液位傳感器

液位傳感器的寫(xiě)法

液位傳感器介紹

靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測(cè)量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。4～20mA、0～5v、0～10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。

利用流體靜力學(xué)原理測(cè)量液位，是壓力傳感器的一項(xiàng)重要應(yīng)用。采用特種的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專(zhuān)門(mén)的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考?jí)毫η慌c環(huán)境壓力相通，從而保證了測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性。

是針對(duì)化工工業(yè)中強(qiáng)腐蝕性的酸性液體而特制，殼體采用聚四氟乙烯材料制成，采用特種氟膠電纜及專(zhuān)門(mén)的密封技術(shù)進(jìn)行電氣連接，既保證了傳感器的水密性、耐腐蝕性，又使得參考?jí)毫η慌c環(huán)境壓力相通，從而保證了測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)

液位傳感器，它包括浮子(1)、磁鐵(2)、支架(3)、線性輸出的霍爾元件傳感器(4)、放大電路，霍爾元件傳感器(4)設(shè)置在支架(3)的上部，磁鐵(2)設(shè)置在霍爾元件傳感器(4)的下方，磁鐵(2)與浮子(1)連接；霍爾元件傳感器(4)的輸出端通過(guò)放大電路與顯示儀表的輸入端連接?；魻栐鞲衅鳛榫€性輸出的霍爾元件傳感器，因此，該液位傳感器輸出變化的線性度好，測(cè)量精度和分辨率高。

原理

用靜壓測(cè)量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為：Ρ=ρ.g.H+Po式中：

P：變送器迎液面所受壓力

ρ：被測(cè)液體密度

g：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/P>

Po：液面上大氣壓

H：變送器投入液體的深度

同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，

使傳感器測(cè)得壓力為：ρ.g.H，顯然,通過(guò)測(cè)取壓力P，可以得到液位深度。

功能特點(diǎn)：

◆穩(wěn)定性好，滿度、零位長(zhǎng)期穩(wěn)定性可達(dá)0.１[%]FS/年。在補(bǔ)償溫度0～70℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于0.１[%]FS，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于0.３[%]FS。

◆具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會(huì)損壞變送器，異常時(shí)送器會(huì)自動(dòng)限流在35MA以內(nèi)。

◆固態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件，高可靠性，使用壽命長(zhǎng)。

◆安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用。

主要技術(shù)參數(shù)：

工藝：擴(kuò)散硅陶瓷電容藍(lán)寶石電容任選。分體式一體式可選，量程：0－－-0.5－－-200米，輸出:4－－-20mA（2線制）供電：7.5－－-36VDC推薦24VDCCBM-2100/CBM-2700投入式靜壓液位計(jì)可靠防腐并帶有陶瓷測(cè)量單元的探頭，用于凈水、污水及鹽水的物位測(cè)量。

產(chǎn)品比較

1.雷達(dá)液位傳感器

原理：D=L-CT/2雷達(dá)液位計(jì)采用發(fā)射-反射-接收的工作模式。雷達(dá)液位計(jì)的天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測(cè)對(duì)象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到液面的距離成正比。

該類(lèi)型傳感器一般誤差在2mm左右，測(cè)量范圍一般是0.5m-20m，由于其非接觸的測(cè)量原理相對(duì)磁尺來(lái)說(shuō)對(duì)背測(cè)介質(zhì)范圍就比較廣，液體，固體（物位）都可以。缺點(diǎn)主要是精度不夠高，在短量程方面有暗區(qū)，由于電磁波不能受到干擾，安裝時(shí)應(yīng)避免障礙物，同時(shí)也應(yīng)避免溫度等因數(shù)對(duì)電磁波的影響。另外在界面方面，特別是密度相差不是很大界面方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如磁尺方便準(zhǔn)確。

2.超聲波液位傳感器

原理與雷達(dá)液位計(jì)相同，只是相對(duì)雷達(dá)的電磁波，超聲波液位傳感器

是利用空氣的聲納原理，發(fā)射和接受的是一種超聲波。從性能上來(lái)說(shuō)，超聲波比雷達(dá)具有更穩(wěn)定的性能。

3.浮球式液位（界面）傳感器

此類(lèi)傳感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。當(dāng)浮子隨著液位（界面）上下浮動(dòng)，浮子內(nèi)永磁體的磁力作用于導(dǎo)管內(nèi)的干簧管，使相應(yīng)高度的干簧管閉合，得到正比于液位的電壓信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4~20mA.DC的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

磁浮子傳感器的特點(diǎn)就是精度不高，某廠家產(chǎn)品的一組數(shù)據(jù)為：測(cè)量范圍L,當(dāng)5001000時(shí)，精度為1.5[[%]]，當(dāng)L>1000時(shí)，精度為1.0[[%]].測(cè)量范圍主要集中在4m以下。相對(duì)來(lái)講，在界面測(cè)量方面有很穩(wěn)定的性能。

4.磁翻板式液位計(jì)

磁翻板式液位計(jì)是以磁性浮子為感應(yīng)元件，并通過(guò)磁性浮子與顯示色條中磁性體的耦合作用，反映被測(cè)液位或界面的測(cè)量?jī)x表。磁浮子式液位計(jì)和被測(cè)容器形成連通器，保證被測(cè)量容器與測(cè)量管體間的液位相等。當(dāng)液位計(jì)測(cè)量管中的浮子隨被測(cè)液位變化時(shí)，浮子中的磁性體與顯示條上顯示色標(biāo)中的磁性體作用，使其翻轉(zhuǎn)，紅色表示有液，白色表示無(wú)液，以達(dá)到就地準(zhǔn)確顯示液位的目的。

此類(lèi)傳感器具有顯示直觀醒目、不需電源，安裝方便可靠，維護(hù)量小，維修費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，是玻璃管、玻璃板液位計(jì)的升級(jí)換代產(chǎn)品。但測(cè)量精度不高，一般廠家標(biāo)稱(chēng)的誤差都在10mm到20mm之間。如果需要把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳還需要加一個(gè)相應(yīng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳變送器，如右圖下部所示。

值得一提的是，由于該傳感器中浮球與磁尺類(lèi)似，所以該傳感器能和磁尺配合使用。這樣，磁翻板就起到現(xiàn)場(chǎng)顯示作用，而磁尺則起到變送遠(yuǎn)傳的功能。而且通過(guò)磁致伸縮原理將其轉(zhuǎn)換成高精度的電信號(hào)，而且信號(hào)類(lèi)型豐富。而一般的遠(yuǎn)傳變送器的原理是將開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量的輸出。

對(duì)于浮子和磁翻板兩種傳感器，在業(yè)內(nèi)對(duì)其兩者的名稱(chēng)容易混淆，因?yàn)槎际怯幸粋€(gè)磁性浮子，所以很多時(shí)候都被稱(chēng)之為磁浮子液位計(jì)，實(shí)際溝通時(shí)需要具體確認(rèn)。凡此兩類(lèi)傳感器主要特點(diǎn)就是精度不高，同時(shí)由于磁性原理也需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)注意一些干擾。

5.電容式液位傳感器

原理：把一根涂有絕緣層的金屬棒，插入裝有導(dǎo)電介質(zhì)的金屬容器中，在金屬棒和容器壁間形成電容，其物位變化量△H與電容變化量△CX關(guān)系如下：

式中：Co為容器液體放空時(shí)，金屬棒對(duì)容器壁的分布電容；

ε為容器液體介電常數(shù)；

H為液位高度；

D2為絕緣套管的直徑；

D1為金屬棒的直徑

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)物位變化時(shí)，傳感器電容量發(fā)生相應(yīng)變化，電容量的變體△Cx通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與物位成比例的直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

此類(lèi)傳感器由于其原理決定，實(shí)際中根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電屬性來(lái)選擇各種不同的測(cè)量探頭。電容式原理的精度一般都能達(dá)到0.5[[%]]左右，測(cè)量范圍在0.2m--20m之間。由于電容原理的一些特殊性，相比磁尺來(lái)講在穩(wěn)定性方面還是有一定的距離。

信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在變送器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，常常會(huì)遇到所需的變送器的輸出與已有的變送器的輸出不同，或用戶已有的變送器的輸出不能滿足新的需求，這就需要改變變送器原來(lái)的輸出。為了滿足多種客戶的需求，就需有多種輸出的變送器。例如：作為二型表，標(biāo)準(zhǔn)輸出多為0～10mA,或0～10V，而目前應(yīng)用的三型表，卻是4～20mA或1～5V的，它們之間如何變換，是我們必須解決的問(wèn)題。

1變送器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

1.1溫度漂移的處理

---傳感器的溫度漂移可分為零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。零點(diǎn)溫漂即傳感器不受壓時(shí)的輸出由溫度變化引起的漂移，在傳感器的應(yīng)用中，經(jīng)常用恒流供電，零點(diǎn)及其溫漂的補(bǔ)償方法可用電阻串并聯(lián)法，采用圖1所示的電路可有效的解決零點(diǎn)溫漂問(wèn)題。

---恒流供電橋路的傳感器，其靈敏度溫度補(bǔ)償通常采用的電路如圖2所示。其中R的網(wǎng)路中Rt為溫度系數(shù)與靈敏度溫漂同向的熱敏電阻，Rs、Rp、Rz為溫度系數(shù)可忽略的電阻，用來(lái)調(diào)整Rt的溫度系數(shù)。經(jīng)上述零點(diǎn)和靈敏度的溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)即可視為在一定的溫度范圍內(nèi)與溫度變化無(wú)關(guān)。

1.2放大及非線性的處理

---任何力敏傳感器的非線性都有大小、正負(fù)之分，信號(hào)的處理和傳輸時(shí)要進(jìn)行線性化處理，使得到的信號(hào)與液位成線性關(guān)系。線性化電路就是根據(jù)非線性的大小和正負(fù)來(lái)設(shè)計(jì)的，線性化可以在信號(hào)處理的不同階段來(lái)進(jìn)行，有的在模擬信號(hào)階段進(jìn)行，有的在數(shù)字信號(hào)階段進(jìn)行。

---在圖3的電路中，12腳與6腳連接后調(diào)整電阻R8，可以調(diào)節(jié)正非線性;12腳與1腳連接后調(diào)整電阻R8，可以調(diào)節(jié)負(fù)非線性。

---對(duì)于一般應(yīng)用要求的精度(±0.5[%]FS0)，在適當(dāng)?shù)牧砍谭秶鷥?nèi)，使用簡(jiǎn)單的正負(fù)反饋的修正就足夠了;小量程的傳感器應(yīng)用到大量程中，非線性會(huì)增大，有時(shí)用簡(jiǎn)單的正負(fù)反饋修正進(jìn)行線性化比較困難，使用數(shù)字線性化方法，也可以采用多點(diǎn)修正方法。

---對(duì)于輸出信號(hào)很小，甚至只有幾mV的傳感器在制作4～20mA液位變送器時(shí)，可以使用性能優(yōu)良的儀表放大器，如INA118，對(duì)溫度補(bǔ)償、線性化、放大以及輸出全面考慮，設(shè)計(jì)出滿足需求的液位變送器電路。

---也可以應(yīng)用變送器電路塊，如xTR106，這是美國(guó)BB公司的產(chǎn)品。具體電路如圖3所示，用該電路組裝的變送器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，各方面的性能都很好，其中用Wl調(diào)零點(diǎn)，W2調(diào)量程，R3調(diào)靈敏度溫漂，R8調(diào)線性。

2變送器輸出的變換

2.14～20mA變換為0～5V

---利用OP295放大器的變換電路

---OP295為雙運(yùn)放電路，噪聲低，精度高，可輸入和輸出正負(fù)信號(hào)。單電源工作3～36V，低失調(diào)電壓300μV，高開(kāi)環(huán)增益1000V/mV，每個(gè)放大器的電源電流為150μA，輸出電流±18mA，工作溫度-40～125℃。是一種很好的放大器。

---用OP295放大器構(gòu)成的4～20mA變換為0～5V的原理圖如圖4所示。其中R1為取樣電阻，W1和W2分別為調(diào)零位和滿位的電位器，二極管組用于共模調(diào)整，8V電壓可用LM317得到。該電路組裝調(diào)試便捷，精度高。

---利用BB公司的RCV420的變換電路

---RCV420是BB公司的產(chǎn)品。它能將4～20mA變換為0～5V。它的電源電壓額定值為±15V，靜態(tài)電流為3mA，工作溫度范圍-55～125℃。雖然說(shuō)明書(shū)中給出的電源是雙電源，但也可以應(yīng)用于單電源0～24V的場(chǎng)合，這就十分方便，應(yīng)用時(shí)不加任何外部元件(見(jiàn)圖5)。

2.24～20mA變換為0～10mA

---把4～20mA變換為0～10mA的電路如圖6所示。這個(gè)電路雖然比較復(fù)雜，但性能穩(wěn)定可靠。

---設(shè)R1上的壓降(取樣電壓)為Vi，經(jīng)推導(dǎo)可以得到流經(jīng)RL上的電流為I=(Vi-1)/R11。很顯然，如果變送器在零位時(shí)輸出4mA，在250Ω的取樣電阻的壓降為1V，于是I=0。如果變送器輸出為20mA，Vi=5V，則I=(5-1)/R11，適當(dāng)選取R11，可得I=10mA。

2.3雙4～20mA輸出

---有時(shí)為應(yīng)用方便，一個(gè)變送器需用兩個(gè)或多個(gè)4～20mA輸出。圖7給出了在實(shí)際應(yīng)用中很成功的解決方法。

---實(shí)際電路由OP295和9015PNP管構(gòu)成，調(diào)解R1使其輸出為4～20mA，就成了雙4～20mA輸出。這個(gè)電路輸出穩(wěn)定可靠。

3結(jié)語(yǔ)

---本文介紹的液位傳感器的信號(hào)調(diào)理電路以及各種變送器的變換電路是作者實(shí)際工作的總結(jié)，用該方法設(shè)計(jì)的液位變送器，經(jīng)多年的實(shí)際應(yīng)用，證明用該設(shè)計(jì)方法制作的變送器性能優(yōu)良運(yùn)行可靠。