测控基础物位课件

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1、 在生产过程中，常需要对一些设备和容器内在生产过程中，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。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。视和自动控制更是至关重

2、要。第三章第三章 物位测量及变送物位测量及变送四、超声波物位计四、超声波物位计 超声波是人耳听不见的一种机械波，频超声波是人耳听不见的一种机械波，频率在率在20KHz20KHz 超声波的这些特性完成检测，必须有产超声波的这些特性完成检测，必须有产生超声波和接收超声波功能的装置，这就生超声波和接收超声波功能的装置，这就是超声波传感器。是超声波传感器。物位测量及变送（续）物位测量及变送（续） 产生超生波的装置有：产生超生波的装置有：压电式、电磁式压电式、电磁式等，等，在检测技术上用的较多是压电式。在检测技术上用的较多是压电式。 压电式超声波探头利用压电材料的压电效应。压电式超声波探头利用压电材料的

3、压电效应。1、压电转换元件：、压电转换元件： 某些物质如天然石英是一种性能良好的天然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。极好的压电功能。 压电效应是可逆的，即有两种压电效应压电效应是可逆的，即有两种压电效应: 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应物位测量及变送（续）物位测量及变送（续）1、压电转换元件：、压电转换元件：正正电效应：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当沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷。当外力去掉后，时，在一定表面上产生电荷。当外

4、力去掉后，又重新回到不带电状态。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可以利用这种特性将接收到的超声振动转换成电信号，成电信号，故可用于制造压电打火机、压电点故可用于制造压电打火机、压电点火机、炮弹引爆装置等。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、环境保可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护等。护等。 因此能完成压电式因此能完成压电式超声波传感器超声波传感器接收任务。接收任务。超声波物位计（续）超声波物位计（续）1、压电转换元件：、压电转换元件：逆压电

5、效应：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，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。这些变形或应力也随之消失。 利用这种利用这种把电能转换为超声振动，用于探寻水下把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、超声鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗等。医疗等。 利用这种特性产生超声波，完成压电式利用这种特性产生超声波，完成压电式超声波传

6、超声波传感器感器发射任务。发射任务。 可见，可见，压电式传感是一种典型的压电式传感是一种典型的“双向传感器双向传感器”，压电效应是其主要的工作原理，它只能够测量动态压电效应是其主要的工作原理，它只能够测量动态应力。应力。超声波物位计（续）超声波物位计（续）压电原理：压电原理：石英晶体属六方晶系，由于晶体的物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。选定参考方向，这个方向叫晶体轴。X X轴是平行于相邻棱柱面内夹角的等分线，轴是平行于相邻棱柱面内夹角的等分线，垂直于垂直于X X轴的棱面上压电效应最强轴的棱面上

7、压电效应最强在电场作用下，沿在电场作用下，沿Y Y轴方向的机械变形最轴方向的机械变形最明显明显Z Z轴方向无压电效应，称中性轴。轴方向无压电效应，称中性轴。zyx0超声波物位计（续）超声波物位计（续）E超声波物位计（续）超声波物位计（续）2、压电材料压电材料（铁电性物质）：（铁电性物质）： 天然石英晶体，价格昂贵，压电系数小。天然石英晶体，价格昂贵，压电系数小。 压电陶瓷：用作压电陶瓷的铁电体都是将钙钛矿中多种压电陶瓷：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、成分混和后，经粉碎、成型、10001000度以上高温烧结而成多晶度以上高温烧结而成多晶铁电体，材料内部有小铁电体

8、，材料内部有小“电畴电畴”，是压电特性的基础，它在，是压电特性的基础，它在202030KV/cm30KV/cm的强化电场中放的强化电场中放2-32-3小时，极性转到接近电场小时，极性转到接近电场方向，叫方向，叫“人工极化人工极化”工艺工艺 经过人工极化后压电陶瓷将保持极化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。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，与想像但是用仪表测量则无带电迹象，与想像并不一样。这是并不一样。这是因为极化作用产生在物因为极化作用产生在物质内部，它确实已使一面带正电，另一质内部，它确实已使一面带正电，另一面带负电。然而，它把环

9、境中的杂散电面带负电。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，所以无带电反应电场完全抵消，所以无带电反应超声波物位计（续）超声波物位计（续） 由于压电转换元件由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要具有自发电和可逆两种重要性能性能，加上它的体积小，重量轻、结构简单，工作，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，压电此，其应用获得飞跃的发展

10、。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，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。利用逆压电效应可制成多种超电式传感器的应用。利用逆压电效应可制成多种超声波发生器。声波发生器。 超声波物位计（续）超声波物位计（续） 3 3 超声波物位计超声波物位计基本原理基本原理 超声波物位计是应用回声测量距离的原理工作的，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

11、向液面发射短促的超声波如图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间脉冲时，经过时间t t后，探头接到从液面反射回来后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲。的回声脉冲。 超声波物位计（续）超声波物位计（续）回声测距原理回声测距原理 当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间间t t后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲，因此，探因此，探头到液面的距离可由下式求出：头到液面的距离可由下式求出： H H 式中：式中：C C是超声波在被测介质中的传播速度（声速）。是超声波在被测介质中的传播速度（声速

12、）。 知道声速知道声速C C，就可以通过精确地测量时间，就可以通过精确地测量时间t t的方法求出距的方法求出距离离H H（即液位高度），但是声速必须是恒定的。实际上被（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。靠测量时间来精确地测量距离，而必须采取补

13、偿措施。Ct21超声波物位计（续）超声波物位计（续）3 3 测量方法测量方法 声波可以在固体、液体、气体中传播，并且以在声波可以在固体、液体、气体中传播，并且以在固体中传播（即固介式）衰减最小，在液体中传播固体中传播（即固介式）衰减最小，在液体中传播（液介式）次之，在气体中传播（气介式）衰减最（液介式）次之，在气体中传播（气介式）衰减最大。大。 根据超声物位计分类，声波在不同介质传播时，根据超声物位计分类，声波在不同介质传播时，可分为固介式、液介式、气介式。可分为固介式、液介式、气介式。 应用声波测量物位，可以使用两个探头，也可以应用声波测量物位，可以使用两个探头，也可以使用一个探头，即双探头

14、式及单探头式。前者是一使用一个探头，即双探头式及单探头式。前者是一个探头发射声波，另一个探头用来接收。后者发射个探头发射声波，另一个探头用来接收。后者发射与接收声波都是由一个探头进行，只是发射与接收与接收声波都是由一个探头进行，只是发射与接收时间相互错开。时间相互错开。超声波物位计（续）超声波物位计（续） 通过测量声波传播时间测距离，其准确性主要是受传通过测量声波传播时间测距离，其准确性主要是受传播速度变化的影响，对此，必须采取有效地补偿措施，播速度变化的影响，对此，必须采取有效地补偿措施，下面只介绍设置校正具测量方法中的固定校正具方法：下面只介绍设置校正具测量方法中的固定校正具方法： 固定校

15、正具：固定校正具： 如图所示，在容器底部安置两组探头，如图所示，在容器底部安置两组探头，即除测量探头外还特意安装一组即除测量探头外还特意安装一组校正用的探头。校正探头和反射板校正用的探头。校正探头和反射板分别固定在校正具（金属筒）上。分别固定在校正具（金属筒）上。 超声波物位计（续）超声波物位计（续）固定校正具测量方法 假设声脉冲的传播速度为假设声脉冲的传播速度为v v0 0，声脉冲从校正探头遇，声脉冲从校正探头遇到反射板再会来用的往返时间为到反射板再会来用的往返时间为t t0 0，则校正探头到反射板，则校正探头到反射板的长度的长度L L0 0为：为： 假设被测液位的高度为假设被测液位的高度为

16、H H，测量探头发出的声脉冲的，测量探头发出的声脉冲的传播速度为传播速度为v v，声脉冲从探头到液面再回来的往返时间为，声脉冲从探头到液面再回来的往返时间为t t，同样可写出从探头到液面的距离，同样可写出从探头到液面的距离H H为：为： 00 012Lv t12Hvt超声波物位计（续）超声波物位计（续）因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即传播速度相等，即v v0 0v v，则液位高度为：，则液位高度为： 选择适当的时间单位，使选择适当的时间单位，使t t0 0在数值上等于在数值上等于L L0 0，则，则t t在数值

17、上就在数值上就等于被测液位的高度等于被测液位的高度H H。这样便将液位的测量变为测量声脉。这样便将液位的测量变为测量声脉冲的传播时间，因此，用校正探头可以在一定程度上消除声冲的传播时间，因此，用校正探头可以在一定程度上消除声速变化的影响，并可由电子计数器直接显示出液位的高度。速变化的影响，并可由电子计数器直接显示出液位的高度。00LHtt超声波物位计（续）超声波物位计（续） 具体办法为：如果被测液位的计量单位是毫米具体办法为：如果被测液位的计量单位是毫米时，调节振荡器的频率，时，调节振荡器的频率，使所产生脉冲的使所产生脉冲的周期周期T T0 0恰好等于声脉冲往返单位长度（恰好等于声脉冲往返单位

18、长度（1mm1mm）的时间）的时间，例如，校正探头到反射板的长度为例如，校正探头到反射板的长度为1mm1mm，声脉冲，声脉冲从校正探头遇到反射板再回来用的往返时间为脉从校正探头遇到反射板再回来用的往返时间为脉冲周期冲周期t t0 0，这样电子计数器在时间这样电子计数器在时间t t内所累计的脉内所累计的脉冲数，便是液位的高度。冲数，便是液位的高度。 例题例题6 6：对声速为：对声速为1300m/s1300m/s的油品，调节振荡器的的油品，调节振荡器的频率为多少时能较容易的读出液位高度？频率为多少时能较容易的读出液位高度？超声波物位计（续）超声波物位计（续） 4 4二次仪表二次仪表 超声波液位计由

19、探头和二次仪表组成，二次超声波液位计由探头和二次仪表组成，二次仪表的作用是仪表的作用是“控制钟控制钟”控制探头发射声脉冲，控制探头发射声脉冲，同时，计数器开始对可调振荡器发出的脉冲进同时，计数器开始对可调振荡器发出的脉冲进行计数，接收到反射波信号后立即停止计数，行计数，接收到反射波信号后立即停止计数，并将声脉冲到液面的往返时间换算成液位高度并将声脉冲到液面的往返时间换算成液位高度显示出来。显示出来。 超声波物位计（续）超声波物位计（续）五、抽油井井下液面探测五、抽油井井下液面探测 井下液面深度，是我们了解抽油井供液能力、抽油泵井下液面深度，是我们了解抽油井供液能力、抽油泵工作状况、推算油层压力

20、大小、掌握抽油井井下状况的工作状况、推算油层压力大小、掌握抽油井井下状况的重要依据。重要依据。 井下液面探测是根据回声法测距原理工作的。井下液面探测是根据回声法测距原理工作的。 声波在气体介质中传播时，在遇到固体、液体介质的声波在气体介质中传播时，在遇到固体、液体介质的情况下，由于两种介质密度相差悬殊，声波会被全部反情况下，由于两种介质密度相差悬殊，声波会被全部反射回来。在井口向井下深处发射一短促的声脉冲波时，射回来。在井口向井下深处发射一短促的声脉冲波时，若能测出声波往返的时间若能测出声波往返的时间t t和声波传播速度和声波传播速度v v，就能确定，就能确定井下液面与井口声源之间的距离。井下

21、液面与井口声源之间的距离。物位测量及变送（续）物位测量及变送（续）12Hvt抽油井井下液面探测（续） 在实际测量中，由于油井内在实际测量中，由于油井内气相介质的组成，温度随深度气相介质的组成，温度随深度不同而不同，所以很难精确地不同而不同，所以很难精确地求出反映气体穿越整个气相介求出反映气体穿越整个气相介质时的平均声速。因而在实际质时的平均声速。因而在实际应用时，经常采用固定距离标应用时，经常采用固定距离标的方法进行测量的。的方法进行测量的。 回声法测量液位示意图回声法测量液位示意图 测量前，在油井下油管时，先在测量前，在油井下油管时，先在油管接箍上装上一种油管接箍上装上一种“回音标回音标”，

22、随，随油油管下入井下一定深度处，以便确定管下入井下一定深度处，以便确定声波在井筒中传播的平均速度。声波在井筒中传播的平均速度。回音标是一个空心圆柱体回音标是一个空心圆柱体( (如图如图6-26-2所示所示) )。回音标的下入深度。回音标的下入深度h ho o在下油在下油管时已经过精确测量。回音标的端面管时已经过精确测量。回音标的端面积一般以遮挡油、套管间环形截面的积一般以遮挡油、套管间环形截面的50705070为宜。为宜。图6-2 回音标结构图 1一油管；2接箍；3一音标抽油井井下液面探测（续）抽油井井下液面探测（续） 回声仪原理框图如下图所示。测量时，通过专门的回声仪原理框图如下图所示。测量

23、时，通过专门的声波发生器产生一个声波脉冲，使它沿着油、套管间的声波发生器产生一个声波脉冲，使它沿着油、套管间的环形空间传向井底。声脉冲在传播过程中遇到回音标和环形空间传向井底。声脉冲在传播过程中遇到回音标和液面时随即有反射声脉冲波反射到井口，被收声器接收液面时随即有反射声脉冲波反射到井口，被收声器接收，并转换成电信号，送入记录仪，经放大器放大后推动，并转换成电信号，送入记录仪，经放大器放大后推动记录笔左右摆动，在恒速移动的记录纸上记录下来。记录笔左右摆动，在恒速移动的记录纸上记录下来。抽油井井下液面探测（续）抽油井井下液面探测（续）根据测到的上图所示的记录曲线，就能计算出井下液面根据测到的上图

24、所示的记录曲线，就能计算出井下液面深度，图中，深度，图中，A A是发射声脉冲，是发射声脉冲，B B是回音标反射声脉冲，是回音标反射声脉冲，C C是液面反射声脉冲。是液面反射声脉冲。抽油井井下液面探测（续）抽油井井下液面探测（续） 如果一只记录纸走纸速度如果一只记录纸走纸速度v v0 0，就可以，就可以根据记录曲线上声波根据记录曲线上声波脉冲间距求出声波从井口传到回音标所需的时间为脉冲间距求出声波从井口传到回音标所需的时间为：同理可得声波由同理可得声波由井口传到液面井口传到液面时所需时间为：时所需时间为：由由回音标下入深度回音标下入深度h ho o求得声波在井筒中的平均传播速度为求得声波在井筒中

25、的平均传播速度为：由此得到井口到液面的深度为：由此得到井口到液面的深度为： 由于回音标到井口的距离由于回音标到井口的距离h ho o是在油井作业时预先精确测量过是在油井作业时预先精确测量过的，因而可以方便地由记录曲线计算出井下液面深度。的，因而可以方便地由记录曲线计算出井下液面深度。 回音标的位置对测量精度有很大影响。回音标越接近液面回音标的位置对测量精度有很大影响。回音标越接近液面测量精度越高，回音标的位置最好在井口至预计液面距离的测量精度越高，回音标的位置最好在井口至预计液面距离的9090处，这样测量误差可以保证在处，这样测量误差可以保证在1 1以下。以下。002vLt 抽油井井下液面探测

26、（抽油井井下液面探测（续）续）02vLT thv00000002LLhtLLthvLthvTH 采用上述方法测量时，井下必须下有回音标，具有代表性的采用上述方法测量时，井下必须下有回音标，具有代表性的回声仪回声仪JHJH一一711711以及以及JHJH一一731731和和BHBH一一7373型回声仪都是采用上述型回声仪都是采用上述方法测量的，并曾得到广泛应用。有时油井只为测试井下液面方法测量的，并曾得到广泛应用。有时油井只为测试井下液面而装设回音标是很麻烦的，而有些井不适于装回音标或不能装而装设回音标是很麻烦的，而有些井不适于装回音标或不能装回音标回音标 ( (如作偏心井口测试时如作偏心井口测

27、试时) )。所以上述测量方法在实际测。所以上述测量方法在实际测量时有其局限性。量时有其局限性。 近年来，利用油管自然回音标近年来，利用油管自然回音标油管接箍测量井下液面深度油管接箍测量井下液面深度的仪表日臻成熟完善。这类仪表一般根据油管接箍反射信号与的仪表日臻成熟完善。这类仪表一般根据油管接箍反射信号与液面反射信号的频率不同，分成两个信号液面反射信号的频率不同，分成两个信号“通道通道”分别对相对分别对相对高频接箍反射信号和液面、回音标等低频反射信号进行记录和高频接箍反射信号和液面、回音标等低频反射信号进行记录和处理。如处理。如CJ-1CJ-1，SH2SH2型回声仪等，他们既能记录液面、回音标型回声仪等，他们既能记录液面、回音标的反射波，又能记录接箍反射波。的反射波，又能记录接箍反射波。 抽油井井下液面探测（抽油井井下液面探测（续）续）抽油井井下液面探测（抽油井井下液面探测（续）续）双通道回声仪表典型记录曲线双通道回声仪表典型记录曲线例题例题7：