液位傳感器

液位傳感器的寫法

液位傳感器介紹

靜壓投入式液位變送器（液位計）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)的液位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(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等標準信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。

利用流體靜力學原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應(yīng)用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。

是針對化工工業(yè)中強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門的密封技術(shù)進行電氣連接，既保證了傳感器的水密性、耐腐蝕性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(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，測量精度和分辨率高。

原理

用靜壓測量原理：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，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：被測液體密度

g：當?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，通過導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與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，

使傳感器測得壓力為：ρ.g.H，顯然,通過測取壓力P，可以得到液位深度。

功能特點：

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

◆具有反向保護、限流保護電路，在安裝時正負極接反不會損壞變送器，異常時送器會自動限流在35MA以內(nèi)。

◆固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。

◆安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟耐用。

主要技術(shù)參數(shù)：

工藝：擴散硅陶瓷電容藍寶石電容任選。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投入式靜壓液位計可靠防腐并帶有陶瓷測量單元的探頭，用于凈水、污水及鹽水的物位測量。

產(chǎn)品比較

1.雷達液位傳感器

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

該類型傳感器一般誤差在2mm左右，測量范圍一般是0.5m-20m，由于其非接觸的測量原理相對磁尺來說對背測介質(zhì)范圍就比較廣，液體，固體（物位）都可以。缺點主要是精度不夠高，在短量程方面有暗區(qū)，由于電磁波不能受到干擾，安裝時應(yīng)避免障礙物，同時也應(yīng)避免溫度等因數(shù)對電磁波的影響。另外在界面方面，特別是密度相差不是很大界面方面，遠遠不如磁尺方便準確。

2.超聲波液位傳感器

原理與雷達液位計相同，只是相對雷達的電磁波，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。從性能上來說，超聲波比雷達具有更穩(wěn)定的性能。

3.浮球式液位（界面）傳感器

此類傳感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。當浮子隨著液位（界面）上下浮動，浮子內(nèi)永磁體的磁力作用于導管內(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，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4~20mA.DC的標準信號。

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

4.磁翻板式液位計

磁翻板式液位計是以磁性浮子為感應(yīng)元件，并通過磁性浮子與顯示色條中磁性體的耦合作用，反映被測液位或界面的測量儀表。磁浮子式液位計和被測容器形成連通器，保證被測量容器與測量管體間的液位相等。當液位計測量管中的浮子隨被測液位變化時，浮子中的磁性體與顯示條上顯示色標中的磁性體作用，使其翻轉(zhuǎn)，紅色表示有液，白色表示無液，以達到就地準確顯示液位的目的。

此類傳感器具有顯示直觀醒目、不需電源，安裝方便可靠，維護量小，維修費用低的優(yōu)點，是玻璃管、玻璃板液位計的升級換代產(chǎn)品。但測量精度不高，一般廠家標稱的誤差都在10mm到20mm之間。如果需要把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)遠傳還需要加一個相應(yīng)數(shù)據(jù)遠傳變送器，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)場顯示作用，而磁尺則起到變送遠傳的功能。而且通過磁致伸縮原理將其轉(zhuǎn)換成高精度的電信號，而且信號類型豐富。而一般的遠傳變送器的原理是將開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量的輸出。

對于浮子和磁翻板兩種傳感器，在業(yè)內(nèi)對其兩者的名稱容易混淆，因為都是有一個磁性浮子，所以很多時候都被稱之為磁浮子液位計，實際溝通時需要具體確認。凡此兩類傳感器主要特點就是精度不高，同時由于磁性原理也需要在現(xiàn)場安裝時注意一些干擾。

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，金屬棒對容器壁的分布電容；

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

當被測介質(zhì)物位變化時，傳感器電容量發(fā)生相應(yīng)變化，電容量的變體△Cx通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與物位成比例的直流標準信號。

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

信號調(diào)理電路設(shè)計

在變送器的開發(fā)應(yīng)用中，常常會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，標準輸出多為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題。

1變送器信號調(diào)理電路的設(shè)計

1.1溫度漂移的處理

---傳感器的溫度漂移可分為零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。零點溫漂即傳感器不受壓時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，零點及其溫漂的補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溫漂問題。

---恒流供電橋路的傳感器，其靈敏度溫度補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，用來調(diào)整Rt的溫度系數(shù)。經(jīng)上述零點和靈敏度的溫度補償?shù)膫鞲衅鞯妮敵鲂盘柤纯梢暈樵谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)與溫度變化無關(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、正負之分，信號的處理和傳輸時要進行線性化處理，使得到的信號與液位成線性關(guān)系。線性化電路就是根據(jù)非線性的大小和正負來設(shè)計的，線性化可以在信號處理的不同階段來進行，有的在模擬信號階段進行，有的在數(shù)字信號階段進行。

---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)負非線性。

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

---對于輸出信號很小，甚至只有幾mV的傳感器在制作4～20mA液位變送器時，可以使用性能優(yōu)良的儀表放大器，如INA118，對溫度補償、線性化、放大以及輸出全面考慮，設(shè)計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)過長期運行，各方面的性能都很好，其中用Wl調(diào)零點，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為雙運放電路，噪聲低，精度高，可輸入和輸出正負信號。單電源工作3～36V，低失調(diào)電壓300μV，高開環(huán)增益1000V/mV，每個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℃。雖然說明書中給出的電源是雙電源，但也可以應(yīng)用于單電源0～24V的場合，這就十分方便，應(yīng)用時不加任何外部元件(見圖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。這個電路雖然比較復雜，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，適當選取R11，可得I=10mA。

2.3雙4～20mA輸出

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

---實際電路由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。這個電路輸出穩(wěn)定可靠。

3結(jié)語

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