料位计种类及实际应用
仪控一班：丁伟宁
主要内容
一． 概述 二． 电容式液位测量 三． 超声波物位测量 四． 雷达物位测量 五． 射频导纳式料位计
概述
什么叫物位
在热工检测中，我们常把开口容器或密封 容器中液体介质液面的高低称为液位；把两种
液体介质分界面的高低称为界面；把固体粉状
或颗料物在容器中堆积的高度称为料位。而物
计数法测时
发射脉冲 接收脉冲 计数时钟 N个 t
1 H vt 2
若计数时钟频率为f，从发射脉冲瞬间触发计数到接 收脉冲瞬间停止计数，共有N个计数脉冲，
则传播时间t为
N t f
1 vt v 由 H vt 得 H 2 2 2f
其中 Δt－计数脉冲周期 f－计数脉冲频率
ΔH－液位分辨率 电磁波速度（即光速）v 3 108 m/s， ΔH＝1.5 mm
电容式物位计
导电介质用电容式物位计

结构： 两个同轴圆筒电极组成 的电容器。
当液位高度为0时，传感器电容量 C0为
电容式物位计
导电介质用电容式物位计
原理：基于圆筒形电容器的电
容值随物位而变化。
当液位变化，园筒形电极一部份被物
料浸没，浸没深度H， 极板间存在两 种介质的介电常数ε 1 (原设有中间介 质介电常数)、ε 2 (被测物料的介电 常数) ,将引起电容量的变化CH。
面是不平的,难以确定料位高度。
物料进出时，又存在着滞留区（由于容器
结构而使不易流动的死角处，叫做滞留区
），影响 到物位最低位置的测准。
储仓或料斗中，物料内部可能存在大的孔
隙，或粉料之中存在小的间隙，前者影响
概述
对物料储量的计算，而后者则在振动或力、
湿度变化时物位也随之变化。
界位测量中最常见的问题
计数脉冲频率为
f 10 Hz 100GHz
11
t 10
11
s 10 ps
而当前集成电路的运算速度为几十MHz，相差 几个数量级，必须另寻出路！
等效时间采样法测时 原理
被测信号是周期为T的周期性信号，采样周期为 T+Δt，每周期只采一个瞬时值，等效采样周期为Δt。 周期性重复的高频信号均可采用此方法，降低采样频 率。
采样 信号0 重组 波形0
4T1+Δt 真实值 4293.05Δt 4294Δt 4293Δt
t t
Δt
需时 t 125000 ps 4 4294 2.16ms
n=4293
进行测量。
超声波物位测量
测量原理
基本测量方法
高出最高 液位
声波遇到两相界面时会 发生反射 测量盲区约1m 单探头气介式
气介声速
超声波物位测量
测量方法
设置声速校正具方法
声波在介质中的传播速度与介质的密度 有关，而密度是温度和压力的函数
v——ρ ——（P,T）
eg.空气
V0℃ = 331 m/s；V100 ℃= 387 m/s
说明： C
C C x C x 0 电容增量 C2 K ，当C C x 0时，K为常数 (C1 C2 )(C3 C x 0 C )
电容式物位计
导电介质用电容式物位计 特点 电容式物位计一般不受真空、压力、温度 等环境条件的影响；安装方便，结构牢固，易 维修；价格较低。 但是不适合于以下介质：如介质的介电常 数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积 或附着、介质中有气泡产生等情况。
Ri R 2 1， R r
电容式物位计
导电介质用电容式物位计
检测电路： 电容式物位计主要由电极（敏感元件）和电容检测电路 组成，由于电容变化量小，因此准确检测电容量是物位检 测的关键。 常见的电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电 路法。可以输出标准电流信号，实现远距离传送。
概述
液位测量的工艺特点

液面是一个规则的表面，但当物料流进、流出 时，会有波浪，或者在生产过程中出现沸腾或 起泡沫的现象。 大型容器中常会出现液体各处温度、密度和粘 度等物理量不均匀的现象。 容器中常会有高温、高压，或液体粘度很大， 或含有大量杂质、悬浮物等。


概述
料位测量的工艺特点
物料自然堆积时，有堆积倾斜角，因此料
电容式物位计
非导电介质用电容式物位计
2π( 0 ) H C C C0 Ki H ln(D / d )
若被测介质是粘性非导电
液体，其测量结果也会受 到虚假液位的影响，但一
般很小，可以忽略。
电容式物位计
固体物料用电容式物位计
因为固体摩擦较大，容易“滞留”，所以一般不用双 层式电极。对于非导电固体料位，可采用以电极棒和 容器壁为两电极、以被测物料作为电介质的电容器来 测量。如果容器为圆筒形，电容变化量为
等效时间采样法在时间量检测中的应用
发射 脉冲 0 回波 接收 0 采样 信号0 重组 波形0
tD
T
t tD tD 2Δt tD 3Δt tD 4Δt tD 5Δ t tD t Δt T+Δt 6Δt
t
Δt
5 Δ t 6Δ t
t
Δt（最小分辨时间）为发射与采样信号周期差值，又称 等效采样周期，只要满足两信号周期之差为Δt<10ps。
举例： 发射时钟
f1 8.000156MHz 8.000156 10 Hz
6
采样时钟 f2 8.000000MHz 8 106 Hz 相应的， T1 124997.6 ps
T2 125000 ps
t0 T2 T1 2.4 ps
前已述，分辨ΔH=1.5mm液位，等效采样周期Δt<10ps
故，若实测距离 hD＝6.182m
t 4t 0 9.6 ps
第n个采样脉冲可测到反射波，求n？
t 9.6 ps
hD 6.182m
2hD 2 6.182 tD 41213 .3 ps 8 v 3 10
t D nt
t D 41213 .3 n 4293 .05 t 9.6
是界面位置不明显，浑浊 段的存在也影响 测准。
概述
物位测量仪表的分类 按其工作原理可分为以下几种： 电容式：物位测量仪表
超声波：式物位测量仪表 雷达波：式物位测量仪表
射频导纳：料位测量仪表
电容式物位计
电容物位计：将物位的变化转换成电容量的变 化来进行物位测量的仪表。 组成：传感器、电容检测两大部分。 电容式物位计适用于各种导电、非导电液 体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示 ，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实 现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于 它的结构简单，没有可动部分，因此应用范围 较广。
若取n=4294，则发射接收4294次完成测量， 用计数器计数n，即可测出tD，进而求出hD。
发射 脉冲 0 回波 接收 0
4T1
f1=8.000156MHz T1 124997.6 ps Δt=9.6ps t t
Δt 2Δt 4292Δt 4293Δt 4294Δt
tD
T2 125000 ps f2=8.000000MHz
电容式物位计
导电介质用电容式物位计
电容式物位计
导电介质用电容式物位计
液位由0增加到H，传感器电容变化量△C为：
' H 2H 2 0 2H C D D0 D ln ln ln d d d
D0>>D，且ε ＞ε 0′
D C ln d H 2
电容式物位计
导电介质用电容式物位计 实现形式： ①测量导电液体液位时： 等效电路如图。
用于液体、颗粒及浆料物位的 连续非接触测量。 测量不受介质变化、温度变化、
惰性气体及蒸汽的影响； 喇叭式天线，频率6 GHz；
量程20 m，精度±3mm； 两线制，HART协议；
西门子SITRANS LR400 雷达液位计
适于测量高粉尘固体物料 和低介电常数液体物位。 连续波调频工作方式；
工作频率24 GHz； 量程50 m，精度±60 mm；
注意：
电容量的检测一般须用交流电源，电源频率高，有利于 比较容抗间的差别，但若频率过高，寄生电容影响大，反 而不利于检测。 以单臂桥式电路为例：
电容式物位计
导电介质用电容式物位计 检测电路： 交 流 如图：
C2 C3 C1 Cx
uo
C x为电容检测元件，设当C x C x0时，有C1 C3＝C2 C x0 1 1 U U j C 3 jC2 则电桥平衡，输出电压 U 0 1 1 1 1 jC1 j C 2 j C3 j C x C2 C U K C U C1 C2 C3 C x 0 C
超声波物位测量
带有声速校正杆的超声波液位计 t0
t
2h0 t0 v
h0 h
2h t v
t h h0 t0
雷达物位测量
测量原理
发射接收高频电磁波，原理类似于超声液位 计。电磁波，波速与空气温度、湿度等无关。
H
1 H vt 2
H
导 波 管
雷达液位计
导波雷达液位计
德国E+H FMR230 雷达液位计
电容式物位计
射频导纳液位计
(去除挂料影响的电容式液位传感器)
电容式物位计
射频导纳液位计
1 挂料的等效阻抗为： Z Rg jCg 通过分析传输电流的波动方程， 得（射频导纳定理）：
1 Rg C g
电容式物位计
射频导纳液位计
1 Rg C g
当： t 2k (k 1,2,....n) 4
2π( 0 ) H C C C0 Ki H ln(D / d )