液位測量技術(shù)研究背景現(xiàn)狀趨勢

1、液位測量技術(shù)研究背景現(xiàn)狀及趨勢1 研究背景 12 液位測量技術(shù)的概述 12.1 液位的概述 1雷達(dá)液位傳感器 2超聲波液位傳感器 2同位素/放射性液位傳感器 3電子類液位傳感器 3熱學(xué)式液位計(jì) 4 光學(xué)液位計(jì) 4液壓類液位計(jì) 42.2 國內(nèi)外液位測量的現(xiàn)狀分析 52.3 國內(nèi)外液位傳感器的發(fā)展方向 61 研究背景在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中， 常常需要測量各種固體、 液體物料的高度、 體積等參數(shù)，但是由于測量是瞬時(shí)的動態(tài)信號，數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性、可靠性要受到諸多環(huán)境因素的影響，如溫度、油壓、油管的阻尼比、變頻器的高頻干擾、油路的泄漏等。 液位測量主要是基于相界面兩側(cè)物質(zhì)的物性差異或液位改變時(shí)引起有關(guān)

2、物理參數(shù)的變化的原理而實(shí)現(xiàn)的。 這些物理參數(shù)可能是電量的或非電量的如電阻、電容、電感、差壓以及聲速和光能等，它們的共同特點(diǎn)是能夠反映相應(yīng)的液位變化并易于檢測。 由于電子技術(shù)的發(fā)展， 很好地解決了溫度變化和寄生電容干擾等對電容式傳感器測量準(zhǔn)確度的影響為電容式傳感器的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。2 液位測量技術(shù)的概述2.1 液位的概述在各種化工、食品、石油、倉儲等工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對存儲在儲倉、罐和其它容器中的生產(chǎn)原料及產(chǎn)品、液體或固體的體積或高度進(jìn)行測量和控制以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行，通常方法是對物位進(jìn)行測量，而物位又可以分為液位、料位、界面三種。即：1) 液位是指：積存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所

3、在的位置稱為液位， 如油罐、水庫、水塔等容器內(nèi)所儲的液體表面的位置或高度。2) 料位是指：固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位，如爐、罐、槽內(nèi)的顆粒狀或粉末狀固體物質(zhì)的體積或高度。3) 界位是指：兩種或以上的不同比重且不相容的分界面，如油與水的分界面，用于測量這些參數(shù)的傳感器稱物位傳感器，其中，根據(jù)測量的物位范圍或測量對象不同，又分為：液位傳感器、料位傳感器及界位傳感器。液位測量技術(shù)在工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用， 在一般的生產(chǎn)工藝加工過程中， 通常只需要對物料的表面位置進(jìn)行記錄和儲存， 以作為確保生產(chǎn)工藝、 安全等方面的需要。 其次、 隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高、 必須首先對液位

4、測量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)、 以保證自動化生產(chǎn)能夠自動控制在最佳狀態(tài)； 再就在現(xiàn)代化的企業(yè)生產(chǎn)過程中， 計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)控制中心已越來越普及， 人們都采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對生產(chǎn)進(jìn)行各種綜合控制與管理、 所以液位測量技術(shù)也隨之提出更高的要求、 控制系統(tǒng)也更趨智能化、 統(tǒng)一化 要求測量的對象要廣 測量的精度要求高、可靠性要好測量環(huán)境特殊、 實(shí)用性要強(qiáng)等、 所以這對測量帶來很大的困難、 尤其是液面具有波動或有氣泡或液面高度隨時(shí)間改變的動態(tài)測量， 被測物具有粘滯性或是導(dǎo)電介質(zhì)等情況時(shí)， 如何來提高測量精度， 有時(shí)還要考慮容器的密封性， 介質(zhì)是否含有腐蝕物以及是否具有毒性和易爆性等問題對測量要求的影響，因此，為

5、了滿足各種不同測量條件的要求， 人們研制出適合于各種各樣要求的液位傳感器。目前，國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的液位測量方法，有以下幾大類：雷達(dá)液位傳感器雷達(dá)傳感器就是利用發(fā)射、 反射、 接收的原理來測量距離的。 因此可用于有 毒有害的惡劣環(huán)境下。 雷達(dá)液位傳感器是一種特殊形式的電磁波， 其物理特性與 可見光相似， 雷達(dá)信號可以穿透空間。 雷達(dá)信號是否可以被反射， 取決于兩個(gè)因 素：1）被測介質(zhì)的導(dǎo)電性；2）被測介質(zhì)的介電常數(shù)，所有導(dǎo)電介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號盡管介質(zhì)的導(dǎo)電性不是很好， 也能被很準(zhǔn)確地測量， 雷達(dá)波不易受干 擾， 且能穿透塑料容器或玻璃容器進(jìn)行測量， 無需在容器上開孔， 實(shí)現(xiàn)非接觸

6、測 量，還可應(yīng)用于各種場所，如真空測量，液位測量，粉灰位或固體料位測量，即 便在飛灰、 粉塵強(qiáng)烈并有很強(qiáng)旋渦的環(huán)境下也能進(jìn)行準(zhǔn)確測量， 然而雷達(dá)傳感器 的測量信號運(yùn)行時(shí)間極短， 這給信號分析處理提出了極高的要求， 造就它的價(jià)格 昂貴、技術(shù)實(shí)施困難。超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器發(fā)展最快、 應(yīng)用最廣泛， 常用于測量明渠液位及開口容器內(nèi)液位， 它由超聲換能器發(fā)射的超聲脈沖經(jīng)空氣中在被測介質(zhì)上發(fā)射再返回接收換能器測量該超聲脈沖往返時(shí)間， 就能得到超聲換能器輻射面到被測液面的距離根據(jù)換能器安裝高度，就能得出液位高度，但聲波傳播速度多受環(huán)境因數(shù)影響，其測量信號的可靠性較差、誤差較大、校正補(bǔ)償復(fù)雜。同位

7、素 / 放射性液位傳感器它是利用放射性同位素的射線（如 a射線、B射線、丫射線）的穿透和反射 能力，通過測量a射線、B射線、丫射線到達(dá)物料時(shí)其穿過物料或經(jīng)過物料反射 的衰減原理、檢測穿過被測物料后的射線信號的強(qiáng)度、來達(dá)到測量液位的目的。該射線的強(qiáng)度會隨液位的高度變化而變化， 在放射線源與檢測器之間有吸收物質(zhì)時(shí)， 檢測器的輸出與液位的高度有關(guān)， 通過對檢測器內(nèi)的物質(zhì)吸收能量的大 小的檢測，在經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換，即可得出被測液位的高度。由于放射性射線本身的特點(diǎn)所決定， 它可以用于腐蝕性、 有毒性、 大粘性和易燃易爆的場合， 而且還因?yàn)閷ι渚€的吸收知與介質(zhì)密度有關(guān)， 因此它可以測量 不同密度的液體分界面，

8、氣體與固體或液體與固體的分界面。但射線易受到衰減， 檢測信息的能量易于損失， 測量精確度不理想， 有輻射作用對人體有害。電子類液位傳感器測量原理是把液位的變化轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)的變化， 利用一定的測量電路將電參數(shù)檢測出來， 從而達(dá)到測量液位的目的。 其中最常用且最成熟的當(dāng)數(shù)電容式液位傳感器，他不但精度較高、且量程廣 、適合于測量各種介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì)的液位、惟獨(dú)不能測量導(dǎo)電的粘性介質(zhì)。電容式液位計(jì)： 利用空氣和液體作電容器兩極極板間的電介質(zhì)， 用電子學(xué)方法測量電容值， 從而探測液體高度信息； 它結(jié)構(gòu)簡單， 其問題是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補(bǔ)償，測量儀器與傳感器用長電纜

9、連接，對電纜中的干擾和寄生電容很敏感， 精度較差。 電容液位傳感器是利用被測對象的物質(zhì)的導(dǎo)電率， 將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化來測量的一種液位計(jì)， 但對導(dǎo)電介質(zhì)或粘性介質(zhì) 易產(chǎn)生掛料，誤差較大、易受干擾、嚴(yán)重影響測量結(jié)果。電阻式液位計(jì)： 探測器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻止大得多， 通過電子學(xué)方法測量液體容器底部與頂部之間的電阻， 從中可探知液位信息， 其測 量精度受液體污染情況的影響較大， 探針的污染與沉積物能產(chǎn)生錯誤輸出， 在直流工作時(shí)會產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。熱學(xué)式液位計(jì)由熱、電阻發(fā)出的信號可用來指示這類元件是否浸在液體中。它結(jié)構(gòu)小、適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等。光學(xué)液位計(jì)主要是光

10、纖液位傳感器，光纖液位傳感器的主要算法理論依據(jù)是基于光強(qiáng)度 的變化來實(shí)現(xiàn)液位測量。它可以是用發(fā)光元器件將射出來的光通過傳輸光纖送到 光敏感元件上，在敏感元件的球面上，有一部分光透過 而殘余的光被反射回來。 當(dāng)敏感元件與液體相接觸時(shí)，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，反射量 減少因而，由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體， 反射光量決定于敏感元 件玻璃的折射率和被測物質(zhì)的折射率，并通過傳輸光纖由受光器件的光電晶體管 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。光纖傳感器也可以是塑料測桿探頭加工成斜面或錐面。光源光線射進(jìn)測桿 后，若測桿在空氣中則發(fā)生全反射是光線原樣射回， 若測桿插入液體內(nèi)，由于液 體的折射率比空氣

11、的折射率高，錐面處發(fā)生光折射，全內(nèi)反射效應(yīng)消失，從接收 到的光功率就可以測量點(diǎn)液位，其問題是油滴、剩油和冷凝作用可能影響測量精 度。這類液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)、成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性 能好、響應(yīng)時(shí)間短、適用于易爆易燃等場合。然而它受光源強(qiáng)度的波動和連接器 損耗變化等影響較大，因此它測量范圍小、精度低、能量易損耗，不宜測量低粘 度液位（因其表面受到振動后易產(chǎn)生波動），長期穩(wěn)定性差。液壓類液位計(jì)此類液位計(jì)可以進(jìn)行連續(xù)測量氣泡式液位計(jì)：將被測液位值轉(zhuǎn)換為空氣壓力值，測定該壓力值后，利用該 被測壓力與液體相對密度乘落差之積成正比的原理測量液位， 其問題是檢測方式 十分復(fù)雜。壓力傳感器：

12、它是利用液面高度變化時(shí)容器底部或側(cè)面某點(diǎn)上的壓力也隨之 而變的原理來設(shè)計(jì)的。在測量無壓 敞開的容器時(shí)，大多采用直接測量底部某點(diǎn) 壓力來測量，這類液位傳感器的精度主要受到壓力表精度的限制，同時(shí)還要求被 測液體的密度是已知的，而且要求液體的密度要恒定不變。液位傳感器的分類， 還有按功能進(jìn)行分類， 如連續(xù)式液位傳感器、 點(diǎn)式測量液位傳感器等等。 但是目前使用最為廣泛的液位傳感器技術(shù)有， 核輻射法、 光導(dǎo)法、超聲法、微波法、雷達(dá)法、電容式、射頻導(dǎo)納式等多種傳感器技術(shù)和智能化測量控制技術(shù)、 各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性且都有應(yīng)用、但最為廣泛應(yīng)用的還是當(dāng)數(shù)電容式射頻導(dǎo)納法和超聲式液位傳感器、 本文將圍繞這三類液位

13、傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 誤差分析以及信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入的分析研究1-4。2.2 國內(nèi)外液位測量的現(xiàn)狀分析對于液位測量傳感器的研究， 國外的液位測量技術(shù)起步較早， 且投入資金雄厚，發(fā)展非常迅速，到目前為止，國外許多公司都研制出很多功能齊全的、自動化智能程度高、精度高的測量體系與產(chǎn)品系列，如美國 DREXELBROOK 公司研制的Universall HTM連續(xù)液位變送器（其精度可達(dá)0.1%,量程最大15米,4-20mA電流輸出，上、下限位報(bào)警，疊加智能通訊協(xié)議一HART、Honeywell等），美國在液位傳感器的研制方面也一直處于領(lǐng)先地位。美國 Milltronics 公

14、司研制的多量程超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)具有測量液位及液位差的能力， 其采用的非接觸式超聲波傳感器，可監(jiān)視30cm到14m范圍的液位變化，該系統(tǒng)專門編制了一種增強(qiáng)回聲的軟件程序， 多量程系統(tǒng)被監(jiān)視槽的超聲波分布圖儲存在計(jì)算機(jī)存儲器中， 采用連續(xù)測量確定液位方法來修改分布圖；Magmetrol國際公司的Echtel-FII型超聲波液位控制儀有兩種控制模式：連續(xù)波信號的高增益系列和脈沖信號的超增益系列， 還增加了一個(gè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)， 使之具有自檢功能， 避免了一般超聲波儀器中零電壓輸出即可能表明無液體，也可表明低液位或控制出現(xiàn)故障等問題。 Hybepark電子公司的雙液位傳感系統(tǒng)采用二只分別調(diào)節(jié)上限和下限液位的

15、電位計(jì)， 超聲波探頭安裝在液體之上且與控制裝置連接， 控制裝置比較被感受到的極限液位后去啟動指示器和繼電器，然后啟動液位輸出。美國的 DREXELBROOK 公司與ROSEMOUNT 公司以及日本、加拿大等國公司研制開發(fā)的產(chǎn)品在國際市場上占有很大的比重。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， DREXELBROOK 公司至今在全世界已經(jīng)有3萬多例成功的現(xiàn)場應(yīng)用。還有其它國家和公司研制的液位傳感器等產(chǎn)品， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 食品等行業(yè)，并大量地進(jìn)入我國液位測量領(lǐng)域。在我國，由于受到歷史原因影響，液位傳感器的研制開發(fā)技術(shù)都比較落后， 各個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)的資金投入不協(xié)調(diào)， 以及一定時(shí)期的人才青黃不接， 導(dǎo)致了相關(guān)配套領(lǐng)域發(fā)展遲緩甚至

16、于停滯不前， 使得我國的液位測量技術(shù)、 測量方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它發(fā)達(dá)國家， 測量系統(tǒng)的自動化程度不高，精度可靠性、功能等多方面都不如國外同類產(chǎn)品，差距很大。近幾年來， 隨著改革開放的不斷深入， 我國的經(jīng)濟(jì)、 技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展， 國家也加大了這方面的投入， 測量技術(shù)得到了全面發(fā)展和更新， 液位測量技術(shù)發(fā)展比較迅速。 我國許多科研單位及企業(yè)共同研制開發(fā)了有關(guān)液位測量方面的傳感器，這些產(chǎn)品在性能指標(biāo)上、功能上，都比以前有了很大程度上的提高，但是與國外同類技術(shù)相比還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。河南科技大學(xué)的鄧瑞濤等在新型液位傳感器的研究中， 主要研究了變介電常數(shù)電容式傳感器工作原理，根據(jù)極板之間介質(zhì)量的變化引起電容量隨之發(fā)生變化， 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測濾波電路， 通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成頻率輸出， 應(yīng)用單片機(jī)構(gòu)成控制檢測系統(tǒng)，從而達(dá)到準(zhǔn)確測量油量變化的目的。海軍工程學(xué)院陳振林等提出的高精度溫度測量電路非線性補(bǔ)償研究， 這有利于提高測量的精度