液位测量系统设计

液位测量系统设计专业：自动化班级：自控1202学号：***************目录摘要： (3)关键词： (3)一、液位检测方法简介 (3)简述各种液位计的特点 (5)1 超声波液位计|物位计 (5)2 静压液位计 (6)3 雷达液位计 (6)4 磁致伸缩液位计 (6)5 差压式液位计|物位计 (6)6 磁翻板或磁翻柱液位计 (7)7 伺服式液位计 (7)8 电容式液位计 (7)9 射频导纳液位计 (7)10 浮筒液位计 (8)11 钢带液位计 (8)12 静磁栅液位计 (8)几种常见液位计性能比较 (9)二、液位测量系统设计 (10)2.1液位测量原理 (10)2.2补偿设计 (11)2.3测量系统结构 (12)2.4误差分析 (13)三、总结 (14)四、参考文献 (14)实验设计摘要：设计一套液位测量系统，要求测量范围0~2000mm，系统测量精度0.1%。

利用单片机加以控制，挡板补偿方法减小误差，提高传播时间的测量准确度来提高精度。

关键词：液位检测、超声波一、液位检测方法简介常用于测量液位的液位计有连通器式、吹泡式、差压式、电容式等，测量物位的有超声波物位计和放射性物位计等。

其测量原理和特点如下：1、连通器式就是应用最普通的玻璃液位计。

它的特点是结构简单、价廉、直观，适于现场使用，但易破损，内表面沾污，造成读数困难，不便于远传和调节。

2、浮力式液位计包括恒浮力式和变浮力式两类。

(1)恒浮力式液位计恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简单、价格较低，适于各种贮罐的测量；(2)变浮力式液位计变浮力式亦称沉筒式液位计，当液面不同时，沉筒浸泡于液体内的体积不同，因而所受浮力不同而产生位移，通过机械传动转换为角位移来测量液位。

此类仪表能实现远传和自动调节。

3、吹泡式液位计是应用静压原理测量敞口容器液位。

压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路：①一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；②另一路进入压力计进行指示。

当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。

因此，背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。

吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于测量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。

4、差压式液位计有气相和液相两个取压口。

气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。

这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式液位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。

5、电容式液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。

它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。

两电极间的介质即为液体及其上面的气体。

由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。

反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。

所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。

电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保证液位测量准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。

电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。

6、超声波物位计是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。

此类仪表精度高、反应快，但成本高、维护维修困难，都用于要求测量精度较高的场合。

7、放射形物位计是利用物位的高低对放射形同位素的射线吸收程度不同来测量物位高低的，它的测量范围宽，可用于低温、高温、高压容器中的高粘度、高腐蚀、易燃易爆介质物位的测量。

但此类仪表成本高，使用维护不方便，射线对人体危害性大简述各种液位计的特点1 超声波液位计|物位计由微处理器控制的数字液位|物位仪表，介质几乎不受限制，可以应用于各种液体和固体物料高度的测量的复杂工况，可实现测量值的温度补偿。

非接触的测量，测量精度高，操作简单，界面直观等。

2 静压液位计产品小巧、轻便、灵敏而具有高性能，具有便利的安装和使用方便。

主要应用于城市给排水、水处理厂、水库、河流、海洋、储油罐、装有糊状物的罐及石油、化工、冶金、电力等部门的液位及其它敞开式容器液体的液位测量，被测液体无论是水、油、酸、碱、盐及粘稠性液体，都能高精度地测量。

3 雷达液位计在恶劣条件工作适用范围广，几乎可以测量所有介质。

包括有毒的，腐蚀性介质，固体、液体，粉尘性、浆状介质，都可以进行测量。

测量连续准确,无须维修，可行性强,维护方便，操作简单。

非接触测量，不受温度、压力、气体等的影响。

4 磁致伸缩液位计是利用磁致伸缩原理所开发的测位产品，输出信号为绝对数值，不会对数据接收构成问题，无须重新调整零位。

内部构造是非接触的，不会对传感器造成任何磨损。

输出直接，无须再加装输出接口。

输出精确可靠，传感器坚固耐用，寿命长，无须定期维修或校正。

5 差压式液位计|物位计通过表压信号反映液位高度，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。

为比较成熟的液位测量仪表，测量精度较高，维护量少，需要重视维护；6 磁翻板或磁翻柱液位计就地显示无须电源，显示部分和介质完全隔离，不会因介质污染显示条而使观测受到影响，根据用户需要调节开关点位置，安装捆绑式液位变送器，输出 4～20mA 信号，可实现远距离检测或控制。

维护量小，维修费用低。

7 伺服式液位计主要应用在(无腐蚀性的液体）轻油品的高精度测量中。

基本原理同钢带式液位计，有精确的力传感器以及伺服系统，精度高，能够达到1mm，安装调试比较复杂，接触式液位计，价格高。

8 电容式液位计具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。

能够测量强腐蚀性的液体，如酸、碱、盐、污水等。

9 射频导纳液位计是一种从电容式发展起来的、防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的新型物位控制技术，是电容式物位技术的升级。

10 浮筒液位计根据浮力原理，液位上升时翻柱由白色转为红色，下降时由红色转为白色，从而实现液位指示。

11 钢带液位计是利用力学平衡原理设计制作的，实用性强、测量范围大、精度高性能稳定、使用寿命长、便于维护等优点。

12 静磁栅液位计直接输出绝对液位数据，量程长、分辨度适中、无接触特点，失电后能长时间保存绝对液位数据。

耐冲击、防水、抗油、抗粉尘、抗污染、不怕泡沫、读数直观精确、具有多种输出信号、与车间现有的控制网络联结方便、便于维修置换等性能使其成为液位检测与控制的首选设备。

几种常见液位计性能比较液位计液位测量温度测量密度测量界位测量体积测量质量测量安装情况价格费用钢带误差小重要无法测量无法误差小取决于温度、密度复杂低伺服精度高重要误差大误差小误差小取决于温度、密度简单比较高雷达精度高重要无法测量无法误差小精度高简单高静压误差小不重要误差小无法误差大取决于温度、密度复杂比较高磁致精度高重要无法测量精度高误差小取决于温度、密度复杂高声波精度高不重要无法测量无法误差小取决于温度、密度复杂高液位计轻油原油重油沥青液化气腐蚀性介质浮子钢带好好好差差差伺服好好一般差好差雷达好好好好好好静压好好一般差一般好磁致好好好差好好声波好好好好好好超声波液位计具有精度较高，声波传递稳定，适合场合广泛因此选用超声波液位计测量。

二、液位测量系统设计2.1液位测量原理超声波物位计工作原理是由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波遇到被测物位（物料）表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号.声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比.声波传输距离S与声速C和声传输时间T的关系可用公式表示：S=C×T/2。

即：距离 [m] = 时间×声速/2 [m]设计指标超声波液位计液体量程：0~2000mm精度：±2 mm OR 0.1%供电：24VDC；220VAC超声波液位计显示：清晰的多行文本图解显示、包络线显示外壳材质：塑料透明显示盖超声波液位计典型应用：污水提升泵站、污水处理池、废水、泥浆、石灰浆、地下油罐、流动性好的固体粉料、颗粒料。

2.2补偿设计由于超声波的传播速度会受到传播介质温度、密度的影响，所以在实际测量过程中会有较大的误差。

此时，应设计补偿。

使用温度补偿法时，由于只考虑到温度对超声波速度的影响，没有考虑气体的密度，压强，湿度，气体中的悬浮颗粒等的影响，所以，此种补偿方法只适用于精度要求不高的液位检测系统。

我的补偿方法为实测声速补偿（设置校正具）。

如图所示，在发射探头前安装一块挡板，挡板与探头间的距离为固定值L，当探头发射超声波时，挡板能将一部分超声波反射到探头，探头接收到反射波后，计算发射超声波到接收的时间为t’，则可计算出超声波的实际传播速度：V=2L/t’式中，L为挡板与探头间的距离（固定值）t’为发射超声波到接收的时间2.3测量系统结构超声波换能器发出声波遇到被测物位表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号。

声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。

系统的工作原理：电源电路生成+5V直流电供给单片机使用。

利用传感器进行液位检测，把测得的数据送入数据转换电路，测得的数据就会模拟量变为数字量，然后送入单片机处理，最后由显示电路显示出来，用键盘按键设置液位上限和下限，超过液位或流速的预定值实现自动报警功能，提醒工作人员及时进行处理。

2.4误差分析此系统采用挡板补偿，因此系统误差由测量距离传播的时间误差引起，当计时达到一定精度时，系统就可以满足设计指标。

指标要求测量精度误差小于2mm，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)忽略声速的传播误差。

测距误差t<(0.002/344) ≈0.000005814s 即5.814ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于2mm的误差。

三、总结本次实验利用了超声波测距原理实现了非接触式液位测量系统的设计，采用的补偿设计也有效的减小了超声波速度随温度等变化引起的液位测量误差。

可以说此种液位测量系统性能稳定、精度高、简单方便，可维护性好,能很好的适应工业现场的复杂环境。

但是在设计时，我遇到了很多困难，也查阅了许多资料，关于系统各种电路的设计确实不会，所以，本设计没有提供系统电路的设计。

四、参考文献《自动检测技术与装置》张宏建、黄志尧等《超声波液位测量系统设计》阳华忠、孙传友《超声波测距系统中的误差来源及补偿》张卫东、张圣训《液位自动检测的现状与发展》李丽宏谢克明《百度文库》。