石油工程测控基础-隋秀香 测 控 基 础-2物位new课件.ppt

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1、在生产过程中，常需要对一些设备和容器内的液体、固体颗粒或粉末、气体之间的分界面位置进行测量等，我们统称为物位的测量。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。现代大规模的工业生产，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。第三章物位测量及变送四、超声波物位计超声波是人耳听不见的一种机械波。超声波物位计是利用超声波的各种特性完成物位检测。各种介质对声波的传播都呈现一定的阻抗，声阻抗与介质密度和弹性有关，一般液体阻抗比空气

2、大两千多倍，当声波作用到声阻抗相差很大的两种介质的分界面上时，则大部分会从分界面反射回来。物位测量及变送（续）超声波探头是利用压电元件构成的，发射超声波是利用了逆压电效应，接收超声波是利用了正压电效应，发射和接受探头结构相同，任务不同。1、压电元件：某些物质如天然石英是一种性能良好的天然压电晶体，而人造的钛酸钡、皓钛酸钡也具有极好的压电功能。压电效应是可逆的，即有两种压电效应:正压电效应逆压电效应物位测量及变送（续）1、压电转换元件：①正正电效应：当沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一

3、定表面上产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态。可以利用这种特性将接收到的超声振动转换成电信号，故可用于制造压电点火机、炮弹引爆装置等。可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护等。因此正压电效应能完成压电式超声波传感器接收任务。超声波物位计（续）1、压电转换元件：②逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，即将高频电振动转换成高频机械振动，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。利用这种把

4、电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗等。利用这种特性产生超声波，完成压电式超声波传感器发射任务。可见，压电式传感是一种典型的“双向传感器”，压电效应是其主要的工作原理，它只能够测量动态应力。超声波物位计（续）压电原理：石英晶体属六方晶系，由于晶体的物理特性与方向有关，因此需在晶体内部选定参考方向，这个方向叫晶体轴。X轴是平行于相邻棱柱面内夹角的等分线，垂直于X轴的棱面上压电效应最强在电场作用下，沿Y轴方向的机械变形最明显Z轴方向无压电效应，称中性轴。超

5、声波物位计（续）超声波物位计（续）2、压电材料（铁电性物质）：①天然石英晶体，价格昂贵，压电系数小。②压电陶瓷：用作压电陶瓷的铁电体都是将钙钛矿中多种成分混和后，经粉碎、成型、1000度以上高温烧结而成多晶铁电体，材料内部有小“电畴”，是压电特性的基础，它在20－30KV/cm的强化电场中放2-3小时，极性转到接近电场方向，叫“人工极化”工艺经过人工极化后压电陶瓷将保持极化状态，其一面带正电，另一面带负电。但是用仪表测量则无带电迹象，与想像并不一样。这是因为极化作用产生在物质内部，它确实已使一面

6、带正电，另一面带负电。然而，它把环境中的杂散电荷分别吸引到表面上，使得内部电场和所吸附的来自空气中的电荷形成的外部电场完全抵消，所以无带电反应超声波物位计（续）由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它的体积小，重量轻、结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高等优点，因此，其应用获得飞跃的发展。在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压力，加速度，振动等，因此在声学、力学、宇航等广阔领域中部可见到压电式传感器的应用。利用逆压电效应可

7、制成多种超声波发生器。超声波物位计（续）3．超声波物位计基本原理超声物位计测量方法分类：液介式、气介式。液介式是超声波探头放在液体最低位置探头发出的超声波在液面处反射回来。气介式是超声波探头放在液面以上的气体介质中，垂直向下发射和接受。超声波物位计是应用回声测量距离的原理工作的，如图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间t后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲。超声波物位计（续）回声测距原理当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间t后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲，

8、因此，探头到液面的距离可由下式求出：H＝式中：C是超声波在被测介质中的传播速度（声速）。知道声速C，就可以通过精确地测量时间t的方法求出距离H（即液位高度），但是声速必须是恒定的。实际上被测介质不同其声速也不同，即使是同一种介质，也因温度不同有不同的声速。因此，除非液体密度是均匀的，液体各处温度也是均匀的，才能认为声速是定值，否则就不能靠测量时间来精确地测量距离，而必须采取补偿措施。超声波物位计（续）应用声波测量物位，可以使用两个探头，也可以使用一个探头，即双探头式及单探头式。前者是一个探头发射