液位測(cè)量技術(shù)研究背景現(xiàn)狀趨勢(shì)

1、液位測(cè)量技術(shù)研究背景現(xiàn)狀及趨勢(shì)1 研究背景 12 液位測(cè)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(guó)內(nèi)外液位測(cè)量的現(xiàn)狀分析 52.3 國(guó)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(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)

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(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(kāi)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

3、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

4、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、 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

5、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， 其物理特性與 可見(jiàn)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(kāi)孔， 實(shí)現(xiàn)非接觸

6、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(kāi)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(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

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(guò)測(cè)量a射線、B射線、丫射線到達(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，

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(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

9、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

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(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

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(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)：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：

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(lái)設(shè)計(jì)的。在測(cè)量無(wú)壓 敞開(kāi)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)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(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 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(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

14、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(mén)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-FII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)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

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(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(kāi)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(kāi)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(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(kāi)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(kāi)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)。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(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)院陳振林等提出的高精度溫度測(cè)量電路非線性補(bǔ)償研究， 這有利于提高測(cè)量的精度