第五章位準量測.ppt

第五章 位準量測 5-1　直接式 5-2　推論式 位準感測器是在製程中量測槽或桶內物體之高度值，若是量測液體的高度時，就是一般人所知道的液體量測。位準之量測方法一般可分成直接式(Direct)或推論式(Inference)兩種。直接式量測法，是使用較久之方法，其結構及原理較為簡單，在一般日常生活中所用到之位準量測（如水塔水位，熱水器水位等）皆屬於此類。然而直接式較不適用於遠方監測之應用，這一方面之應用大多是採用推論式。直接式位準量測的型式如下： 1. 直接式： (1) 浮球式 (2) 玻璃管式 (3) 氣泡式 (4) 重量式 2. 推論式： (1) 電容式 (2) 超音波式 (3) 電極式 (4) 輻射線式 (5) 差壓式 5-1　直接式 直接式位準量測是直接以感測元件，進行位準的量測 5.1.1　浮球式 此種方法主要是用來量測液面高度。一般家庭中所採用之液面控制，大部份是屬於此類。在家庭中使用浮球的場合有水塔水位的控制，以及馬桶水箱水位的控制等。兩者都是以浮球作為液位的量測元件，而輸出則不相同。其中水塔是會控制抽水馬桶的ON或是OFF，而馬桶則是直接轉動水龍頭而作進水之管制。 5.1.2　玻璃管式 利用連通管原理所製成之位準指示設備。 在圖5.2中，由於桶槽是密閉的，因此無法以目視的方法知道液位值，而利用連通管原理在桶槽的側邊加上一個玻璃管，即可由玻璃管的液位高度而知道桶槽的液位高度。平常家中所使用的溫水瓶的水位指示，就是使用這個原理製作的。 在工廠中，由於環境複雜，而且玻璃管有易碎的持點，所以除了加強保護之外，也可以使用磁鐵配合可動之鐵片來作指示。在這種組態中，在玻璃管之內放了一個用磁鐵作成的浮球，而玻璃管改成不透明且不易受損之材質，在管子外面則貼著連續排列之小鐵片，這些小鐵片中與浮球在同一水平線上的那一個會被磁鐵吸引而改變其位置或是顏色，我們就可以利用這個狀況而得知液位值。 5.1.3　氣泡式 此種方法主要是利用背壓之方式量測之。吾人知道水中壓力值之大小正比於水位，即 因此只要量得水位底部之壓力，即可得到位準(h)值。若供應壓力P大於由水位所造成之最大壓力值，則此供應之氣體便會由末端（在水中）洩放出而形成氣泡，而此壓力（背壓）會反映在壓力表上，只要經由適當之轉換便能得到所需之位準值，其示意圖請參閱圖5.3。 5.1.4　重量式位準量測 物件的重量可以由其體積及密度決定，而體積又是由面積乘以高度而得知，因此我們可以由物體的重量，來求出位準值。其計算式子如下： 例1 若某一個水槽其形狀如右圖所示，由圖中可以得知面積A為400cm2(20×20)，而水的密度為1g/cm3，因此若利用重量計而量得水槽內水的重量為5kg 時，則高度約為： 5-2　推論式 5.2.1　電容式(Capacitive) 前面已經討論過電容的構造及原理，在位準量測中，其檢測原理是利用空氣與激源之介電常數不同，以檢測物體位準之方法。其優點是不僅可以量測液位，亦可量測固體之位準。 5.2.2　超音波式(ultrasonic) 1.何謂超音波 物質的振動，經由周圍的空氣，傳送到人耳，振動耳膜，使聽覺神經感受到聲響。當然，人類可感受到的頻率範圍有限。聲音的高音、低音決定於發音物體的振動頻率，聲音的強弱，取決於發音物體的振動振幅。一般人耳可以聽見的頻率範圍約20Hz~20kHz，但依個人體質不同，收聽範圍會有差異，通常我們將超過20kHz的音波稱為超音波(Ultrasonic Wave)，也就是超過人類耳朵可以聽見的音波。超音波傳導的媒體不限於空氣，液體及固體也可以做為傳導媒體，而且超音波也具有折射效果。 2.超音波的應用範圍超音波應用的範圍非常廣泛，大致可分為檢測的應用、與能量的應用。在檢測的應用方面如醫療儀器上正常與非正常細胞的探知或檢測，如公路超速檢測、如水深檢測、金屬探傷……等等。在能量的應用方面如超音波洗淨、超音波振動切削、超音波細胞膜破壞……等等。依不同的需求，製造者不斷的研究開發超音波元件提供使用，因此也不斷擴大應用的範圍，超音波元件的體積和價格也大幅減小，本章之中也只舉常見元件之一來加以說明。 在空氣中對音波作較徹底的研究，將會發現除了距離因素外，尚有其他因素會造成音波的衰減。例如，相對溼度、溫度及發生駐波均是此類控制系統的主要障礙。利用設計複雜的電子電路，我們可以克服大部份的問題。然而此種方式會有裝置製造昂貴、調整不易以及維護困難之缺點。 超音波位準量測最基本的動作原理，是利用音波由音源送出後到接收器收到此音波間的時間差，以測得距離。若音波之速度為Vs，則物體之距離(d)為： d=Vs t 若此位準感測器為反射型，則發射器與接收器是處於同一位置，那麼上述之式子應當除以2（來、回各