超声波的概念及传播特性理解超声波的概念及传播特性 p 掌握超声波传感器的工作原理和类型掌握超声波传感器的工作原理和类型 uu 能够根据需要选择合适的物位传感器进行测量电路设计能够根据需要选择合适的物位传感器进行测
2、量电路设计能够根据需要选择合适的物位传感器进行测量电路设计能够根据需要选择合适的物位传感器进行测量电路设计 uu 学会物位测量系统的制作与调试学会物位测量系统的制作与调试学会物位测量系统的制作与调试学会物位测量系统的制作与调试 技能目标:技能目标:技能目标:技能目标:学习目标学习目标第1页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测项目背景项目背景v 液位、料位和界位总称为液位、料位和界位总称为物位物位。根据具体用途可以使用液位、料。根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、位、界位等传感器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、控制被测物位的变化
3、。物位测量结果常用绝对长度单位或百分数表示。控制被测物位的变化。物位测量结果常用绝对长度单位或百分数表示。要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、记录、报警或发出要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、记录、报警或发出控制信号等功能。控制信号等功能。v 由于被测对象种类繁多,检测的条件和环境也有很大的差别,因由于被测对象种类繁多,检测的条件和环境也有很大的差别,因而对物位进行测量的传感器形式有许多种,简单的有直读式或直接显而对物位进行测量的传感器形式有许多种,简单的有直读式或直接显示的装置;复杂的有利用通过敏感元件将物位转变为电量输出的电测示的装置;复杂的有利用通过敏感元件将物位转变为
4、电量输出的电测仪表,以及建立在多传感器数据融合技术和智能识别与控制基础上的仪表,以及建立在多传感器数据融合技术和智能识别与控制基础上的检测与控制系统。也有应用于特殊要求和测量场合的声、光、电转换检测与控制系统。也有应用于特殊要求和测量场合的声、光、电转换原理的传感器表等。按是否与被测介质接触又分为接触式物位传感器原理的传感器表等。按是否与被测介质接触又分为接触式物位传感器和非接触式物位传感器,其应用比较广泛的代表分别是电容和超声波和非接触式物位传感器,其应用比较广泛的代表分别是电容和超声波物位传感器。物位传感器。第2页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1 汽车油箱油位检测汽车
5、油箱油位检测知识分布网络汽 车 油箱 油 位检测任务实施知识拓展相关知识电容传感器的类型及特性电容传感器的测量电路传感器选型测量电路设计模拟调试电容传感器测量厚度电容传感器测量压力电容传感器的工作原理电容传感器测量加速度电容传感器测量位移电容传感器的测量电路第3页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测 传统的机械式汽车油位传感器存在传统的机械式汽车油位传感器存在精度低、稳定性不高、使用寿命短、使精度低、稳定性不高、使用寿命短、使用环境存在局限等问题,导致汽车的使用环境存在局限等问题,导致汽车的使用成本相应增加。为了克服并改善传统用成本相应增加。为
6、了克服并改善传统汽车油位传感器存在的局限性,电容式汽车油位传感器存在的局限性,电容式液位传感器克服了传统油位传感器存在液位传感器克服了传统油位传感器存在的上述缺点,而且在精度、稳定性等指的上述缺点,而且在精度、稳定性等指标上有了质的飞跃,并具有数据精度高、标上有了质的飞跃,并具有数据精度高、稳定性强、使用寿命长等优点。稳定性强、使用寿命长等优点。图5-1 电容式油量计外形【任务描述任务描述】第4页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1 汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测v霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理【相关知识相关知识】电容传感器是将被测量(如尺寸、位移、压力等)的变化转换
7、成电容传感器是将被测量(如尺寸、位移、压力等)的变化转换成电容量变化的一种传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容量变化的一种传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。图5-2 平板电容器+Srd_电容极板间介质的介电常数,=0r,其中0为真空介电常数,0 8.85410-12F/m,r为极板间介质相对介电常数;A两平行板所覆盖的面积,单位m2;d两平行板之间的距离,单位m。第5页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1 汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测v电容传感器的类型及特性电容传感器的类型及特性 根据电容传感器的工作原理,电容传感器可分为变极距型、变面根据电容传
8、感器的工作原理,电容传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。积型和变介质型三种类型。1 1变极距型电容传感器变极距型电容传感器(a)结构示意图(b)Cd特性曲线图5-3变极距型电容式传感器1动极板 2定极板 当传感器的当传感器的r r和和A A为常数,初始极距为常数,初始极距为为d d0 0时时 ,其初始电容量,其初始电容量C C0 0为为 :第6页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测当动极板当动极板2 2移动移动x x 值后,其电容值值后,其电容值C C 为:为:当当x xC2C1C2),),则则C1C1、C2C2充电时间常数就发生
9、改变,输出平均电压充电时间常数就发生改变,输出平均电压UABUAB就不再为零。就不再为零。(a)C1=C2 (b)C1C2图5-11 脉冲宽度调制电路各点电压波形第19页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测 输出电压输出电压U UABAB经低通滤波器后,即可得到一直流电压经低通滤波器后,即可得到一直流电压U U0 0,在理,在理想情况下,它等于想情况下,它等于U UABAB的电压平均值,即的电压平均值,即T1C1充电时间;T2C2充电时间,;U1触发器输出的高电位。当电阻当电阻R R1 1=R=R2 2=R=R时时 第20页/共70页项目五项目
10、五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测脉冲调宽电路具有以下特点:脉冲调宽电路具有以下特点:(1)对传感元件的线性要求不高,不论是变极距式,还是变截面式,其输出量都与输入量成线性关系。(2)不需要调解电路,只要经过低通滤波器就可以得到较大的直流输出。(3)调宽频率的变化对输出无影响。(4)由于低通滤波器的作用,所以对输出矩形波纯度要求不高。第21页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测5 5双双T T电桥电路电桥电路(a)电路原理图(b)u为正半周期时的等效电路 (c)u为负半周期时的等效电路图5-12 双T交流电桥 双
11、双T T电桥可以测量电桥可以测量确定值的高频阻抗和确定值的高频阻抗和连续变化的阻抗连续变化的阻抗:第22页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测这种电路的特点是:这种电路的特点是:(1)输出电压高。当用有效值为45V,频率为1.3MHz的正弦波高频电源供电时,被测电容从-7pF到+7pF范围内变化,可在阻值为1M的负载上产生-5+5v的直流电压。如适当选择元件参数,可直接用数字电压表进行测量。(2)减小寄生电容影响。电源、传感器电容及负载有一个公共接地点,从而缩短了引线,减小了寄生电容及引线电容的影响。(3)二极管在线性区工作。因为输入电压较高,
12、所以二极管均在线性区工作,减小了非线性误差。(4)能适用动态测量。输出电压的上升时间由负载电阻RL确定,如RL=1K时,上升时间仅为20s,故适于测量快速的机械运动。第23页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测v电容传感器应用中的注意事项电容传感器应用中的注意事项1 1消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应(a)电容器的边缘效应 (b)带有等位环的平板式电容器图5-13等位环消除电容边缘效应原理图 第24页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测2 2减小环境温度影响减小环境温度影响 环境温度的变化将
13、改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系,从而引入温度干扰误差。这种影响主要有两个方面:函数关系,从而引入温度干扰误差。这种影响主要有两个方面:(1)温度对结构尺寸的影响。电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下,温度变化将导致极间隙较大的相对变化,从而产生很大的温度误差。在设计电容传感器时,适当选择材料及有关结构参数,可以满足温度误差补偿要求。(2)温度对介质的影响。温度对介电常数的影响随介质不同而异,空气及云母的介电常数温度系数近似为零;而某些液体介质,如硅油、煤油等,其介电
14、常数的温度系数较大。因此,在设计电容传感器时,尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为零的电介质作为电容传感器的电介质。第25页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测3 3减小或消除寄生电容的影响减小或消除寄生电容的影响 减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法:可采用如下方法:(1)增加电容初始值。增加电容初始值可以减小寄生电容的影响。一般采用减小电容式传感器极板之间的距离,增大有效覆盖面积来增加初始电容值。(2)采用驱动电缆技术。驱动电缆技术又叫双层屏蔽等位传输
15、技术,它实际上是一种等电位屏蔽法。图5-14驱动电缆技术原理图第26页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测4 4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰主要措施有:主要措施有:(1)屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体,将传感器包围起来,并可靠接地;用屏蔽电缆,屏蔽层可靠接地;用双层屏蔽线可靠接地并保持等电位等。(2)增加传感器原始电容量,降低容抗。(3)导线间的分布电容有静电感应,因此导线和导线之间要离得远,线要尽可能短,最好成直角排列,若必须平行排列时,可采用同轴屏蔽电缆线,即地线和信号线相间地走线。(4)尽可能一点接地,避免多点接地。地线要用粗的
16、良导体或宽印制线。(5)采用差动式电容传感器,减小非线性误差,提高传感器灵敏度,减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。第27页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测【任务实施任务实施】1 1传感器选型传感器选型图5-15 圆柱式电容传感器1-内电极;2-外电极D、d外电极内径和内电极外径(m);极板间介质介电常数(F/m);L 极板相互重叠的长度(m)。第28页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测2 2测量电路分析测量电路分析图5-16 电容油位计测量电路 CR-606CR-606系列电容式油位传
17、感器的传感部分是一个同轴的容器,当系列电容式油位传感器的传感部分是一个同轴的容器,当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化,这个变油进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化,这个变化量通过集成转换电路的转换并进行精确的线性和温度补偿,输出化量通过集成转换电路的转换并进行精确的线性和温度补偿,输出4 420mA20mA标准信号供给显示仪表以显示油位。如图标准信号供给显示仪表以显示油位。如图5-165-16所示,是测量电所示,是测量电路原理框图,主要由路原理框图,主要由振荡电路振荡电路、放大电路放大电路和和控制电路控制电路等组成。等组成。第29页/共70页项目五项目五 物位
18、检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测3.3.模拟调试模拟调试 (1)为便于便于观察实际液位的变化并验证测量结果的正确性,可选用带刻度的柱形透明容器代替实际油箱。按照CR-606型油位传感器说明书上要求正确安装传感器,外壳必须可靠接地。(2)将红、黑端分别接24V直流电源正、负极,将输出电流信号红、蓝端分别接毫安表的正、负极,通电预热30分钟,使输出信号稳定。(3)标定。确定液位是零的位置,按下“零点”键;加入水(从安全、经济方面考虑,用水代替汽油进行调试)至最高液位时,按下“量程”键,完成传感器的标定。完成标定后,即可自动进入运行状态。(4)改变容器中水位的高度,观察电流
19、表的读数与液位高度的变化关系,记录数据,分析测量结果的准确性。第30页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测【知识拓展知识拓展】1 1电容传感器测量厚度电容传感器测量厚度电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测 图5-17 电容式测厚仪原理图1-传动轮 2-轧辊 3-电容极板 4-金属带材第31页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测2 2电容传感器测量压力电容传感器测量压力 差动电容式压力传感器。其主要结构为一个膜片动电极和两个差动电
20、容式压力传感器。其主要结构为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。图5-18 差动电容式压力传感器第32页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测3 3电容
21、传感器测量加速度电容传感器测量加速度图5-19 差动电容式加速度传感器 传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时,传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时,质量质量块在惯性空间中相对静止,两个固定电极将相对于质量块在垂直块在惯性空间中相对静止,两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使发生变化,一个增加,一个减小,从而使C C1 1、C C2 2产生大小相等、产生大小相等、符号相反的增量,此增量正比于被测加速度。符号相反的增量,此增量正比于被测加
22、速度。电容式加速度传感器外形第33页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测4 4电容传感器测量位移电容传感器测量位移图5-20圆筒式变面积型电容位移传感器 测量时,动电极随被测物发生轴向移动,从而改变活动电极与两个固测量时,动电极随被测物发生轴向移动,从而改变活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积,使电容发生变化,电容的变化量与位移成正定电极之间的有效覆盖面积,使电容发生变化,电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片比。开槽弹簧片2 2为传感器的导向与支承,无机械摩擦,灵敏度高,但行为传感器的导向与支承,无机械摩擦,灵敏度高,但行程小,主要用于接触
23、式测量。程小,主要用于接触式测量。第34页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.1汽车油箱油位检测汽车油箱油位检测5 5电容传感器测量湿度电容传感器测量湿度(a)平面结构 (b)侧面结构 (c)等效电路图5-21 湿敏电容器结构示意图1-两个上电极 2-下电极 3-介质膜 传感器的感湿组件是高分子薄膜式湿敏电容,它的两个上电极传感器的感湿组件是高分子薄膜式湿敏电容,它的两个上电极是梳状金属电极,下电极是一网状多孔金属电极,上下电极间是亲是梳状金属电极,下电极是一网状多孔金属电极,上下电极间是亲水性高分子介质膜。两个梳状上电极、高分子薄膜和下电极构成两水性高分子介质膜。两个梳状上电
24、极、高分子薄膜和下电极构成两个串联的电容器当环境相对湿度改变时,高分子薄膜通过网状下电个串联的电容器当环境相对湿度改变时,高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分,使高分子薄膜的介质常数发生变化,从而导致极吸收或放出水分,使高分子薄膜的介质常数发生变化,从而导致电容量变化。电容量变化。湿敏电容外形第35页/共70页项目五项目五 物位检测物位检测任务任务5.2 液化气罐液位检测液化气罐液位检测知识分布网络液化气罐液位检测任务实施知识拓展相关知识超声波类型及传播特性超声波传感器超声波物位传感器传感器选型测量电路设计模拟调试超声波测厚度超声波测流量超声波无损探伤第36页/共70页项目五项目五 物位检测
25、物位检测任务任务5.2 液化气罐液位检测液化气罐液位检测【任务描述任务描述】v v 在油气生产中,特别是在油气集输储运系统中,石油、天然气与在油气生产中,特别是在油气集输储运系统中,石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理,物位的测量伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理,物位的测量与控制,对于保证正常生产和设备安全是至关重要的,否则会产生重与控制,对于保证正常生产和设备安全是至关重要的,否则会产生重大的事故。大的事故。针对液化气罐密闭,储存液体易燃、易爆、强腐蚀等特点,一般针对液化气罐密闭,储存液体易燃、易爆、强腐蚀等特点,一般采用非接触测量法进行液位的检测,
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- 超声波 液位计
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