干货 | 替换传统测量方式的11种非接触式测量仪表,它们有什么优势?

干货 | 替换传统测量方式的11种非接触式测量仪表,它们有什么优势?
特别策划

本文详细阐述了常见非接触测量技术及相应的测量仪器,并结合实际应用说明了这些非接触测量方法的原理、优缺点、精度及适用范围,帮助仪表人加深对非接触测量技术的理解。

非接触测量方法以光电、电磁、超声波等技术为基础,在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下,即可获取被测物体的各种外表或内在的数据特征。

 

典型的非接触测量方法可分为光学法和非光学法。光学法包括结构光法、激光三角法、激光测距法、干涉测量法和图像分析法等;而非光学法包括声学测量法、磁学测量法、X射线扫描法、电涡流测量法等。本文就自动化仪表常见非接触测量技术进行介绍,帮助仪表人加深对非接触测量技术的理解。

 

01

 

激光测距法

 

激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可以进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。

 

基本原理:激光测距法利用激光的这些特点,将激光信号从发射器发出,照射到物体表面后发生反射,反射后的激光沿基本相同的路径传回给接收装置,检测激光信号从发出到接收所经过的时间或相位的变化,就可以计算出激光测距仪到被测物体间的距离。

相位式激光测距原理

 

激光测距主要分为脉冲测距和相位测距两大类。对于脉冲测距法来说,其系统结构简单,探测距离远,但是传统的测距系统采用直接计数来测量光脉冲往返时间,精度低。相位测距系统结构相对复杂,但是其精度较高,随着光电技术的快速发展,相位激光测距技术得到不断优化和提升,已能满足超短距离和超高精度的测量需求。随着激光测距仪朝着小型化、智能化的方向发展,由于激光测距技术特有的优点,将在各类距离测量领域有越来越广阔的应用前景。

 

常见应用:激光物位计

 

激光物位计,由半导体激光器发射连续或高速脉冲激光束,激光束遇到被测物体表面进行反射,光线返回由激光接收器接收。并精确记录激光自发射到接收之间的时间差,从而确定从激光雷达到被测物之间的距离。

 

优点:

测量光束发散角小、方向性好;

量程大、测距远、盲点最少;

不受介质温度影响,不受温度变化影响;

非插入式测量,非接触测量;

测量速度快,适合变化快的液位及料位测量;

操作简单,可编程测量;

测量精确、高精度适合高要求项目;

分辨率高出一般仪表十倍;

波束角小,适合长距离定位,避免障碍物。

 

缺点:

易受测试波段光源干扰、深色被测物吸收;

价位高。

 

应用场合:液态沥青、聚合反应堆容器(高压)、反应堆容器(真空)、熔融态玻璃、黑色及有色金属、合金聚苯乙烯、尼龙、聚氯乙稀等芯块、滑石粉或石灰粉、矿石、放矿溜井里的废石、湿或干木屑、采矿,化工,制药,造纸,塑料,油气等高风险区域。

 

常见应用:激光气体分析仪

 

半导体激光吸收光谱技术—利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。半导体激光器发射出特定波长激光束(仅被被测气体吸收),穿过被测气体时,激光强度的衰减与被测气体浓度成一定函数关系,因此,通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

 

 

优点:

1、不受背景气体的影响;

2、不受粉尘与视窗污染的影响;

3、自动修正温度,压力对测量的影响。

 

激光气体在线分析仪用来进行连续工业过程和气体排放测量,适合于恶劣工业环境应用,如钢铁各种燃炉、铝业和有色金属、化工、石化、水泥、发电和垃圾焚烧等。

 

02

 

射线穿透技术

 

化工行业的装置设备存在高温、高压、腐蚀性等特殊的环境,常规仪表受到这些装置现场特殊环境的限制,出现安装困难,即使勉强安装,长期的高温影响下,对仪器仪表造成损坏。这种情况下,仪表的选型就会考虑使用放射性料位计来代替常规仪表的使用。

 

射线种类和穿透能力:

1、α射线:实际是氦核2个质子、2个中子、4个质量单位,带2个单位正电荷。一张纸可以挡住,能量传递快。

2、β射线:电子,质量1个电子,带1个单位负电荷。薄的铝片可以挡住。

3、γ射线:电磁波、无静止质量、不点电荷。穿透能力较强,衰减-密度x厚度。 

4、中子:质量-质子,不带电荷。穿透能力与材料有关,轻元素屏蔽效果比较好。

 

化工行业,常选用γ射线,γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现,是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。是波长短于0.01埃的电磁波,有很强的穿透力。

 

常见应用:γ射线料位计

 

γ射线料位计也叫γ射线物位计、γ射线液位计,γ射线与被测物料相互作用所产生的辐射强度的变化,从而连续测量料位的变化

优点:

放射性料位计不受设备的高温、高压等限制,在安装过程中,不与生产设备接触,同时在安装使用过程中,也不影响设备的温度,压强等工艺条件。由于其非接触特性,故而可适应的料仓压力、物料温度值、粉尘状况、粘度、腐蚀性等极端工况,对温度、压力、粉尘、粘度、腐蚀的适应性最高。

 

缺点:

由于γ射线料位计中的放射源主要释放γ射线,可对人体造成一定的辐射伤害,所以在使用过程中,需要严格遵从国家相关标准。其次成本高昂,也是放射性料位计缺点之一。

 

03

 

电磁波测量技术

 

电磁波测距是利用电磁波作为载波,经调制后由一端发射出去,由另一端反射或转送回来 ,测定发射波与回波相隔的时间,以测量距离的方法。

 

常见应用:非接触式雷达物位计

 

按照微波的波形,又可分为脉冲雷达物位计和调频连续波雷达物位计。

 

脉冲雷达物位计通过发射微波脉冲,脉冲以光速(在空气中)传播,在碰到被测介质表面(介电常数必须大于传播介质的介电常数)后,部分微波被反射回来(反射量取决于料面平整度/介电常数大小),被同一天线接收,介质的反射量(率)越大,信号就越强,越好测量;反射量(率)越小,信号就越弱,越容易受干扰。通过准确的识别发射脉冲与接收脉冲的时间间隔△t,可以进一步计算出天线到达被测介质表面的距离D。

 

 

调频连续波雷达物位计用24GHZ作为测量基频(载频),2GHZ为调节频宽,整个扫描时间为7ms,完成一次线性扫描,信号发射后,经过一定的时间延迟后,接收到回波信号。在线性扫频中产生的时间差,与液位距离呈正比例,由于有许多反射波,将所有的回波时间进行快速傅立叶(FFT)变换,将时间信号转换成有一定能量的频谱,比较高和比较陡的视频谱信号为有用信号。

 

 

由于雷达物位计具有测量精准、性能稳定、可靠性高、维护简便、适用范围广等优点,其应用范围非常广泛,涵盖了电力、钢铁、冶金、水泥、石油化工、造纸、食品等行业,适用于粉尘、温度、压力变化大,有惰性气体及蒸汽存在的场合。

 

04

 

红外测量技术

 

红外线与我们所熟悉的太阳能、无线电波一样,是在一定波长范围内的电磁波。光束通过三梭镜后会形成一条由红、黄、橙、绿、青、蓝、紫七色光排成的光谱,这些都是可见光,可见光的波长是0.0004mm—0.001mm的电磁波,红外线的波长是0.3mm—0.0007mm的电磁波,波长比可见光长,位于红光的外侧属于不可见光。

 

生产过程中,红外测温技术在产品质量控制和监测,设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

 

常见应用:非接触红外测温仪

 

非接触红外测温仪,由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统是将目标物体辐射出的红外能量汇聚起来,聚焦在光电探测器上,并转变为相应的电信号,再经过电路运算处理电路后,换算转变为被测目标的线性的温度信号值,以便实现进一步的信号处理及控制。

 

 

优点:

1、能测运动物体的温度;

2、测温范围广,适于高温测量;

3、热惯性小,探测器的响应时间短,测温响应速度快,约2-3s,易于实现快速与动态温度测量。在一些特定的条件下,例如核子辐射场,辐射测温可以进行准确而可靠的测量;

4、测温过程中不破坏被测对象的温度场,不影响原温度场分布。

 

缺点:

1、由于是非接触式。辐射温度计的测量受中间介质的影响较大。特别是在工业现场条件下。周围环境比较恶劣,中间介质对测量结果的影响就更大。在这方面,温度计波长范围的选择是很重要的;

2、它不能直接测得被测对象的真实温度。要得到真实温度,需要进行发射率的修正。而发射率是一个影响因素相当复杂的参数,这就增加了对测量结果进行处理的难度;

3、由于辐射测温的原理复杂,导致温度计结构复杂,价格较高。

 

非接触式测温仪表主要有辐射温度计、光纤辐射温度计等。其中前者又分为全辐射温度计、亮度温度计(光学高温计、光电高温计)和比色温度计。

 

常见应用:非接触在线红外水分测定仪

 

在线水分检测仪指的是在传送带上的物料不断运动,通过近红外光线照射,非接触的测量物料的水分。

 

工作原理:分子结构,像水中的氢-氧键会吸收特定波长的近红外线(特定测量波段1940nm),在特定波长下,所反射回去的近红外线能量和物料中水分子吸收的近红外线能量成反比,根据能量的损失量就能计算出被测物料的含水率。水分子不是静止的:当遇到特定的能量带时,它们会振动。水分子中束缚两个氢原子与氧原子的键会伸展、收缩、或以其它形态扭曲。需要外来的能量引起这些振动。需要的能量遍及整个电磁光谱的特定波段。在整个光谱的不同部位,有一些吸收波段十分强烈,有一些十分微弱。在光谱的近红外部位,该等波段对于水分子特别强烈,同时仪器在发射、过滤和接收能量方面更容易实现。

 

 

常见应用:红外热成像仪

 

红外热成像仪,可以以“面”的形式对目标整体实时成像,使操作者通过屏幕显示的图像色彩和热点追踪显示功能就能初步判断发热情况和故障部位,然后加以后续分析,从而高效率、高准确率地确认问题所在。

 

红外热像仪是通过非接触探测红外热量,并将其转换生成热图像和温度值,进而显示在显示器上,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化,能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。

 

红外成像仪非常易于使用,热成像垂手可得,操作和直观的屏显指南,不需专业培训便可进行准确的测量,只需指向目标,对准焦仪器,它就会自动调整温度范围来显示清晰鲜明的图像。

 

 

05

 

声学测量技术

 

声学测量法主要用于测距,其中超声波测距技术应用比较广泛。为了以超声波为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。要求使用高频声学换能器,来进行超声波的发射和接受。超声波的指向性很强,在固体介质中传播时能量损失小,传播距离远,因此常用于测量距离。

 

基本原理:超声波测距的原理是在已知超声波在某介质中的传播速度的情况下,当超声波脉冲通过介质到达被测面时,会反射回波,通过测量仪器测量发射超声波与接收到回波之间的时间间隔,即可计算出仪器到被测面的距离。

 

特点:利用超声波检测速度快,灵敏度高,仪器体积小,精度也能达到大部分工业应用的要求。传统的声学仪器大部分为模拟信号仪器,精度不高,稳定性和可靠性不尽人意。数字化声学测量技术却可以弥补这些缺点,而且具有容易升级更新、可获得很高的性能指标、存储数据方便等优点,逐步被人使用。

 

常见应用:超声波物位计

 

超声波物位计多用于连续性测量,主要利用声波碰到液面产生反射波的原理,测出从发射波发出到反射波返回整个过程所需要的时间。实际应用中,就是将超声波物位计垂直安装于液体表面,当超声波物位计工作时,会向液面发射一个超声波脉冲,经过一段时间,超声波物位计的传感器就会接到被液面返回的信号,根据超声波物位计发出和接收超声波的时间差,从而计算出液面到传感器的距离,即可计算出液位的具体高度。

 

优点:

1、与激光测距技术相比,有简单和经济的优点;

2、超声技术一般不需要运动部件,所以在安装和维护上又相应比较方便;

3、超声波物位计不仅能定点和连续测位,而且能方便的提供遥测或遥控所需的信号;

4、超声波物位计与放射性测位技术相比,不需要防护。

 

缺点:

1、当超声波传播介质密度发生变化,声速也将发生变化,严重影响测量精度;

2、超声波物位计对温度压力比较敏感,所以一般需要在常温常压下测量;

3、有些物质对超声波有强烈吸收作用,选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。

 

超声波物位计可广泛应用于石油、矿业、发电厂、化工厂、水处理厂、污水处理站、农业用水、环保监测、食品(酿酒业,饮料业、添加剂、食用油、奶制品)、抗洪防汛、水文监测、明渠、空间定位等许多行业。

 

常见应用:声纳式外测液位计

 

一种利用声纳测距原理,“微振动分析”技术从容器外测量液位的仪表,不需要在罐壁上开孔,不用法兰,不动火、不清罐,不接触罐内的液体和气体,可实现在线安装、维护,是一种完全非接触隔离式仪表。

 

优点:

1、稳定可靠:高度精确和可靠的非接触液位测量,无需对不断变化的过程条件(如密度、粘度、酸碱度、介电常数、温度和压力)进行补偿;

2、安全在线安装:无过程连接接口的安装方式无泄漏风险,并允许在内含液体的储罐在线进行安装;

3、维护量小:无活动部件且无需重新标定,最大程度地减少了维护工作;

4、液位测量最理想选择:隔离式非接触技术是剧毒、易燃易爆、高纯度和腐蚀性应用的理想选择。

 

缺点:受介质形态影响,只能测量液态介质,同时动力粘度<30mp.s。

 

常见应用:超声波外测液位开关

 

超声波外测液位开关是一种利用超声波壁内传播衰减原理,结合“变频超声波”技术实现检测的液位开关,采用余振式的工作方式。测量探头吸附在容器外壁,是一种从罐外检测液位的完全非接触隔离式仪表。可广泛适用于各种液体的液位检测。

 

优点:

1、安全:在测量有毒害、有腐蚀、有压力、易燃爆、易挥发、易泄漏的液体时,不使用阀门、连通管、接头,没有漏点,不接触罐内的液体和气体,非常安全。即使在仪表损坏或维修状态下,也绝无引起泄漏、毒害、爆炸的可能;

2、安装、维修方便:安装维修时不动火,不清罐,不影响生产;

3、可靠耐用:传感器和仪表中无机械运动部件,并严格密封,与外界隔离,不会磨损或腐蚀;

4、适用广泛:与被测介质的压力、温度、密度、介电常数、黏度及有无腐蚀性无关。

 

缺点:受介质形态影响,只能测量液态介质。

 

常见应用:外夹式超声波流量计

 

超声波流量计利用超声波在流体的顺流和逆流中不同的传播速度来测量。最常见的有时差法、速差法和频差法。超声波流量计具有非接触式测量、低压损、测量范围宽等优点,已经被广泛用于石油化工等行业的流量计量,特别适用于大口径管道、非导电性流量测量。

 

外夹式超声流量计可从以下角度分类:

第一,根据基本原理,外夹式超声波流量计可分为时差法、声循环法、相位差法、相关法、波距法、多普勒法等。

第二,根据超声波探针的安装方法,可以根据外部耦合和插入、插入和测量管段的存在与否来区分外部夹钳超声波流量计。

第三,外夹式超声波流量计可根据通道数分为多通道和单声道类型。

第四,根据性能特征,超声波可以将外部钳位超声波流量计分为便携式、固定式、标准型和低温防水型。

 

优点:

1、外夹式超声波流量计可以实现非接触测流量,即使是插入式或内贴式超声波流量计,其压损也几乎为零,其测流量的方便性与经济性是最佳的。
2、超声波流量计水、气、油各种介质都可以测量,其应用的领域十分广阔。
3、超声波流量计的制造成本几乎和口径无关,在大口径流量计量场合有着价格合理,安装使用方便的综合竞争优势。
4、便携式超声波流量计可以实现一台流量计在各种管径,各种材质的管线上测流量,是作为标准表进行在线校准、比对或期间核查的首选流量计类型。
5、超声波流量计具有其测流原理基于长度与时间两个基本物理量的溯源方便性,可以预见它必将超越其它原理的流量计成为流量标准甚至是流量基准的载体。
6、超声波流量计运行能耗极小,可方便地实现长年电池供电,加之先进的智能化主机可方便地进行网络无线通信,其应用前景更加广阔。

 

缺点:

1、由于被测液体的温度受超声波探头与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,以及高温下被测液体传声速度的原始数据不全影响。目前一般国产的超声波流量计只能用于测量200 ℃以下的流体。

2、超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。

3、测量精度不够高。目前进口的超声波流量计准确度等级在0.5 级左右。而国产的超声波流量计准确度等级一般在1级或者更低些,不能够完全满足检测要求。超声波流量计受外界条件的影响比较大。比如测量管道附近有高电场、磁场等都会对超声波流量计测量有影响。

 

经过几十年来的发展,非接触测量技术得到了长足的提高,随着安全要求的提升,非接触测量技术将会得到越来越多的普及和应用。

 

 

 

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