選擇液位傳感器
日期：2024-09-03 10:27
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摘要：
技術分類:儀表與過程傳感器
和其他任何過程儀器儀表一樣，選擇合適的液位傳感技術要從分析實際應用環境開始。
測量容器中液體或固體物質的量一直以來都是過程儀器儀表*基本的功能之一。通常我們所謂的測量罐內液位，其實在大多數情況下所需的信息是體積，真正需要了解液位的情況非常少。和流量測量一樣，液位測量技術的原理極其豐富。在本文中，我們將僅對那些提供電子數據采集、同時已經被多個制造商支持的技術，進行一個簡單的介紹，而不是**討論。
選擇液位傳感器要從了解該流程的特定需求及其應用環境的限制條件開始。液位測量是“連續式”，或是“觸點液位式（離散式）”的，前者的結果顯示液位在罐內的什么位置，而后者的結果顯示它是否在設定點以上或以下。如果工藝上需要某給定儲罐中的100加侖液體，那我們只需要知道它已經超過100加侖就足夠了，而根本不用去關心具體超過多少。同樣的，我們一般還會需要一個液位低報警以防罐子被抽空，以及一個高報警防止它溢出。
選擇*佳測量技術從了解該過程工藝的需要開始從分析開始選擇測量方法應該從對測量過程和你所需信息的分析開始：測量的對象什么？測量固體物質具有相當的難度，因為粉末狀和顆粒狀物體會在容器內漂浮，從而覆蓋內表層或在靠近出口點處造成“鼠洞”現象。限于技術原因，這些因素很可能造成不準確的數據測量。相對規矩的液體比較容易處理，然而漿料及固體物質含量也可能會導致上述問題的發生。此外，泡沫、振蕩，甚至粉塵都可能欺騙反射測量，而電介質的特性也會影響電容式傳感器。
測量的精度如何？這通常僅僅影響到連續測量，但要根椐容器的大小而定。非常**(±<1%)的測量是可能達到的，但成本會很昂貴。通常對一個大容器進行大范圍的測量時很少需要非常**的讀數。
需要接觸被測物嗎？很多方法都需要進入容器內并且與被測物相接觸。當然也有些方法不需要這樣。
是否需要并可能穿透罐壁或者直接在罐內？有些方法根本不需要穿透罐體。不過如果被測物非常敏感，或者如果罐處于高壓狀態下，罐體穿透可能是個不錯的選擇。如果要求測量已有罐體且該罐沒有合適的艙口，改裝就不可避免了。
你知道確實的內部尺寸嗎？如果體積是*終目標，所有內部尺寸必須充分被量化，如扣除擋板、槳、熱交換器等。**的液位讀數并不能修正不**的尺寸。
選擇技術
確定罐內含量*簡單和*可靠的方法之一是稱重。這種方法是**給出實際質量讀數而不需依靠罐內尺寸的方法。置于罐下的負載單元能夠減去空機重量后確定其含量。這項工作適合任何類型的含量。如果沒有來自管道或其它連接的干擾，該方法可以非常**。實際操作中不同尺寸的容器會有不同的限制，但這種顯而易見的辦法不應被忽略。
如果這種方法被證實不可行，那么其它任何方法都會將事情變得更為復雜，而是否可行也取決于各種限制和需求的綜合考慮。
選擇液位傳感技術*大的決定因素是罐內儲存的物質，也就是被測量物。為了本次討論，我們定義液體為能形成穩定水平面并通過管道流入流出的物質。固體可能有一定的流動性，但不一定會形成穩定的表面，也不會溢出罐體。粘稠或含有較重固體物質的液體，其性狀可能表現更像是固體物質。
以下是液位測量技術的綱要，以及與專欄中推薦的應用方法的比較。注意：連續式測量可以被用來實現觸點式液位的功能，而多觸點式液位測量也可以一定程度上提供有效的連續數據，雖然稱不上**。當然，應用專欄和以下技術介紹都不可能涵蓋全部現狀。有些實用方法沒有一種介紹提到過，而任何一個常規說明中都可能會有例外。
機電解決方案
這些方案有一個共同要素，即各種類型的可移動部件，可能是在液體表面的浮標，也可能是必須穿越被測量物的裝置。
浮標—只要液體中沒有什么可能干擾浮標運動的雜質，利用浮標是一種簡單可靠的液位測量方法。許多閥門、開關和編碼器由浮標啟動，它能提供小范圍的觸點式液位或連續讀數。
一些*專業的連續測量浮標設計利用了磁致伸縮傳感技術。浮標是環形的，可卡在波導管外面。該波導管可以長達50英尺（15米），所以只有較大的罐才能使用。浮標中含有可中斷一個電子脈沖傳送到波導的永磁。該儀器可以測量中斷點，并具有相當好的精度和可重復性，通常<±.001in。一旦完成安裝并設定，無需額外標定要求。
“磁致伸縮技術對于無線通訊來說意義非凡，”美國Ametek Automation & ProcessTechnologies公司市場拓展部的Mike Geis說，“脈沖反應的速度極快，因此電量的消耗*小。”
波導可以支持兩個浮標，從而使磁致伸縮成為僅有的幾種用一臺設備即可連續測量混合液體層（如水頂油）的技術之一。“只要在比重上至少有0.1的差值，我們就能設計定制浮標來測量混合液體，”Geis補充道。
振動和槳輪—這兩種觸點液位方法有些類似：它們都需要插入探頭進入內部。振動探頭插入類似音叉的裝置到可由壓電晶體引起連續振動的材料中。如果探頭沒有被埋在罐內物質中，它可以自由地振動；而如果探頭是深陷其中，它就不可能正常振動，該機構由此識別并發送相應信號。
同樣，漿輪利用軸上機電槳片或旗形片連接一個小馬達。如果深陷入固體產品，漿輪不能轉動并發送信號。當罐內物質排出，漿輪就能轉動。上述兩種方法都是侵入性的，容易損害罐內物質。
壓力—與質量測量（稱罐重）一樣，壓力和壓差法通過測量壓頭在罐底（或儀表所在位置）確定液位。如果罐體向大氣排空，一個簡單的壓力表是足夠了。但是，如果罐體是封閉并且可以加壓或減壓，底部及頂部開放空間之間的差壓讀數將自補償任何內部和大氣的壓差。這種方法行之有效，但它需要額外的管路。
電子反射
超聲波和雷達技術的應用范圍很廣，其特點在于不需要與產品直接接觸就能達到目的。當然，它們確實都需要一個位于罐頂部的接入點（除了穿墻測量點）。這兩種技術都有能力繞過部分內部障礙物，但各有其自身的局限性。
超聲波—這一技術可用多種方式實現，這使得它非常靈活。聲波脈沖發送入罐內后，傳感器檢查回聲返回時間。綜合濕度和溫度因素，它可以計算到表面的距離。超聲波測量也存在一些問題，如粉塵和泡沫，但這由實際應用過程決定。和雷達相比，超聲波的適用溫度和壓力范圍相對更有限些。
另一種超聲波傳感器可以安裝在容器壁上，并且無需穿透就可采取液位觸點。聲波脈沖和回聲能確定另一面的容器壁上是否有固體或液體材料。在某些情況下，它甚至可以區分到底是液位超越其上還僅僅是一層粘在壁上的物質。這種方法特別適用于無法使用電容測量，不能接觸被測量物，并不能對罐體穿孔的場合。
雷達—這項技術已在現場使用了25年以上，而近年來隨著其性能提高、成本下降，雷達技術的使用數量不減反增。過去，昂貴的價格、巨大的尺寸和極高的能耗使雷達傳感器只在用在不得不用的地方，但是現在它們的可用范圍越來越廣。雷達與超聲波類似，但限制更少，而且一般更為**：微波脈沖能夠更好地識破泡沫和粉塵，而且受壓力和溫度的限制更小。
雷達傳感器可配置非接觸式探頭，或者采用延伸到介質內部的波導。非接觸式設計比較常見，但當液體的介電常數很低且不能很好反射微波信號的情況下，導波方式就會變得很實用。“導波裝置的探頭將能量傳入液體然后獲取其反饋，”Magnetrol的雷達產品經理BoyceCarsella說，“如產品接觸不存在問題，返回信號的強度會高得多。”
雷達傳感器尤其適用于有高內壓、高溫、霧、蒸汽、急流以及其它問題的環境。“目前*大的問題是泡沫，”Carsella說，“我們必須了解液體的介電常數，泡沫大小或密度，泡沫層有多厚……”他建議導波裝置*好能過濾厚泡沫層的干擾。
雷達傳感器具有各種天線配置以滿足你的內部空間和液體特性的特殊要求，以獲得*佳效果。此外，不同的頻率可為各種困難情況和液體特性提供各種有針對性的功能。
電子探頭
當觸點式液位測量足夠滿足要求，同時接觸介質是允許的，電容和電導探頭就能提供簡便而可靠的解決方案。
電導式探頭是一種簡單的、能提供導電液體的觸點式液位讀數的測量裝置。通常采用兩個或更多的電導式探頭組來測量高低液位。如果是液體是非導電的，就必須使用另一種方法。
電容式探頭根椐多電極探頭周圍電容的改變來確定固體或液體物質的存在。射頻電流輸入電極，就可基于接觸介質的介電值來測量電容的改變。有些設計可以確定介質的介電值，這意味著它們可以區分不同的填充物。舉例來說，處在石油中的探頭與在水中的探頭將有不同的讀數。這可以幫助處理罐中同時存在一種以上介質的情況。
有些電容式傳感器可以在非金屬罐壁外側工作，在獲得觸點式液位信號的同時，避免了穿透或接觸介質。這種傳感器可以緊靠罐壁安裝，或在非金屬管道外繞上一圈。如果是金屬罐，傳感器可以放在透明的玻璃杯或用塑料管材制成的罐井上。“電容式傳感器特別適用于大多數固體介質，”TurckInstrumentation Group的產品經理RogerSaba說，“有一些奇怪的材料，如含氯洗滌劑，會覆蓋內罐壁從而改變塑料的性質。這會使一些電容式傳感器獲取錯誤的信號，但更先進的設備就能不受其影響。”
熱探頭需要插入罐中使用。它們利用一個小電熱元件加熱周圍一小部分空間，并測量其溫度的升高。如果探頭周圍沒有液體，溫度的升高相對較大。但是，如果探頭周圍有液體，熱量會逐漸消散，溫度相對就會低得多。
光束傳感器能感應光束發射器和接收器之間的障礙。固體或液體物質的存在反射或驅散光束，從而表明物質的存在。如介質吸收光束或被光穿透的能力過強，這項技術就無法顯示正確信息。
核（輻射）傳感器
核傳感器是一種非常有效的解決方案，但其費用和特殊的使用要求通常使該技術成為*后的選擇。其方案很簡單：將γ射線的發射源放置在容器的一邊。傳感器，例如Geigercounters，安裝在觸電式液位度數的另一邊。容器中固體或液體填充物以一種可預見的方式吸收γ射線，從而使確定液位。測量的**度取決于傳感器的數量，所以它通常用于高和低限警報。
輻射傳感器沒有任何介質方面的要求，也不需要穿透罐壁，因此它非常適用于高壓高溫環境、高價值的產品，以及對現有裝置的其他任何方式改造都不可用的情況。然而，使用能夠穿透一般不銹鋼儲罐的放射源需要有專門的執照和受過專業培訓的操作人員，所以這種方法前必須慎重考慮。
發展前景
和大多數的過程儀表一樣，液位傳感器的廠商正在尋找更有效的節電方法以減少電耗。從這個方面來說，一些方法比另一些更好。通常，低功耗使傳感器更適用于與無線傳輸的接口，以增強其在危險區域內工作的能力。很多傳感器都能采用間歇性觸發方式，但是在快速反應和工作過程中使用的功率方面相差很大。以使用磁致伸縮技術的傳感器為例，這種傳感器就比槳輪或熱方法有更大的使用潛力。當然，能耗僅僅問題之一，在作出選擇前，我們仍需綜合考慮各項性能的平衡。
技術匹配應用
以下是四種類型的應用及其相應的技術方法：
液體測量觸點液位式：
■ 電容
■ 電導式液位探頭
■ 浮標
■ 熱式
■ 光束
液體測量連續式：
■ 壓力
■ 浮標
■ 核子
■ 超聲波
■ 雷達
固體測量觸點液位式：
■ 電容
■ 振動
■ 漿輪
■ 光束
固體測量連續式：
■ 核子
■ 超聲波
■ 雷達
