液位測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)研究背景現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1、.液位測(cè)量技術(shù)研究背景現(xiàn)狀及趨勢(shì)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc22644 1研究背景 PAGEREF _Toc22644 1 HYPERLINK l _Toc23897 2液位測(cè)量技術(shù)的概述 PAGEREF _Toc23897 1 HYPERLINK l _Toc16889 2.1液位的概述 PAGEREF _Toc16889 1 HYPERLINK l _Toc26587 雷達(dá)液位傳感器 PAGEREF _Toc26587 2 HYPERLINK l _Toc12770 超聲波液位傳感器 PAGEREF _Toc12770 2 HYPERLINK l _Toc1

2、5350 同位素/放射性液位傳感器 PAGEREF _Toc15350 3 HYPERLINK l _Toc21423 電子類液位傳感器 PAGEREF _Toc21423 3 HYPERLINK l _Toc24405 熱學(xué)式液位計(jì) PAGEREF _Toc24405 4 HYPERLINK l _Toc9700 光學(xué)液位計(jì) PAGEREF _Toc9700 4 HYPERLINK l _Toc12261 液壓類液位計(jì) PAGEREF _Toc12261 4 HYPERLINK l _Toc27210 2.2國(guó)內(nèi)外液位測(cè)量的現(xiàn)狀分析 PAGEREF _Toc27210 5 HYPERLINK

3、 l _Toc7573 2.3國(guó)內(nèi)外液位傳感器的發(fā)展方向 PAGEREF _Toc7573 61研究背景在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,常常需要測(cè)量各種固體、液體物料的高度、體積等參數(shù),但是由于測(cè)量是瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)信號(hào),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(cè)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)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(cè)。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(duì)電容

4、式傳感器測(cè)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(cè)量技術(shù)的概述2.1液位的概述在各種化工、食品、石油、倉(cāng)儲(chǔ)等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,經(jīng)常要對(duì)存儲(chǔ)在儲(chǔ)倉(cāng)、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(cè)量和控制 以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行,通常方法是對(duì)物位進(jìn)行測(cè)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在的位置稱為液位,如油罐、水庫(kù)、水塔等容器內(nèi)所儲(chǔ)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

5、且不相容的分界面,如油與水的分界面,用于測(cè)量這些參數(shù)的傳感器稱物位傳感器,其中,根據(jù)測(cè)量的物位范圍或測(cè)量對(duì)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(cè)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(guò)程中,通常只需要對(duì)物料的表面位置進(jìn)行記錄和儲(chǔ)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(dòng)化程度的不斷提高、必須首先對(duì)液位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)、以保證自動(dòng)化生產(chǎn)能夠自動(dòng)控制在最佳狀態(tài)；再就在現(xiàn)代化的企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)控制中心已越來(lái)越普及,人們都采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行各種綜合控制與管理、所以液位測(cè)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

6、、統(tǒng)一化 要求測(cè)量的對(duì)象要廣 測(cè)量的精度要求高、可靠性要好測(cè)量環(huán)境特殊、實(shí)用性要強(qiáng)等、所以這對(duì)測(cè)量帶來(lái)很大的困難、尤其是液面具有波動(dòng)或有氣泡或液面高度隨時(shí)間改變的動(dòng)態(tài)測(cè)量,被測(cè)物具有粘滯性或是導(dǎo)電介質(zhì)等情況時(shí),如何來(lái)提高測(cè)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(wèn)題對(duì)測(cè)量要求的影響,因此,為了滿足各種不同測(cè)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(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的液位測(cè)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(lái)測(cè)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,

7、其物理特性與可見光相似,雷達(dá)信號(hào)可以穿透空間。雷達(dá)信號(hào)是否可以被反射,取決于兩個(gè)因素：1被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性；2被測(cè)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(hào)盡管介質(zhì)的導(dǎo)電性不是很好,也能被很準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)量,無(wú)需在容器上開孔,實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,還可應(yīng)用于各種場(chǎng)所,如真空測(cè)量,液位測(cè)量,粉灰位或固體料位測(cè)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(cè)量,然而雷達(dá)傳感器的測(cè)量信號(hào)運(yùn)行時(shí)間極短,這給信號(hào)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(cè)量明渠液位及開口

8、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(cè)介質(zhì)上發(fā)射再返回接收換能器測(cè)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(cè)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(cè)量信號(hào)的可靠性較差、誤差較大、校正補(bǔ)償復(fù)雜。同位素/放射性液位傳感器它是利用放射性同位素的射線如射線、射線、射線的穿透和反射能力,通過(guò)測(cè)量射線、射線、射線到達(dá)物料時(shí)其穿過(guò)物料或經(jīng)過(guò)物料反射的衰減原理、檢測(cè)穿過(guò)被測(cè)物料后的射線信號(hào)的強(qiáng)度、來(lái)達(dá)到測(cè)量液位的目的。該射線的強(qiáng)度會(huì)隨液位的高度變化而變化,在放射線源與檢測(cè)器之間有吸收物質(zhì)時(shí),檢測(cè)器的輸出與液位的高度有關(guān),通過(guò)對(duì)檢測(cè)器內(nèi)的物

9、質(zhì)吸收能量的大小的檢測(cè),在經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換,即可得出被測(cè)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(chǎng)合,而且還因?yàn)閷?duì)射線的吸收知與介質(zhì)密度有關(guān),因此它可以測(cè)量不同密度的液體分界面,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(cè)信息的能量易于損失,測(cè)量精確度不理想,有輻射作用對(duì)人體有害。電子類液位傳感器測(cè)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(cè)量電路將電參數(shù)檢測(cè)出來(lái),從而達(dá)到測(cè)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(cè)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(cè)量導(dǎo)電的粘性介

10、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(cè)量電容值,從而探測(cè)液體高度信息；它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其問(wèn)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(cè)量?jī)x器與傳感器用長(zhǎng)電纜連接,對(duì)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(cè)對(duì)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(lái)測(cè)量的一種液位計(jì),但對(duì)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(cè)量結(jié)果。 電阻式液位計(jì)：探測(cè)器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻止大得多,通過(guò)電子學(xué)方法測(cè)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(cè)量精度受液體污染情況的影響較大,探針的污染與沉

11、積物能產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出,在直流工作時(shí)會(huì)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(hào)可用來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。它可以是用發(fā)光元器件將射出來(lái)的光通過(guò)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(guò) 而殘余的光被反射回來(lái)。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(cè)物質(zhì)的折射率,并通過(guò)傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光

12、電轉(zhuǎn)換后輸出。光纖傳感器也可以是塑料測(cè)桿探頭加工成斜面或錐面。光源光線射進(jìn)測(cè)桿后,若測(cè)桿在空氣中則發(fā)生全反射是光線原樣射回,若測(cè)桿插入液體內(nèi),由于液體的折射率比空氣的折射率高,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(cè)量點(diǎn)液位,其問(wèn)題是油滴、剩油和冷凝作用可能影響測(cè)量精度。這類液位傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合。然而它受光源強(qiáng)度的波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大,因此它測(cè)量范圍小、精度低、能量易損耗,不宜測(cè)量低粘度液位因其表面受到振動(dòng)后易產(chǎn)生波動(dòng),長(zhǎng)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(cè)量 氣泡式液位計(jì)

13、：將被測(cè)液位值轉(zhuǎn)換為空氣壓力值,測(cè)定該壓力值后,利用該被測(cè)壓力與液體相對(duì)密度乘落差之積成正比的原理測(cè)量液位,其問(wèn)題是檢測(cè)方式十分復(fù)雜。壓力傳感器：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(lái)設(shè)計(jì)的。在測(cè)量無(wú)壓 敞開的容器時(shí),大多采用直接測(cè)量底部某點(diǎn)壓力來(lái)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

14、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傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、誤差分析以及信號(hào)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(guó)內(nèi)外液位測(cè)量的現(xiàn)狀分析對(duì)于液位測(cè)量傳感器的研究,國(guó)外的液位測(cè)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(guó)外許多公司都研制出很多功能齊全的、自動(dòng)化智能程度高、精度高的測(cè)量體系與產(chǎn)品系列,如美國(guó)DREXELBROOK公司研制的Universall TM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HA

15、RT、Honeywell等,美國(guó)在液位傳感器的研制方面也一直處于領(lǐng)先地位。美國(guó)Milltronics公司研制的多量程超聲波液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)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(chǔ)存在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中,采用連續(xù)測(cè)量確定液位方法來(lái)修改分布圖；Magmetrol國(guó)際公司的Echtel-F型超聲波液位控制儀有兩種控制模式：連續(xù)波信號(hào)的高增益系列和脈沖信號(hào)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(wú)液體,也可表明低液位或控制出現(xiàn)

16、故障等問(wèn)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(dòng)指示器和繼電器,然后啟動(dòng)液位輸出。美國(guó)的DREXELBROOK公司與ROSEMOUNT公司以及日本、加拿大等國(guó)公司研制開發(fā)的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)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(wàn)多例成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。還有其它國(guó)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(guó)液位測(cè)量領(lǐng)域。在我國(guó),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),

17、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)展遲緩甚至于停滯不前,使得我國(guó)的液位測(cè)量技術(shù)、測(cè)量方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它發(fā)達(dá)國(guó)家,測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高,精度可靠性、功能等多方面都不如國(guó)外同類產(chǎn)品,差距很大。近幾年來(lái),隨著改革開放的不斷深入,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展,國(guó)家也加大了這方面的投入,測(cè)量技術(shù)得到了全面發(fā)展和更新,液位測(cè)量技術(shù)發(fā)展比較迅速。我國(guó)許多科研單位及企業(yè)共同研制開發(fā)了有關(guān)液位測(cè)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(guó)外同類技術(shù)相比還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。XX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(cè)濾波電路,通過(guò)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(cè)系統(tǒng),從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量油量變化的目的。海軍工程學(xué)院陳振林等提