自20 世紀80 年代開始, 由于微電子計算機、光纖、超聲波等高科技的迅猛發(fā)展, 在液位自動檢測領域出現(xiàn)了種類多樣的測量手段, 并且其功能越來越完善, 各項性能指標越來越易于適應工業(yè)生產的要求, 趨于自動化、智能化。現(xiàn)代化的工業(yè)生產與自動化儀表控制密不要分，現(xiàn)代化的工業(yè)生產的特點是自動化，智能化，數(shù)字化，網絡化。工業(yè)生產中對于物理量的測量有許多種，其中液位測量與流量測量是典型的兩種，液位測量幾乎遍及生產過程的各個環(huán)節(jié)。在許多生產領域, 不但對液位測量精度要求高, 還需要測量儀表很好地適應工業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境, 例如高溫、高壓、強腐蝕性、強放射性的場合, 以及遠距離傳送和在密閉壓力容器內使用等情況。

　　文章介紹了工業(yè)生產過程中采用的幾種較新的液位檢測方法與儀表：光纖液位計、磁致伸縮液位計、音叉液位限位開關、差壓式液位計、雷達液位計、伺服型浮子液位計等幾種較新的液位檢測儀表及其檢測方法, 并對幾種液位計的特點進行了分析比較。文章后指出, 液位自動檢測技術一方面需采用新的測量原理, 開發(fā)新的液位檢測儀表, 擴大檢測的手段, 另一方面需朝著微機化和智能化方向發(fā)展。
 
　　1 　新型液位檢測技術
　　國內外在液位檢測方面采用的技術和產品很多, 傳統(tǒng)的液位計按其采用的測量技術及使用方法分類已多達十余種。近年來, 國內外又不斷研制開發(fā)出一些新的液位檢測方法, 已經在工業(yè)中應用的主要有以下幾種。

　　1 .1 　光纖液位計
　　光纖傳感器是近年來迅速發(fā)展的一種新型傳感器, 它以光學技術為基礎, 以光纖作為敏感單元, 將敏感狀態(tài)以光信號取出, 再進行光電轉換, 所以易與高度發(fā)展的電子控制裝置相匹配。與其它常規(guī)傳感器相比, 光纖傳感器具有靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、電絕緣性好、體積小以及便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成遠程監(jiān)測網絡等特點, 尤其在易燃易爆的惡劣環(huán)境中得到**應用。光纖傳感器的應用從根本上克服了電測方法帶來的火災隱患, 在石油、化工、核工業(yè)等領域內某些不便應用傳統(tǒng)傳感器的場合, 可精確、方便地進行各種物理量的測量。
　　光纖液位計適用于多種液體的液位測量, 如汽油、柴油、機油、變壓器油、酸堿性溶液、液氮、酒類、調料、飲料和水等, 已實現(xiàn)位移、壓力、溫度、速度、振動、液位、角度等多種物理量的檢測。這類檢測儀表一般具有體積小、重量輕、無動作部件、安裝方便等優(yōu)點。
　　目前, 國內已有許多廠家生產光纖液位計, 其中武漢中光光電有限公司生產的光纖液位計可在小于0 .1 mm 液位的變化條件下, 觸發(fā)信號輸出, 并自動跟蹤光、電信號, 經過CPU 處理后直接輸出標準信號供給二次儀表, 實現(xiàn)對液面連續(xù)自動的高精度控制。南京航空航天大學研制的光纖液位計, 用于液位檢測時精度可達±1 mm , 響應時間小于0 .01 s ,大可傳輸距離為5 km 。
　　目前市場上出現(xiàn)了許多新的光纖液位計。已用于工業(yè)生產過程的有:
　　(1)雙波紋管結構光纖液位計。該液位計以差動方式工作, 采用全光路補償方法和多種溫度補償技術, 使得光纖液位計具有自動補償性能, 克服了光源強度起伏和環(huán)境溫度變化這2 個主要因素對結構式強度型光纖液位計測量精度的影響。
　　(2)浮筒式光纖液位計。該液位計是一種適用于易燃、易爆液體貯罐的光纖液位計, 實現(xiàn)了現(xiàn)場全光無電在線檢測功能, 其輸出信號與光強變化無關,具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
　　(3)反射式動柵光纖液位計。該液位計的光源、光纖、探測器位于光敏元件的同一側, 輸入、輸出共用1 根光纖束, 結構簡單、易于測量、成本較低, 適用于大型液體貯罐的液位測定。其它還處于研制開發(fā)階段的光纖液位計有棱鏡式光纖液位計、斜面單光纖液位計。

　　1 .2 　磁致伸縮液位計
　　磁致伸縮液位計是采用磁致伸縮原理開發(fā)出的新一代高精度液位計。磁致伸縮效應是鐵磁材料在磁場中會發(fā)生形變的物理現(xiàn)象, 即在外磁場作用下,鐵磁材料內部隨機取向的磁疇發(fā)生旋轉直至與外磁場方向一致, 使鐵磁材料在幾何尺寸上出現(xiàn)沿外磁場方向的伸長或縮短現(xiàn)象。
　　磁致伸縮液位計利用磁性浮子隨液位浮動進行工作, 但其工作原理與浮球液位計完全不同。它利用傳感器產生沿波導線傳播的電流脈沖即起始脈沖, 其產生的磁場與磁環(huán)形成的磁場相疊加, 靠磁致伸縮效應產生瞬時扭力, 使波導線扭動并產生張力脈沖, 該脈沖以固定的速度沿波導線傳回, 即終止脈沖, 通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差即可精確地確定被測液體的液位。磁致伸縮液位計的外形結構與浮球液位計相似。
　　磁致伸縮液位計的特點:精度高, 穩(wěn)定性好, 使用壽命長, 可多信號輸出, 具有反極性保護功能, 防雷擊、防射頻干擾, 結構精巧, 環(huán)境適應強, 應用范圍廣, 有多參數(shù)液位測量及自校正、免維護等獨特功能, 尤其適用于大量程、多參數(shù)、高精度的液位測量。其測量范圍大可達18 m , 測量精度可達0 .1 ～0 .5 mm , 對溫度變化不敏感, 可同時進行多點檢測。其缺點是價格較高, 工作壓力不能太高, 并隨液體的密度不同, 其浮子在液體中的高度也不同, 需要以實際介質進行標定。
　　磁致伸縮效應在液位測量中的應用只有十幾年的歷史, 而中國還處在引進國內產品的應用研究與開發(fā)階段, 但是發(fā)展很快。目前該類液位計大部分是進口, 國內部分企業(yè)也有一些產品。常用的有SF 、MS 、SFMS 和UPM100 系列。磁致伸縮液位計的獨特優(yōu)點使它在當今液位測量領域占有很大優(yōu)勢, 相信它很快將在高準確度、多參數(shù)液位測量中得到**應用。

　　1 .3 　音叉液位限位開關
　　音叉液位限位開關是一種新型的液位檢測儀表, 又被稱作“電氣浮子” , 是浮球限位開關的升級換代產品。音叉是受微弱能量驅動就能產生共振的彈性物體, 用壓電陶瓷元件激勵音叉產生振動, 當音叉被液體浸沒時, 音叉受到阻尼作用, 振幅急劇降低且頻率和相位發(fā)生明顯變化, 通過電路輸出開關信號。凡使用浮球限位開關或由于結垢、湍流、攪動、振動等原因不能使用浮球限位開關的場合均可使用音叉液位限位開關。
　　音叉液位限位開關的特點:價格較低, 靈敏度高, 體積小, 重量輕, 安裝方便, 適應性強, 被測液體不同的電參數(shù)、密度對測量均不產生影響, 中等粘度、高溫、高壓等惡劣條件對檢測也無影響。開關的檢測由電子電路完成, 無活動部件, 所以音叉液位限位開關一經安裝投運便不需特殊維護保養(yǎng), 當有過多被測介質污染和粘附叉體時, 清理掉即可。由于不受被測介質電參數(shù)及密度的影響, 所以無論測量何種液體都不需現(xiàn)場調校, 既可探測密度很低的液體介質, 低密度可達0 .1 g/cm3 , 也可探測粘性介質, 如水泥、型砂等, 當液體的粘度發(fā)生變化時也可正常工作, 但需避免被測介質的直接沖擊和飛濺,以免引起誤動作。在有泡沫存在的場合則需要進行現(xiàn)場調校。

　　1 .4 　差壓式液位計
　　差壓式液位計利用液體的壓強原理, 在液體的底部檢測液體壓強和標準大氣壓的壓差。隨著半導體技術的發(fā)展, 半導體表面擴散工藝在差壓式液位計平衡電橋的制作中得到了**應用。它通過液體底壓強使半導體擴散硅薄膜產生形變, 引起電橋不平衡, 電路輸出與液位高度相對應的電壓, 從而獲取液位信號。差壓式液位計適用于液面邊界測量和位式測量, 能**用于難以處理的工藝液體的液面邊界測量。除了液體密度在正常工況下有明顯改變外, 對于大多數(shù)工藝對象, 差壓式液位計都可以滿足要求;對腐蝕性液體、結晶性液體、粘稠性液體、易汽化液體、含懸浮物的液體宜選用平法蘭式差壓儀表;對高結晶液體、高粘性液體、結膠性液體、沉淀性液體宜選用法蘭插入式差壓儀表;當氣相有大量冷凝物或沉淀物析出時可選用雙法蘭式差壓儀表。差壓式液位計可以進行數(shù)字輸出, 具有精度高(0 .7 %)、漂移小、抗過載能力強等特點。但當介質的密度隨介質的溫度、壓力、組分而變化時, 差壓式液位計會產生虛假液位, 所以在介質密度變化明顯的環(huán)境中不應采用。



　　1 .5 　雷達液位計
　　雷達液位計利用喇叭狀波導管發(fā)射低功率微波(幾十微瓦), 遇到被測介面后, 部分微波反射回來,被發(fā)射、接收組合液位計系統(tǒng)接收, 通過測量發(fā)射、接收的時間差來間接測量液位。發(fā)射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比, 回波的極性和振幅取決于上層介質與下層介質的介電常數(shù)。上層的介質通常為氣體, 下層被測介質的介電常數(shù)較高。
　　由于雷達液位計發(fā)射的微波沿直線傳播, 在液面處產生反射和折射時, 微波有效的反射信號強度產生衰減, 當相對介電常數(shù)小到一定值時, 會使微波有效信號衰減過大, 導致雷達液位計無法正常工作。為避免上述情況的發(fā)生, 對被測介質的相對介電常數(shù)有一定的要求, 即被測介質的相對介電常數(shù)必須大于產品所要求的小值。不同的型號有不同的要求, 一般要求相對介電常數(shù)大于3 。
　　雷達液位計發(fā)射的微波傳播速度取決于傳播媒介的相對介電常數(shù)和磁導率, 所以微波的傳播速度不受溫度變化的影響。但是對高溫介質進行測量時, 需要對雷達液位計的液位計和天線部分采取冷卻措施, 以保證液位計在允許的溫度范圍內正常工作, 或使雷達天線的喇叭口與高液面間留有一定的安全距離, 以避免高溫對天線的影響。由于微波的傳播速度僅與相對介電常數(shù)和磁導率有關, 所以雷達液位計可以在真空或受壓狀態(tài)下正常工作。但是當容器內操作壓力高到一定程度時, 壓力會對雷達測量帶來較大的誤差。有關文獻指出, 當壓力為10 MPa 時, 壓力對微波傳播時間的影響為2 .9 %;當壓力為100 MPa 時, 壓力對微波傳播時間的影響可高達29 %。
　　雷達液位計的大特點是適用于超聲波液位計應用效果不理想的環(huán)境中, 如負壓(真空)、蒸汽、霧狀空間、粉塵環(huán)境等。其大量程可達35 m , 測量精度可達毫米級。但其缺點是價格過高, 不能耐高溫、高壓。



　　1 .6 　伺服型浮子液位計
　　伺服型浮子液位計通過浮子在液面、液內、界面上受到不同的浮力, 利用重力敏感裝置測量浮子的重量, 用伺服電動機自動控制升降浮子, 是一種自動跟蹤液位變化的高精度伺服式液位計。它可同時發(fā)出遠傳信號, 采用微機進行遠程控制, 其動態(tài)跟蹤誤差可達0 .1 mm , 同時還能補償液面的高低對鋼絲繩產生的附加重量的誤差;對液面的測量精度可達0 .7 mm , 靈敏度可達0 .1 mm 。另外, 它還可測量密度、界位等計量參數(shù), 具有自診斷及通信功能。由于幾乎沒有傳動部件, 因此, 該液位計具有較高的可靠性。

　　2 　幾種液位測量儀表的比較


　　表1 為上述幾種液位計的性能比較表。　　
　　隨著自動化儀表技術的發(fā)展, 測量液位的方法及相應的儀表也在不斷地改進和更新, 但是沒有哪一種位測量儀表能夠適應所有的介質或環(huán)境, 需根據(jù)測量要求和使用環(huán)境, 針對每種測量方式的特點和優(yōu)點, 在眾多儀表中選擇可靠、準確、實用的液位測量儀表。

　　3 　液位檢測技術的發(fā)展趨勢
　　隨著工業(yè)生產日趨自動化, 對液位檢測技術的要求也越來越高。為解決生產中的測量問題, 一方面是采用新的測量原理, 開發(fā)新的液位檢測儀表, 擴大檢測的手段, 另一方面需朝著實現(xiàn)微機化和智能化的方向發(fā)展。
　　近年來, 微電子技術的發(fā)展使得液位檢測技術發(fā)生了根本性變化。新的檢測原理與電子部件的應用使得液位計更趨向小型化和微型化, 特別是一些小型現(xiàn)場液位開關發(fā)展極快, 如光纖液位計, 由于沒有可動部件, 所以可靠性高, 不僅可現(xiàn)場顯示, 而且可以發(fā)出控制信號。與此同時, 液位檢測也正向著智能化方向發(fā)展, 在液位測量領域內**應用微處理技術, 以實現(xiàn)故障診斷和報警功能, 提高測量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應用和設計液位計時盡量實現(xiàn)不接觸式或不滲透式測量, 如雷達液位計, 從而提高探頭對惡劣環(huán)境的抵抗能力, 以便在惡劣環(huán)境下準確、可靠地工作。
　　隨著計算機應用的普及, 直接輸出數(shù)字信號的數(shù)字化液位傳感器已成為這一領域儀表的發(fā)展趨勢;隨著納米技術、生物工程技術的發(fā)展, 納米技術和生物技術在液位測量中的應用也將會日益增多。總的來說, 液位計必將向著微型化、高精度、適用范圍廣、低功耗、智能化方向發(fā)展。

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