仪表原理

关键词： 流量仪表 仪表 原理

仪表原理（精选六篇）

仪表原理 篇1

1 磁电式仪表

1.1 基本结构

磁电式仪表是根据通有电流的线圈在永久磁铁的磁场中受力的原理而制成的。它由固定部分和可动部分组成。固定部分由永久磁铁、极掌和固定在支架上的圆柱形铁心组成。圆柱形铁心放置在两个极掌的中间, 使得极掌与铁心之间的空气气隙长度均匀, 并产生均匀的辐射方向的磁场。可动部分由绕在铝框架上的可动线圈、线圈两端的两个半轴以及固定在转轴上的指针、平衡锤和游丝 (即螺旋弹簧) 组成。可动线圈处于极掌和铁心间的气隙之中, 能在气隙中灵活转动。线圈的两端分别接在两个游丝上, 被测电流通过游丝引入线圈。整个可动部分都支承在轴承上。

1.2 工作原理

当电流I通过可动线圈时, 载流线圈就会在永久磁铁的磁场中受到电磁力的作用, 产生转动力矩, 并带动指针偏转 (其偏转方向由左手定则确定) 。线圈和指针偏转后, 又会扭紧弹簧游丝, 使游丝产生反抗力矩。当反抗力矩和转动力矩相平衡时, 线圈和指针便停止偏转。由于在线圈转动的范围中磁场均匀分布, 因此, 线圈的转动力矩和电流的大小成正比。

磁电式仪表只能用来测量直流, 如通入交流, 则可动部分由于受惯性影响, 将跟不上电流和转矩的迅速交变而静止不动。仪表中绕制线圈的铝框架实际上是一个磁感应阻尼器, 其阻尼作用是这样产生的:当线圈通有电流发生偏转时, 由于惯性关系, 线圈和指针不能立即停止在平衡位置上, 而要在平衡位置附近产生一定时间的振荡。线圈的这种振荡就会使铝框切割永久磁铁的磁通, 在铝框中产生感应电流, 此电流和磁场相互作用产生的电磁力总是和线圈运动方向相反, 从而使仪表的可动部分受阻尼作用, 迅速停止在平衡位置上。

磁电式仪表除刻度均勾外, 还具有灵敏度高, 消耗功率小, 受外界磁场影响小 (因为仪表本身磁场强) 等优点。其缺点是结构复杂, 造价较高, 过载能力小 (因为电流经游丝引入, 电流过大会使游丝发热变形, 甚至烧毁) , 而且只能用于直流测量, 不能测交流。

2 电磁式仪表

2.1 基本结构

电磁式仪表是利用电流的磁效应制成的。它包括固定线圈和装在转轴上的偏心可动铁心、指针、阻尼翼片、游丝以及永久磁铁、磁屏等。

2.2 工作原理

当线圈通入电流时, 就会产生磁场, 使铁心受到磁化而被吸入线圈的气隙之中, 从而使与铁心相连的转轴和装在转轴上的指针鸾到转动力矩的作用而偏转。当转动力矩与游丝的反作用力矩相平衡时, 指针便停止偏转, 并指示出被测量的数值。如果通入线圈的电流改变方向, 线圈所产生的磁场的方向以及被磁化后的铁心的极性也会同时跟着改变, 故线圈与铁心间的吸力方向不变, 于是指针的偏转方向也不变。因此, 这种仪表可以用来测量交流量。由于作用在铁心上的电磁吸力与气隙中磁感应强度的平方成正比, 而气隙中的磁感应强度又与线圈电流成正比, 因此, 仪表的转动力矩与电流的平方成正比。又由于游丝的反抗力矩与指针的偏转角成正比, 所以, 指针的偏转角与线圈电流的平方成正比。

仪表中阻尼翼片 (铝片) 和永久磁铁构成磁性阻尼器, 用于产生阻尼力矩, 使转轴和指针迅速停止在平衡位置。磁屏用于屏蔽永久磁铁, 以避免其对线圈磁场产生影响。

电磁式仪表结构简单, 造价低廉, 既可以测量直流, 也可以测量交流, 而且过载能力大 (线圈是固定的, 电流不经过游丝, 可用截面积较大的导线绕制) 。但其刻度不均匀, 灵敏度和准确度不高 (铁心中有涡流和磁滞) , 易受外界磁场影响 (仪表本身磁场弱) 。故一般直流量的测量不采用电磁式仪表, 而是采用磁电式仪表。电磁式仪表主要用于交流量的测量。

3 电动式仪表

3.1 基本结构

电动式仪表是利用两个线圈同时通人电流后, 相互之间产生电磁力的原理制成的。固定线圈分成两段, 目的是使线圈附近获得较均匀的磁场分布和改换电流量程。可动部分包括可动线圈、指针、阻尼翼片、游丝等, 它们均固定在转轴上。与磁电式仪表相同, 可动线圈中的电流也是通过游丝引入的。仪表的阻尼装置是空气阻尼器, 其阻尼力矩由翼片在气室中移动而产生。

3.2 工作原理

当固定线圈通入电流I1后, 就会产生磁场。若可动线圈通入电流I2, 则可动线圈在此磁场中就要受到电磁力的作用而带动指针偏转。直至转动力矩与游丝的反抗力矩相平衡时, 才停止偏转。因为转动力矩与磁感应强度B1和电流I2的乘积成正比, 而B1又与I1成正比, 所以, 指针的偏转角。与两线圈电流的乘积成正比。

指针的偏转方向决定于两个线圈的电流方向。当任何一个线圈的电流改变方向时, 指针的偏转方向也就跟着改变, 但若两个线圈的电流同时改变方向, 指针的偏转方向不变, 因此这种仪表也可用来测量交流。

电动式仪表准确度高, 适用于交、直流测量, 但过载能力差, 受外界磁场影响大。若将仪表的两个线圈与被测电路串联, 便可以用来测量电流;若将两个线圈与被测电路并联, 便可以用来测量电压;若将一个线圈与被测电路串联, 另一个线圈与被测电路并联, 则可以用来测量功率。

摘要：电工仪表的种类和形式多种多样, 本文只讨论电工测量中常用的磁电式、电磁式、电动式三种模拟式指示仪表。这些仪表的结构虽然不同, 但它们的根本原理却是相同的, 都是利用电磁现象, 使仪表的可动部分受到电磁转矩的作用而转动, 并带动指针偏转来指示被测量的大小。

关键词：电工,仪表,结构,工作原理

参考文献

[1]秦曾煌, 电工学 (第六版) 上册, 电工技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[2]叶文荪.电工技术 (第3版) [M].北京:机械工业出版社, 1998.

[3]魏佩瑜.电工学 (电工技术) [M].北京:机械工业出版社, 2007.

仪表原理 篇2

HOWO(豪沃)仪表内部电路工作原理

1 仪表简介 HOWO仪表采用先进的微控制器(MCU)作为主要控制核心,并使用专用LED报警驱动芯片、仪表步进电机驱动芯片及大屏LCD汉字图形显示等先进技术.电路设计科学合理,加上全车采用车用总线控制,使得仪表外部接口引线极少.

油库加油站测量仪表工作原理及特点 篇3

1 流量仪表

根据测量原理和所采用的仪表结构形式各不相同,大致可分为三类:质量流量计、容积式流量计和速度流量计[1]。下面分别介绍常用测量仪表的工作原理及特点。

1.1 质量流量计

质量流量计是一种以测量流体流过的质量为依据的流量计。根据质量流量与体积流量间的关系:M=V·A·ρ,采用速度式或容积式流量测量仪表先测出体积流量V,再乘以被测流体的密度ρ和被测流体的流通截面积A,即可求出质量流量M。由于介质密度ρ会随温度、压力的变化而有所变化,故工业生产中普遍应用的推导式质量流量计通常采取温度、压力的自动补偿措施,主要包括热式质量流量计、角动量式质量流量计、补偿式质量流量计、科里奥利力和振动式质量流量计等。

质量流量计的特点是能够直接得到质量流量,从根本上提高了测量精度,而且省去了将已测出的体积流量乘以介质密度换算成质量流量手工步骤,所以省去了繁琐的换算和修正。

1.2 容积式流量计

容积式流量计是一种以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表,主要包括椭圆齿轮流量计,罗茨流量计,刮板流量计,活塞式流量计等。

容积式流量计的特点为测量精度高,积算精度可达±(0.2%~0.5%),甚至高达±0.1%, 量程比宽,可达10:1以上[2]。由于容积式测量与流体的粘度等性质无关,因此容积式流量计特别适合于高粘度介质的流量测量,且在正常的工作范围内,温度和压力对测量结果影响很小。容积式流量计安装使用较方便,对流量计前,后直管段长度无严格要求。容积式流量计的精度主要取决于壳体与转动体只间的间隙,因此流量计的制造,装配精度要求较高,传动结构也较复杂。容积式测量仪要求被测流体洁净,不含固体颗粒,否则会使转动体卡住,甚至损坏流量计,因此要求在流量计前加装过滤器。容积式流量计结果一般较复杂,加工制造较为困难,因而成本较高,如果因使用不当或使用时间过久,发生泄漏现象,就会引起较大的测量误差。另外,容积式流量计不适宜大管径,大流量测量,并且当口径较大时,成本高,重量大,体积笨重,维修不便。

1.3 速度流量计

速度流量计是一种以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。因为如果已知被测流体的流通截面积A,那么只要测出该流体的流速V,即可求得流体的体积流量Q=V·A[3]。基于这种原理速度式流量仪表根据工作方式大致可分为二种;一种是直接测量流体流速的流量测量仪表,例如:超声波流量计,电磁流量计等。这种工作方式的流量计的特点是不必在管道内设置检测元件,因而不会改变流体的流动状态,也不会产生压力损失,更不存在管道堵塞等问题。另一种工作方式,是通过设置在管道内的检测变换元件(如浮子、涡轮、孔板等),将被测流体的流速按一定的函数关系变换成压差,位移,转速,频率等信号,因此间接测量流量,例如:差压式流量计,浮子式流量计,涡轮流量计,涡街流量计,靶式流量计等。

差压流量计主要特点是:结构简单,工作可靠,使用寿命长,适应性强,几乎可测量各种工作状态下单相流体流量。只要严格遵照加工安装要求,不需要单独标定,适用于50~1000 mm管径的流体测量,精度可达0.5级[4]。不足之处是压力损失较大,刻度为非浅性,某些情况下(如测量高粘度或有腐蚀性介质等)使用维护工作量较大。需要注意的是:当被测流体的工作状态与设计条件不同时,则会造成较大的测量误差,此时必须进行修正。如果条件变化较大,则必须按新的工作条件重新进行设计计算,如果变化较小可根据流量基本公式加以必要(主要是密度)修正。

2 物位仪表

物位测量在现代工业生产自动化中具有重要的地位。通过物位测量,可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量,检视或控制容器内的介质物位,使它保持在工艺要求的高度,或对它的上、下限位置进行报警,以及根据物位来连续监视或控制容器中流入与流出物料的平衡。由于工业生产中对液位高度的要求不一,物位仪表是多种多样的,按基本工作原理,主要有以下几种类型。

2.1 直读式物位仪表

利用连通器原理工作。这类仪表中主要有玻璃管液位计,玻璃板液位计等。

2.2 浮力式物位仪表

此类仪表是利用浮子高度随液位变化而改变或对浸没于液体中的浮子的浮力随液面高度变化的原理工作的。它可分为两种:一种是维持浮力不变的恒浮力式液面计,如浮标式、浮球式;另一种为变浮力式液位计,如浮筒式液位计[5]。

2.3 差压式物位仪表

利用容器内的液位改变时,由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。它又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。

2.4 声波式物位仪表

由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同,测出这些变化就可以测知物位。所以声波式物位仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式[6]。

2.5 核辐射物位仪表

利用核辐射透过物料时,物质对放射性同位素放射的射线的吸收作用为基础来进行物位测量。

2.6 浮力式液位计

浮力式液位计是应用最早的一种液位测量仪表。它结构简单,造价低廉,维护也比较简单。随着变送方法的改进至今仍然为工业生产所广泛采用。

2.7 吹气式液位计

吹气式液位计也可以用来测量密闭容器的液位。如果被测液位是易燃易氧化的介质,可改用氮气、二氧化碳等惰性气体作为气源。吹气式液位计的精度比较低,主要取决于测压仪表的精度。所以只适应于静压力较低、测量精度要求不高的情况。

2.8 电容式物位计

电容式物位计适用于各种导电或非导电液体的液位及粉末状物料的料位测量,也可用于液-液和液-固分界面的测量[7]。

3 温度仪表

温度测量范围甚广,测温仪表的种类也很多,按测量方式分有接触式和非接触式两类。

3.1 接触式测温仪表

温度不同的两物体相互接触,由于它们之间有温差存在,热量就会从高温物体向低温物体传递。如果这两个物体与外界无能量交换,则经过足够长的时间两者就会达到热平衡状态,即传热量为零,两者温度相等。接触式测温计就是基于这一原理。接触式测温为了实现精确测量必须使温度计的感温部件于被测物体有良好的接触,它可以得到被测物体的真实温度,一般来说测温的准确性较高,应用广泛,但因感温部件与被测物体之间产生的热传递,会存在一定的测量滞后。特别对于热容量较小的被测对象,还会因传热而破环被测物体原有的温度场。

接触式测温仪表主要有双金属温度计、压力表式温度计、玻璃管液体温度计、热电阻温度计和热电偶温度计。双金属温度计测温原理是固体热膨胀变形量随温度变化,特点是结构简单,指示清楚,读数方便,精度较低,不能远传;压力表式温度计测温原理是气体、液体在定容条件下,压力大小随温度变化,特点是结构简单可靠,可较远距离传送(小于50 mm),精度较低,受环境温度影响较大;玻璃管液体温度计测温原理是液体热膨胀体积量随温度变化,特点是结构简单,精度较高,读数不便,不能远传;热电阻温度计测温原理是金属或半导体电阻值随温度变化,其特点是精度高,便于远传,结构复杂,需要加电源;热电偶温度计的测温原理是热电效应,其特点是测温范围大,精度高,便于远传,低温测量精度较差[8]。

3.2 非接触式测温仪表

非接触式测温目前在工业上还是以辐射式测温为主,它的特点是感温元件不与被测物体相接触,而通过被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温,因而不会破坏被测对象的温度场,不仅可以测量移动或转动物体的温度,而且还可以通过扫描的方法测得物体表面的温度分布。但辐射式测温一般只能测得亮度温度或辐射温度,为了求得真实温度,还必须根据被测对象的黑度对测量值进行修正,另外还可能受到发射率、距离、烟尘等影响,故测温的准确性一般不高,通常仅用于高温测量。

非接触式测温仪表主要有光学高温计和辐射高温计两类。光学高温计测温原理是物体单色辐射强度及亮度随温度变化,特点是结构简单,携带方便,不破坏对象温度场,易产生目测主观误差,外界反射辐射会引起测量误差;辐射高温计的测温原理是物体全辐射能随温度变化,其特点是结构简单,稳定性好,光路上环境介质吸收辐射,易产生测量误差。

4 压力仪表

压力是工业生产中的重要参数,在生产过程中,对液体和气体压力的检测是保证工艺要求、设备和人身安全并使设备经济运行的必要条件。

压力测量仪表简称压力计或压力表。它根据工艺生产过程的不同要求,可以有指示、记录和带远传变送、报警、调节装置等。被测压力的显示方式多采用指针机械位移,也有采用数字显示形式[9]。

测量压力或真空度的仪表很多,按其转换原理的不同,大致可以分为四大类:

4.1 液柱式压力计

液柱式压力计是依据流体静力学的原理,把被测压力转换成液柱高度的压力计。它被广泛应用于表压和真空度的测量中,也可以测定两点的压力差。按其结构形式不同,有U型管压力计、单管压力计和斜管压力计等。这类压力计结构简单,使用方便,但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,测量范围窄。

4.2 弹性式压力计

弹性式压力计是利用弹性元件受压后所产生的弹性变形的原理进行测量的。由于测量范围不同,所以弹性元件也不一样。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及薄膜式压力计等。

4.3 电气式压力计

电气式压力计是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、电流、频率等)来进行测量的仪表,例如各种压力传感器和压力变送器。

4.4 活塞式压力计

活塞式压力计是根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。它的测量精度很高,允许误差可小到0.05%~0.02%[10]。但结构较复杂,价格较贵。一般作为标准型压力测量仪器,来检验其他类型的压力计。

5 结 语

随着油库,加油站和各类化工炼厂等自动化程序越来越高,各类仪表将会被广泛地运用到这些程序中。这就需要我们掌握各类仪表的特点,选择最合适的仪表进行监控和计量,从而进一步减少人工劳动强度,进一步提高油库,加油站和各类化工厂的效率,保证其安全,高效,稳定地运行。

参考文献

[1]俞金寿.过程自动化及仪表[M].北京:化学工业出版社,2003:33-43.

[2]王树青.工业过程控制过程[M].北京:化学工业出版社,2003:47-66.

[3]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京:化学工业出版社,2002:24-49.

[4]赵玉珠.测量仪表与自动化[M].东营:石油大学出版社,1997:78-83.

[5]孙自强.生产过程自动化及仪表[M].北京:清华大学出版社,1999:102-123.

[6]唐明辉.热工自动控制仪表[M].北京:水利电力出版社,1990:56-78.

[7]张毅,张宝芬,曹丽,等.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京:化学工业出版社,2000:49-62.

[8]周培森.自动检测与仪表[M].北京:清华大学出版社,1987:32-36.

[9]盛炳乾,李军主.工业过程测量与控制[M].东营:国轻工业出版社,1994:78-91.

矿用电机车多功能仪表原理及应用 篇4

现代化的煤矿运输系统担负着煤炭和煤炭以外的物资及人员这两大运输任务。生产物资和人员是井下运输的一个重要环节。电机车因为其操控的灵活和简便在井下运输系统中占据着重要的地位。经济和社会的发展要求煤矿须相应的加大产煤及运输的效率, 但是, 煤矿井下生产环境比较复杂, 造成了电机车在行驶速度过快时容易引起撞车、追尾、翻车等交通事故, 造成人身伤亡。因此需要研究一种多功能测试仪表及报警装置来限制电机车的运行速度。单片机技术的发展, 使得传统的测速装置在完成基本的速度测量任务的同时可以具备更加智能化的功能。设计电机车智能多功能测试仪表装置具有测速、测温、电机车运行电流检测以及当班里程、总里程计算和超速报警及耗电量显示功能。

2 多功能仪表的工作原理

本仪表采用单片机控制原理, 液晶显示技术, 该仪表由8051单片机、驱动电路、液晶显示器、报警电路、监测传感器、掉电检测电路、时钟电路及电源等部分组成 (如图所示1-1) 将安装在机车轮缘上的磁控制开关信号, 单片机测量外部传感器信号, 通过计算得到各状态量, 并进一步得到需要的计算值。硬件电路为模块化设计, 按照不同的功能将电路分成各个模块, 软件调试时对各模块分开编程。考虑到装置的运行环境, 硬件电路和软件编程中设计了相应的抗干扰部分, 以最大限度的增强装置运行的稳定性。经单片机处理后, 换算成机车速度、里程。随机机车速度信号与人工设定的最高限速比较后, 可显示节段运行信号和超速报警信号, 同时可控制机车行驶状态。经霍尔元件可监测整机的工作电流和累计电量。经温度传感器可测量机车周围的环境温度。经分压电阻可测量机车的电源电压。

3

工作原理方框图 (如图1-1)

4 系统要求

4.1《煤矿安全规程》规定:“列车运行速度不得超过4米/秒”。

4.2 考虑到煤矿井下环境潮湿, 特别是夏季轨道面黏着系数更低很容易打滑, 这样列车制动后仍留有一定的缓冲距离, 因此本仪表具有超速刹车功能, 进而避免因超速造成制动距离加大事故, 又不影响到其它车辆, 保证了灵敏度和可靠性。

5 多功能仪表发挥性能

该测速表能实现耗电量及里程累计功能, 能随时查询机车每天运行里程及耗电量, 便于检查人员计算机车运输效率, 查询每台机车发挥性能为多少?这样便于架线电机车与矿用变频机车耗电量比较, 对于煤矿用户可靠数据证明, 该装置能对机车超速时进行报警及紧急刹车, 避免由于机车超速行驶造成运输事故, 进而提高机车运输稳定性。

该仪表测量电动机温度、电流和电压, 进而提高机车转子使用寿命, 防止因机车过热、过压、过电流等方面因素造成机车绝缘损坏或线圈烧坏使电机车转子烧坏。

6 多功能仪表安装及使用方法

该仪表必须将霍尔元件接到电动机干线电缆上。同时速度传感器应固定在轮对上且应尽量固定在车轮外缘上, 进而减少机车速度测量误差 (同时使用电缆必须使用屏蔽电缆, 防止外界电信号干扰) 。同时该仪表本身自带一块电池, 在安装时, 必须时刻保证电池处于充电状态。安装分压电阻时, 必须固定在一个安全位置。

该仪表测量范围为:电压范围为:DC0-1000V, 测量电流范围为:DC0-400A;测量速度范围为:0-30km/h, 里程显示范围为:0-9999Km;耗电量显示范围为:0-99999KW;温度显示范围为:-55℃±125℃该仪表主要包括四大功能键: (1) 显示查询键; (2) 速度记忆查询键; (3) 调整功能菜单键; (4) 翻页键。

6.1 显示查询键:

主要作用是转换显示电压、电流、速度、里程、温度、耗电量、时间等主要信息的查询。其次起到返回作用。

6.2 速度记忆键:

查询当前10分钟的速度, 按加、减键翻页, 按查询键返回主目录。

6.3 调整键:

进行时间日期设置, 按此键括号移动调整项, 按加减键进行调整, 按查询键返回主目录。

6.4 加、减键:

按加、减键进行功能设置, 按加、减上下翻页显示, 按查询键返回主目录。

使用多功能仪表注意事项:⑴对轮矩设定, 按速度记忆键调整轮矩设定数, 按调整键括号取消, 并且保存数据。⑵对里程、耗电量清零设定, 按速度记忆键清零数据, 按查询键返回主菜单, 防止因误操作造成数据清零。

结束语

电机车智能测速仪表装置的应用, 方便了煤矿对电机车的有效管理和监督, 对煤矿的安全生产起到了极大的提升和促进作用, 具有很强的现实应用价值。

摘要：为了降低井下电机车因超速行驶而造成事故, 因此为保证机车的正常行驶, 设计了用于多种显示功能的液晶显示仪表.该仪表记录仅由805l单片机控制, 外接适当的接口电路, 可随时显示电机车的电机车的电压、工作电流、行驶速度、电机温度、机车耗电量累计和机车记忆10分钟内机车速度的数据, 还可以累加运行路程, 还可实现超速报警及超速刹车;在煤矿架线电机车具有很大开发价值。

关键词：速度,耗电量,里程

参考文献

[1]何立民.单片机高级教程[M].北京航空航天太学出版社.2000.

[2]陈爱萍, 等.矿山架线电机车智能超速报警记录仪的研制[M].湖南工程学院学报.2003.

仪表原理 篇5

液位是各种工业过程中的重要参数之一, 液位测量方法有很多, 按工作原理可分为浮力式、差压式、回波测距式、热导式等等。工艺介质条件以及工况条件不同, 通常液位仪表的选型也不同。随着近年来液位测量技术的发展, 回波测距原理液位仪表的应用越来越广泛, 其中最具有代表性的是超声波液位计和雷达液位计, 在核电厂也逐步有所应用, 所以了解这两类液位计的原理和特点并加以比较, 对核电厂液位测量仪表的正确选型是十分必要的。

1 超声波液位计

1.1 原理

超声波液位计是回波测距原理液位仪表中最早进入工业过程市场的。超声波液位计是利用超声波在液面处反射原理进行液位高度检测, 即应用回波测距原理工作的。超声波探头向液面发射超声波脉冲, 经过一定时间后, 探头接收到从液面反射回来的回声脉冲, 只需知道声速和容器高度, 即可计算得出容器中的液位高度:

H=L-C×Δt/2

式中, C为超声波在空气中传播速度;Δt为超声脉冲来回传播时间;H为被测液位;L为超声波传感器辐射面至罐底零位的距离。

不同的超声波频率适用于不同量程的超声波液位计。一般规律是量程越小, 超声波频率越高;量程越大, 超声波频率越低。这是因为超声波的能量在发射和返回经过的介质中会被衰减, 低频长波的能量相对较大, 能传播更长的空间, 但超声波能量太强, 被测液面会产生大量空化气泡, 导致能量消耗, 反而会降低返回波的能量, 影响测量精度, 所以应根据测量范围的大小选择合适的发射频率和能量。

声波在气体中的传播速度与温度有关, 例如0℃时为331m/s, 而100℃时为387m/s, 为了提高测量的准确度, 仪表自身一般带有温度测量元件和补偿处理功能。

1.2 特点

超声波液位测量的优点:测量与介质不接触, 安装维护方便, 精度高, 能适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量, 应用广泛。

缺点:声速受传播介质的温度、压力影响大, 只能用于低压常压容器或敞开容器的测量, 不能用于密闭高压容器, 也不能用于真空容器。

2 雷达液位计

2.1 原理

目前雷达液位计有两种测量技术:脉冲波技术和调频连续波 (FMCW) 技术。脉冲波测距是通过天线周期性地向被测液面发射微波脉冲, 当接收到被测液面上反射回来的回波后, 测量两者时间差来计算液位, 关系式和超声波液位计类似, 只是传播速度不是超声波速度而是微波速度。调频连续波技术测量液位是用间接方法来测量距离。由于时差很小, 直接测量较难达到高精度, 故采用转换成频率量的方式进行测量。发射一个频率被线性调制的微波连续信号, 频率线性上升, 所接收到的回波信号频率也是线性上升的。两者的频率差将比例于离目标的距离, 以此测得液位。如今随着高精度测时技术的成熟发展, 与FMCW雷达液位计相比成本较低的脉冲式雷达液位计成为主流产品, 尤其对一般的工业过程测量应用来说, 其精度足够满足需求。

2.2 结构及特点

雷达液位计结构上分为两类:天线式和导波式。天线式是用天线来发射与接收微波, 微波在自由空间传播, 在被测液面上反射;导波式是以金属导波体插入被测介质, 微波沿金属导波体传播, 在被测液面上反射。通过天线来发射微波并接收回波, 为非接触式测量, 是雷达液位计的主要形式。

非接触式雷达液位计盲区小, 精度高, 不受压力变化、真空、温度变化、惰性气体、烟尘、蒸汽等环境影响, 安装简便, 适用于温度、压力变化大, 有惰性气体或蒸汽存在的场合。但是对于介电常数较小的介质 (εr<2) 难以测量。但如果安装空间过于狭小, 或罐内结构复杂, 会导致回波复杂, 测量较易受干扰, 精度会大大降低。

导波式雷达液位计采用接触式测量, 仪表传感部分是一个金属导波体 (杆式或柔性缆式) , 安装时从测量罐的顶部伸入, 直达罐底。导波式雷达液位计采用微波的时域反射技术, 测量时微波脉冲沿着导波体向下传播, 在碰到液面时, 由于被测液体介电常数与空气不同, 就会产生反射, 回波被接收。根据微波脉冲的行程时间可以测出液位。

导波式雷达液位计的主要性能与使用范围和天线式雷达液位计大致相同, 它们的主要差别在于天线式雷达的微波是在自由空间传播的, 而导波式雷达液位计的微波是沿导波体传播的。导波式液位计虽然丧失了非接触测量的优点, 但是, 相比于天线式雷达液位计, 对于安装空间较为狭小、罐内结构复杂、液体波动较大、介电常数较小的介质 (εr仍需大于1.4) , 导波式雷达液位计的测量性能更为优越。

3 超声波和雷达液位计的比较及在核电厂的应用

过去核电厂核岛内的液位测量大多采用差压变送器、浮球浮筒液位仪表、磁浮子液位仪表、电容式液位仪表等, 这些仪表均为接触式仪表。而超声波和雷达液位计主要采用非接触的方式液位测量。非接触测量不受容器内液体密度的影响, 能适用于腐蚀性、高粘度、有颗粒杂质等场合的液位测量, 并且安装简单, 维护方便。因而核电厂在某些适用场合可以考虑选用超声波和雷达液位计。每种液位仪表均有其适用范围及局限性, 同为非接触式液位仪表的超声波和雷达液位计也是有较大差别的:

(1) 影响超声波和微波的回波强度的因素有所不同。超声波是机械波, 机械波在传播过程中受到传播介质稳定程度的影响。气浪、粉尘、蒸汽、料流等都会引起空气波动, 降低回波的质量和强度, 影响液位测量效果。雷达微波是电磁波, 电磁波在传播过程中不受传播介质稳定程度的影响, 只与其介电常数有关, 介电常数越稳定就越有利于电磁波传播, 介电常数过小的介质难以测量。当空气中含高介电性的粉末粉尘, 例如铁合金等, 会影响液位测量效果。正由于微波的传播波速几乎不受环境影响, 所以雷达液位计测量精度较超声波液位计更高, 并且可以适应一些超声波技术难以胜任的工况, 如高温、高压、湍流、蒸汽、泡沫、挥发等。对于核电厂来说, 一般容器内不会有高介电性的粉末粉尘, 因此对于测量精度要求较高且存在上述工况的测点, 可考虑选用雷达液位计。以某核电厂安注箱液位测量为例, 安注箱的中压注射主要是用于某种事故工况, 当该事故发生时, 安注箱的硼水在几分钟内就会排空, 其测量精度要求很高, 在满量程的3%范围内, 就有4个报警整定值, 其中最小的整定值间距为满量程的0.5%, 因此要求液位计的测量精度能达到满量程的0.1%, 传统的差压变送器测量的精度要求难以满足, 因此单就精度而言, 该测点可以考虑选用雷达液位计。

(2) 压力的影响和适用范围不同。由于超声波液位计采用机械波传播测距的原理, 声波需要空气作为传播媒介, 所以它只能用于常压下, 不建议用于压力超过0.2MPa的工况, 压力过高时, 传感器的辐射面上会受到很大压力, 此压力会阻碍发射面的振动, 降低传感器的发射效率;也不建议用于-0.03MPa以下的负压, 因为超声波借助媒介传播, 不能在真空中传播, 负压时, 空气减少, 声传播损耗会增大。而雷达液位计最高工作压力可达40MPa, 而且微波可在真空中传播, 所以雷达液位计可用于密封的负压罐内的液位测量。核电厂有较多承压容器, 不能选用超声波液位计, 但可以考虑选用雷达液位计。

(3) 温度的影响和适用范围不同。声波在气体中的传播速度与温度有关, 一般只能在80℃以内使用。虽然超声波液位计在传感器中一般会配置热敏元件, 可测出环境温度进行补偿, 但传感器一般是安装在罐体顶部, 当被测物料温度较高时, 上下会存在温度梯度, 以顶部传感器安装点测到的温度来代表行程的平均温度会带来测量误差。温度对雷达液位计的测量影响极小, 但其适应的温度范围与传感器天线等的材料和密封结构有关, 目前最高可达400℃。核电厂中有较多设计温度较高的液位测量场合, 不宜选用超声波液位计, 可考虑选用雷达液位计。超声波液位计主要在常温常压情况下考虑选用。

(4) 分体式仪表所支持的距离不同。核电厂有些区域的环境是有辐照的, 这是核电站的一个特点, 雷达液位计较超声波液位计, 耐辐照性能略好一些。但由于变送装置中有较多精密电子元器件, 因此当辐照较大时, 无论是超声波液位计还是雷达液位计, 都应考虑采用传感器和变送器分体的仪表。超声波分体安装距离较远, 可达到300m以上, 雷达液位计分体距离很短, 目前来说, 不同厂家支持距离均在10m以内, 后续有些厂家可能会研发更长的分体, 核电厂液位仪表选用时需尤为关注。

(5) 非接触式测量的超声波液位计和天线式雷达液位计均具有一定的发射角, 当容器内结构复杂, 障碍物较多时, 易产生虚假回波, 严重影响测量效果。导波式雷达液位计在该方面具有一定的优势, 因为微波是沿导波杆外侧的小区域传播的, 能量不扩散, 方向性好, 只要在该小范围内没有障碍物, 就不会干扰回波。但导波雷达液位计也牺牲了非接触式液位仪表安装和维护的方便性, 而且由于导波杆会接触介质, 因此需要注意介质粘性、杂质脏污等的影响。核电厂中有些地坑或槽罐内有较多机械构件, 内部结构复杂, 这些液位测量场合可以考虑选用导波雷达液位计。

(6) 雷达液位计不能应用于介电常数较小的介质液位测量。天线式雷达液位计难以测量介电常数εr<2的介质的液位, 导波雷达液位计难以测量介电常数εr<1.4的介质的液位。核电厂有较多工艺介质是除盐水, 选型时, 要特别注意介电常数问题, 慎用雷达液位计, 可优先考虑超声波液位计。

(7) 经济性不同, 超声波液位计的价格比雷达液位计低廉。对于常温常压工况及介质条件较好的液位测量场合, 如果精度能够满足要求, 超声波液位计较雷达液位计在经济性上有优势, 而且应用也已经十分成熟。例如核电厂中一些普通的地坑液位测量和常温差压的储罐, 考虑选用超声波液位计。

4 结语

近年来, 回波测距原理液位测量仪表技术发展迅速, 核电厂也逐步开始采用超声波液位计和雷达液位计。这两类液位计有非接触式测量的优点, 但也有各自的使用局限性。总的来说, 雷达液位计的通用性相对高一些, 而超声波液位计的经济性相对好一些。核电厂液位测量仪表选择时, 需综合考虑衡量各种因素和仪表优缺点, 才能得出较合理的选型。

摘要：介绍回波测距原理液位仪表中最具有代表性的超声波液位计和雷达液位计的工作原理和特点, 并分析在核电厂实际选用时应考虑的各方面因素。

关键词：回波测距,超声波液位计,雷达液位计,核电厂

参考文献

[1]吴幼华.流程工业自动化仪表技术与应用汇编[M].2008

[2]苏菲, 李竞武.微波 (雷达) 液位计的比较与工程选用[J].石油化工自动化, 2009, (4) :19-22

仪表原理 篇6

关键词：热工仪表,检定仪,设计原理,检定方法

便携式热工仪表检定仪又称为检定仪,是一种新型的热工仪表检定装置,主要由我国研制而成。便携式热工仪表的操作非常简便,能够准确地读取数据,且体积小、方便携带,提升了检定的效率和质量。内部配备了相应的电势正负转换开关,方便了修理与零位检定。

1 A/D转换器的双积分式工作原理

双积分式A/D转换器的使用主要是利用自身双积分式,把需要检测的电压变成一个时间间隔,然后通过A/D转换器的双积分式将持续时间和需要检测的电压平均值形成正比例。一旦使用的计数器测量时间间隔,就能够在显示器上直接读取被测电压的平均值。在输入电路中输入被测电压Ux作用于电子开关,然后利用控制器让电子开关连接Ux端,借助积分器对Ux端进行采集,读取Ux积分。逻辑控制电路将采样指令发出以后,将采样时间T1变成固定值,同时,通过控制器将门开启,时钟脉冲经过检定仪的计数器后,读取时钟脉冲信息数据,并作好记录。一旦计数器计满,脉冲输出溢出来后就会通过控制器,对标准电压UR进行反向积分。如果积分器输出数值回到0电平时,检零比较器的输出信号就会通过控制器将门关闭,这时时钟脉冲计时数据就会形成被测电压的数字量。另外,为了有效解决便携式热工仪表检定仪末尾数字跳字与稳定性的问题,使用高质量积分电容和高精度电阻对变压器进行初、次级屏蔽,实现模拟、数字化的分离,然后将RC滤波器安装在信号输入端上,并使用带有静电屏蔽仪器外科屏蔽整个电子线路,为便携式热工仪表检定仪测量精度的稳定性提供保障。

2 示值误差检定方法

2.1 具体方法

从原理角度来分析,便携式热工仪表检定仪是一种常用的电子式仪表,具有自身特殊性,所以可按照直流数字电压表的检定规程来检定。直流数字电压表的误差检定方法一般直流标准电压发生器法、标准仪和比较法等。所以,在检定过程中,可根据相关的标准设备与被检仪器级别来选取符合的检定方法。

基于上述设计原理和准确度为0.05级可知,在检定过程中,可选择使用直流标准仪器法来测量示值误差。其工作原理主要是通过直流电位差计UJ51与被检检定仪表对同一个电压进行测量,然后根据获得的数据对实际值进行测量,以此检定示值误差。由于检定仪所需要的电阻率较高,所以,可以使用直流电位差计对检定仪进行检定,此时直流电位差计相当于直流标准电压源,从电压源中的电压端输入标准电压信号,再进行检定。如果直流电位差计输入标准电压UN后,可使用读取盘来读取数据信息,当被检检定仪读取数据显示为Ux时,便携式热工仪表检定仪按照检定规程计算,其基本误差为:

式(1)中:Ux为检定仪显示值;Um为满刻度值;a为级别精确度;b为与满刻度值相关的误差系数。

在检定过程中,必须注意以下事项:①必须使用0.01以上准确度较低的电势直流电位差计,方便检定仪测量上限小于使用的直流电位差计对上限进行检定,确保直流电位差计第一个十进盘中数据信息大于0示值。同时,测量盘的最小步进值低于检定仪的灵敏度,为检定提供保障。②检定之前,必须做好预热调零的准备工作。③在检定过程中,如果直流电位差计检流计灵敏度较低,可适当放置放大器,以此提升直流电位差计检流计的灵敏度。④及时检查设备的屏蔽和接地措施是否完善,防止受到共模和串模的干扰,排除泄露电流的影响因素。⑤在各个量程中均匀选择10个检定点检定示值误差,确保上升下降测量各1次。

2.2 实例分析

以Pt100型智能数显调节仪为例,测量点温度300℃,精度为±0.5%FS,对测量结果的误差不确定度进行分析。数学建模为:

式(2)中:Δt阻为仪表绝对误差值;t1阻为仪表的实际显示值;t2阻为标准器实际显示值。

灵敏度系数公式为:

在公式(3)中,cl阻=ə△/ət1阻=1,c2阻=ə△/ət2阻=-1.

由于被测表为数字显示测量仪器,经过计算,u1阻≈0.037℃,Pt100型热电阻时准确度为0.1℃,测温探头对环境温度准确度为0.2℃,呈均匀分布,则u2阻不确定度在0.058~0.115℃之间。以t2阻的标准对u2阻的不确定度进行评定,u2阻≈0.13℃。

通过上述计算可知,以便携式校验仪器作为标准器,检测Pt100型智能数显调节仪,精度为±0.5%FS。当测量点环境温度为300℃时,测量误差结果不确定度为0.13℃。因此,校准环境条件是对热工仪表校准影响较大的因素。在检定仪工作过程中,需对环境温度进行调控,尽量将误差值缩小在最小范围内。

3 结束语

综上,便携式热工仪表检定仪是一种新型的热工仪表检定装置,通过对其设计原理和示值误差检定方法进行分析,必须从多个科学角度出发,使用先进设备完善检定仪,以此提升检定仪的精确度,让便携式热工仪表检定仪在计量检定与工业生产中充分发挥自身的优势。

参考文献

[1]魏东.数字式测温仪表检定仪的设计原理及检测方法[J].工业计量,2010,20(5):39-41,44.