选择液位传感器
日期：2024-04-22 01:35
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摘要：
技术分类:仪表与过程传感器
和其他任何过程仪器仪表一样，选择合适的液位传感技术要从分析实际应用环境开始。
测量容器中液体或固体物质的量一直以来都是过程仪器仪表*基本的功能之一。通常我们所谓的测量罐内液位，其实在大多数情况下所需的信息是体积，真正需要了解液位的情况非常少。和流量测量一样，液位测量技术的原理极其丰富。在本文中，我们将仅对那些提供电子数据采集、同时已经被多个制造商支持的技术，进行一个简单的介绍，而不是**讨论。
选择液位传感器要从了解该流程的特定需求及其应用环境的限制条件开始。液位测量是“连续式”，或是“触点液位式（离散式）”的，前者的结果显示液位在罐内的什么位置，而后者的结果显示它是否在设定点以上或以下。如果工艺上需要某给定储罐中的100加仑液体，那我们只需要知道它已经超过100加仑就足够了，而根本不用去关心具体超过多少。同样的，我们一般还会需要一个液位低报警以防罐子被抽空，以及一个高报警防止它溢出。
选择*佳测量技术从了解该过程工艺的需要开始从分析开始选择测量方法应该从对测量过程和你所需信息的分析开始：测量的对象什么？测量固体物质具有相当的难度，因为粉末状和颗粒状物体会在容器内漂浮，从而覆盖内表层或在靠近出口点处造成“鼠洞”现象。限于技术原因，这些因素很可能造成不准确的数据测量。相对规矩的液体比较容易处理，然而浆料及固体物质含量也可能会导致上述问题的发生。此外，泡沫、振荡，甚至粉尘都可能欺骗反射测量，而电介质的特性也会影响电容式传感器。
测量的精度如何？这通常仅仅影响到连续测量，但要根椐容器的大小而定。非常**(±<1%)的测量是可能达到的，但成本会很昂贵。通常对一个大容器进行大范围的测量时很少需要非常**的读数。
需要接触被测物吗？很多方法都需要进入容器内并且与被测物相接触。当然也有些方法不需要这样。
是否需要并可能穿透罐壁或者直接在罐内？有些方法根本不需要穿透罐体。不过如果被测物非常敏感，或者如果罐处于高压状态下，罐体穿透可能是个不错的选择。如果要求测量已有罐体且该罐没有合适的舱口，改装就不可避免了。
你知道确实的内部尺寸吗？如果体积是*终目标，所有内部尺寸必须充分被量化，如扣除挡板、桨、热交换器等。**的液位读数并不能修正不**的尺寸。
选择技术
确定罐内含量*简单和*可靠的方法之一是称重。这种方法是**给出实际质量读数而不需依靠罐内尺寸的方法。置于罐下的负载单元能够减去空机重量后确定其含量。这项工作适合任何类型的含量。如果没有来自管道或其它连接的干扰，该方法可以非常**。实际操作中不同尺寸的容器会有不同的限制，但这种显而易见的办法不应被忽略。
如果这种方法被证实不可行，那么其它任何方法都会将事情变得更为复杂，而是否可行也取决于各种限制和需求的综合考虑。
选择液位传感技术*大的决定因素是罐内储存的物质，也就是被测量物。为了本次讨论，我们定义液体为能形成稳定水平面并通过管道流入流出的物质。固体可能有一定的流动性，但不一定会形成稳定的表面，也不会溢出罐体。粘稠或含有较重固体物质的液体，其性状可能表现更像是固体物质。
以下是液位测量技术的纲要，以及与专栏中推荐的应用方法的比较。注意：连续式测量可以被用来实现触点式液位的功能，而多触点式液位测量也可以一定程度上提供有效的连续数据，虽然称不上**。当然，应用专栏和以下技术介绍都不可能涵盖全部现状。有些实用方法没有一种介绍提到过，而任何一个常规说明中都可能会有例外。
机电解决方案
这些方案有一个共同要素，即各种类型的可移动部件，可能是在液体表面的浮标，也可能是必须穿越被测量物的装置。
浮标—只要液体中没有什么可能干扰浮标运动的杂质，利用浮标是一种简单可靠的液位测量方法。许多阀门、开关和编码器由浮标启动，它能提供小范围的触点式液位或连续读数。
一些*专业的连续测量浮标设计利用了磁致伸缩传感技术。浮标是环形的，可卡在波导管外面。该波导管可以长达50英尺（15米），所以只有较大的罐才能使用。浮标中含有可中断一个电子脉冲传送到波导的永磁。该仪器可以测量中断点，并具有相当好的精度和可重复性，通常<±.001in。一旦完成安装并设定，无需额外标定要求。
“磁致伸缩技术对于无线通讯来说意义非凡，”美国Ametek Automation & ProcessTechnologies公司市场拓展部的Mike Geis说，“脉冲反应的速度极快，因此电量的消耗*小。”
波导可以支持两个浮标，从而使磁致伸缩成为仅有的几种用一台设备即可连续测量混合液体层（如水顶油）的技术之一。“只要在比重上至少有0.1的差值，我们就能设计定制浮标来测量混合液体，”Geis补充道。
振动和桨轮—这两种触点液位方法有些类似：它们都需要插入探头进入内部。振动探头插入类似音叉的装置到可由压电晶体引起连续振动的材料中。如果探头没有被埋在罐内物质中，它可以自由地振动；而如果探头是深陷其中，它就不可能正常振动，该机构由此识别并发送相应信号。
同样，浆轮利用轴上机电桨片或旗形片连接一个小马达。如果深陷入固体产品，浆轮不能转动并发送信号。当罐内物质排出，浆轮就能转动。上述两种方法都是侵入性的，容易损害罐内物质。
压力—与质量测量（称罐重）一样，压力和压差法通过测量压头在罐底（或仪表所在位置）确定液位。如果罐体向大气排空，一个简单的压力表是足够了。但是，如果罐体是封闭并且可以加压或减压，底部及顶部开放空间之间的差压读数将自补偿任何内部和大气的压差。这种方法行之有效，但它需要额外的管路。
电子反射
超声波和雷达技术的应用范围很广，其特点在于不需要与产品直接接触就能达到目的。当然，它们确实都需要一个位于罐顶部的接入点（除了穿墙测量点）。这两种技术都有能力绕过部分内部障碍物，但各有其自身的局限性。
超声波—这一技术可用多种方式实现，这使得它非常灵活。声波脉冲发送入罐内后，传感器检查回声返回时间。综合湿度和温度因素，它可以计算到表面的距离。超声波测量也存在一些问题，如粉尘和泡沫，但这由实际应用过程决定。和雷达相比，超声波的适用温度和压力范围相对更有限些。
另一种超声波传感器可以安装在容器壁上，并且无需穿透就可采取液位触点。声波脉冲和回声能确定另一面的容器壁上是否有固体或液体材料。在某些情况下，它甚至可以区分到底是液位超越其上还仅仅是一层粘在壁上的物质。这种方法特别适用于无法使用电容测量，不能接触被测量物，并不能对罐体穿孔的场合。
雷达—这项技术已在现场使用了25年以上，而近年来随着其性能提高、成本下降，雷达技术的使用数量不减反增。过去，昂贵的价格、巨大的尺寸和极高的能耗使雷达传感器只在用在不得不用的地方，但是现在它们的可用范围越来越广。雷达与超声波类似，但限制更少，而且一般更为**：微波脉冲能够更好地识破泡沫和粉尘，而且受压力和温度的限制更小。
雷达传感器可配置非接触式探头，或者采用延伸到介质内部的波导。非接触式设计比较常见，但当液体的介电常数很低且不能很好反射微波信号的情况下，导波方式就会变得很实用。“导波装置的探头将能量传入液体然后获取其反馈，”Magnetrol的雷达产品经理BoyceCarsella说，“如产品接触不存在问题，返回信号的强度会高得多。”
雷达传感器尤其适用于有高内压、高温、雾、蒸汽、急流以及其它问题的环境。“目前*大的问题是泡沫，”Carsella说，“我们必须了解液体的介电常数，泡沫大小或密度，泡沫层有多厚……”他建议导波装置*好能过滤厚泡沫层的干扰。
雷达传感器具有各种天线配置以满足你的内部空间和液体特性的特殊要求，以获得*佳效果。此外，不同的频率可为各种困难情况和液体特性提供各种有针对性的功能。
电子探头
当触点式液位测量足够满足要求，同时接触介质是允许的，电容和电导探头就能提供简便而可靠的解决方案。
电导式探头是一种简单的、能提供导电液体的触点式液位读数的测量装置。通常采用两个或更多的电导式探头组来测量高低液位。如果是液体是非导电的，就必须使用另一种方法。
电容式探头根椐多电极探头周围电容的改变来确定固体或液体物质的存在。射频电流输入电极，就可基于接触介质的介电值来测量电容的改变。有些设计可以确定介质的介电值，这意味着它们可以区分不同的填充物。举例来说，处在石油中的探头与在水中的探头将有不同的读数。这可以帮助处理罐中同时存在一种以上介质的情况。
有些电容式传感器可以在非金属罐壁外侧工作，在获得触点式液位信号的同时，避免了穿透或接触介质。这种传感器可以紧靠罐壁安装，或在非金属管道外绕上一圈。如果是金属罐，传感器可以放在透明的玻璃杯或用塑料管材制成的罐井上。“电容式传感器特别适用于大多数固体介质，”TurckInstrumentation Group的产品经理RogerSaba说，“有一些奇怪的材料，如含氯洗涤剂，会覆盖内罐壁从而改变塑料的性质。这会使一些电容式传感器获取错误的信号，但更先进的设备就能不受其影响。”
热探头需要插入罐中使用。它们利用一个小电热元件加热周围一小部分空间，并测量其温度的升高。如果探头周围没有液体，温度的升高相对较大。但是，如果探头周围有液体，热量会逐渐消散，温度相对就会低得多。
光束传感器能感应光束发射器和接收器之间的障碍。固体或液体物质的存在反射或驱散光束，从而表明物质的存在。如介质吸收光束或被光穿透的能力过强，这项技术就无法显示正确信息。
核（辐射）传感器
核传感器是一种非常有效的解决方案，但其费用和特殊的使用要求通常使该技术成为*后的选择。其方案很简单：将γ射线的发射源放置在容器的一边。传感器，例如Geigercounters，安装在触电式液位度数的另一边。容器中固体或液体填充物以一种可预见的方式吸收γ射线，从而使确定液位。测量的**度取决于传感器的数量，所以它通常用于高和低限警报。
辐射传感器没有任何介质方面的要求，也不需要穿透罐壁，因此它非常适用于高压高温环境、高价值的产品，以及对现有装置的其他任何方式改造都不可用的情况。然而，使用能够穿透一般不锈钢储罐的放射源需要有专门的执照和受过专业培训的操作人员，所以这种方法前必须慎重考虑。
发展前景
和大多数的过程仪表一样，液位传感器的厂商正在寻找更有效的节电方法以减少电耗。从这个方面来说，一些方法比另一些更好。通常，低功耗使传感器更适用于与无线传输的接口，以增强其在危险区域内工作的能力。很多传感器都能采用间歇性触发方式，但是在快速反应和工作过程中使用的功率方面相差很大。以使用磁致伸缩技术的传感器为例，这种传感器就比桨轮或热方法有更大的使用潜力。当然，能耗仅仅问题之一，在作出选择前，我们仍需综合考虑各项性能的平衡。
技术匹配应用
以下是四种类型的应用及其相应的技术方法：
液体测量触点液位式：
■ 电容
■ 电导式液位探头
■ 浮标
■ 热式
■ 光束
液体测量连续式：
■ 压力
■ 浮标
■ 核子
■ 超声波
■ 雷达
固体测量触点液位式：
■ 电容
■ 振动
■ 浆轮
■ 光束
固体测量连续式：
■ 核子
■ 超声波
■ 雷达
