新型液位檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

　　自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始, 由于微電子計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波等高科技的迅猛發(fā)展, 在液位自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了種類(lèi)多樣的測(cè)量手段, 并且其功能越來(lái)越完善, 各項(xiàng)性能指標(biāo)越來(lái)越易于適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求, 趨于自動(dòng)化、智能化?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)與自動(dòng)化儀表控制密不要分，現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是自動(dòng)化，智能化，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化。工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于物理量的測(cè)量有許多種，其中液位測(cè)量與流量測(cè)量是典型的兩種，液位測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域, 不但對(duì)液位測(cè)量精度要求高, 還需要測(cè)量?jī)x表很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境, 例如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)放射性的場(chǎng)合, 以及遠(yuǎn)距離傳送和在密閉壓力容器內(nèi)使用等情況。

　　文章介紹了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用的幾種較新的液位檢測(cè)方法與儀表：光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、音叉液位限位開(kāi)關(guān)、差壓式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、伺服型浮子液位計(jì)等幾種較新的液位檢測(cè)儀表及其檢測(cè)方法, 并對(duì)幾種液位計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。文章后指出, 液位自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)一方面需采用新的測(cè)量原理, 開(kāi)發(fā)新的液位檢測(cè)儀表, 擴(kuò)大檢測(cè)的手段, 另一方面需朝著微機(jī)化和智能化方向發(fā)展。
 
　　1 　新型液位檢測(cè)技術(shù)
　　國(guó)內(nèi)外在液位檢測(cè)方面采用的技術(shù)和產(chǎn)品很多, 傳統(tǒng)的液位計(jì)按其采用的測(cè)量技術(shù)及使用方法分類(lèi)已多達(dá)十余種。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外又不斷研制開(kāi)發(fā)出一些新的液位檢測(cè)方法, 已經(jīng)在工業(yè)中應(yīng)用的主要有以下幾種。

　　1 .1 　光纖液位計(jì)
　　光纖傳感器是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型傳感器, 它以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ), 以光纖作為敏感單元, 將敏感狀態(tài)以光信號(hào)取出, 再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn), 尤其在易燃易爆的惡劣環(huán)境中得到**應(yīng)用。光纖傳感器的應(yīng)用從根本上克服了電測(cè)方法帶來(lái)的火災(zāi)隱患, 在石油、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)某些不便應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的場(chǎng)合, 可精確、方便地進(jìn)行各種物理量的測(cè)量。
　　光纖液位計(jì)適用于多種液體的液位測(cè)量, 如汽油、柴油、機(jī)油、變壓器油、酸堿性溶液、液氮、酒類(lèi)、調(diào)料、飲料和水等, 已實(shí)現(xiàn)位移、壓力、溫度、速度、振動(dòng)、液位、角度等多種物理量的檢測(cè)。這類(lèi)檢測(cè)儀表一般具有體積小、重量輕、無(wú)動(dòng)作部件、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
　　目前, 國(guó)內(nèi)已有許多廠家生產(chǎn)光纖液位計(jì), 其中武漢中光光電有限公司生產(chǎn)的光纖液位計(jì)可在小于0 .1 mm 液位的變化條件下, 觸發(fā)信號(hào)輸出, 并自動(dòng)跟蹤光、電信號(hào), 經(jīng)過(guò)CPU 處理后直接輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供給二次儀表, 實(shí)現(xiàn)對(duì)液面連續(xù)自動(dòng)的高精度控制。南京航空航天大學(xué)研制的光纖液位計(jì), 用于液位檢測(cè)時(shí)精度可達(dá)±1 mm , 響應(yīng)時(shí)間小于0 .01 s ,大可傳輸距離為5 km 。
　　目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多新的光纖液位計(jì)。已用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的有:
　　(1)雙波紋管結(jié)構(gòu)光纖液位計(jì)。該液位計(jì)以差動(dòng)方式工作, 采用全光路補(bǔ)償方法和多種溫度補(bǔ)償技術(shù), 使得光纖液位計(jì)具有自動(dòng)補(bǔ)償性能, 克服了光源強(qiáng)度起伏和環(huán)境溫度變化這2 個(gè)主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)式強(qiáng)度型光纖液位計(jì)測(cè)量精度的影響。
　　(2)浮筒式光纖液位計(jì)。該液位計(jì)是一種適用于易燃、易爆液體貯罐的光纖液位計(jì), 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)全光無(wú)電在線檢測(cè)功能, 其輸出信號(hào)與光強(qiáng)變化無(wú)關(guān),具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
　　(3)反射式動(dòng)?xùn)殴饫w液位計(jì)。該液位計(jì)的光源、光纖、探測(cè)器位于光敏元件的同一側(cè), 輸入、輸出共用1 根光纖束, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于測(cè)量、成本較低, 適用于大型液體貯罐的液位測(cè)定。其它還處于研制開(kāi)發(fā)階段的光纖液位計(jì)有棱鏡式光纖液位計(jì)、斜面單光纖液位計(jì)。

　　1 .2 　磁致伸縮液位計(jì)
　　磁致伸縮液位計(jì)是采用磁致伸縮原理開(kāi)發(fā)出的新一代高精度液位計(jì)。磁致伸縮效應(yīng)是鐵磁材料在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生形變的物理現(xiàn)象, 即在外磁場(chǎng)作用下,鐵磁材料內(nèi)部隨機(jī)取向的磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)直至與外磁場(chǎng)方向一致, 使鐵磁材料在幾何尺寸上出現(xiàn)沿外磁場(chǎng)方向的伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象。
　　磁致伸縮液位計(jì)利用磁性浮子隨液位浮動(dòng)進(jìn)行工作, 但其工作原理與浮球液位計(jì)完全不同。它利用傳感器產(chǎn)生沿波導(dǎo)線傳播的電流脈沖即起始脈沖, 其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與磁環(huán)形成的磁場(chǎng)相疊加, 靠磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生瞬時(shí)扭力, 使波導(dǎo)線扭動(dòng)并產(chǎn)生張力脈沖, 該脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)線傳回, 即終止脈沖, 通過(guò)測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差即可精確地確定被測(cè)液體的液位。磁致伸縮液位計(jì)的外形結(jié)構(gòu)與浮球液位計(jì)相似。
　　磁致伸縮液位計(jì)的特點(diǎn):精度高, 穩(wěn)定性好, 使用壽命長(zhǎng), 可多信號(hào)輸出, 具有反極性保護(hù)功能, 防雷擊、防射頻干擾, 結(jié)構(gòu)精巧, 環(huán)境適應(yīng)強(qiáng), 應(yīng)用范圍廣, 有多參數(shù)液位測(cè)量及自校正、免維護(hù)等獨(dú)特功能, 尤其適用于大量程、多參數(shù)、高精度的液位測(cè)量。其測(cè)量范圍大可達(dá)18 m , 測(cè)量精度可達(dá)0 .1 ～0 .5 mm , 對(duì)溫度變化不敏感, 可同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是價(jià)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(shí)際介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。
　　磁致伸縮效應(yīng)在液位測(cè)量中的應(yīng)用只有十幾年的歷史, 而中國(guó)還處在引進(jìn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)階段, 但是發(fā)展很快。目前該類(lèi)液位計(jì)大部分是進(jìn)口, 國(guó)內(nèi)部分企業(yè)也有一些產(chǎn)品。常用的有SF 、MS 、SFMS 和UPM100 系列。磁致伸縮液位計(jì)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使它在當(dāng)今液位測(cè)量領(lǐng)域占有很大優(yōu)勢(shì), 相信它很快將在高準(zhǔn)確度、多參數(shù)液位測(cè)量中得到**應(yīng)用。

　　1 .3 　音叉液位限位開(kāi)關(guān)
　　音叉液位限位開(kāi)關(guān)是一種新型的液位檢測(cè)儀表, 又被稱作“電氣浮子” , 是浮球限位開(kāi)關(guān)的升級(jí)換代產(chǎn)品。音叉是受微弱能量驅(qū)動(dòng)就能產(chǎn)生共振的彈性物體, 用壓電陶瓷元件激勵(lì)音叉產(chǎn)生振動(dòng), 當(dāng)音叉被液體浸沒(méi)時(shí), 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(guò)電路輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。凡使用浮球限位開(kāi)關(guān)或由于結(jié)垢、湍流、攪動(dòng)、振動(dòng)等原因不能使用浮球限位開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合均可使用音叉液位限位開(kāi)關(guān)。
　　音叉液位限位開(kāi)關(guān)的特點(diǎn):價(jià)格較低, 靈敏度高, 體積小, 重量輕, 安裝方便, 適應(yīng)性強(qiáng), 被測(cè)液體不同的電參數(shù)、密度對(duì)測(cè)量均不產(chǎn)生影響, 中等粘度、高溫、高壓等惡劣條件對(duì)檢測(cè)也無(wú)影響。開(kāi)關(guān)的檢測(cè)由電子電路完成, 無(wú)活動(dòng)部件, 所以音叉液位限位開(kāi)關(guān)一經(jīng)安裝投運(yùn)便不需特殊維護(hù)保養(yǎng), 當(dāng)有過(guò)多被測(cè)介質(zhì)污染和粘附叉體時(shí), 清理掉即可。由于不受被測(cè)介質(zhì)電參數(shù)及密度的影響, 所以無(wú)論測(cè)量何種液體都不需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校, 既可探測(cè)密度很低的液體介質(zhì), 低密度可達(dá)0 .1 g/cm3 , 也可探測(cè)粘性介質(zhì), 如水泥、型砂等, 當(dāng)液體的粘度發(fā)生變化時(shí)也可正常工作, 但需避免被測(cè)介質(zhì)的直接沖擊和飛濺,以免引起誤動(dòng)作。在有泡沫存在的場(chǎng)合則需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校。

　　1 .4 　差壓式液位計(jì)
　　差壓式液位計(jì)利用液體的壓強(qiáng)原理, 在液體的底部檢測(cè)液體壓強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓差。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 半導(dǎo)體表面擴(kuò)散工藝在差壓式液位計(jì)平衡電橋的制作中得到了**應(yīng)用。它通過(guò)液體底壓強(qiáng)使半導(dǎo)體擴(kuò)散硅薄膜產(chǎn)生形變, 引起電橋不平衡, 電路輸出與液位高度相對(duì)應(yīng)的電壓, 從而獲取液位信號(hào)。差壓式液位計(jì)適用于液面邊界測(cè)量和位式測(cè)量, 能**用于難以處理的工藝液體的液面邊界測(cè)量。除了液體密度在正常工況下有明顯改變外, 對(duì)于大多數(shù)工藝對(duì)象, 差壓式液位計(jì)都可以滿足要求;對(duì)腐蝕性液體、結(jié)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(duì)高結(jié)晶液體、高粘性液體、結(jié)膠性液體、沉淀性液體宜選用法蘭插入式差壓儀表;當(dāng)氣相有大量冷凝物或沉淀物析出時(shí)可選用雙法蘭式差壓儀表。差壓式液位計(jì)可以進(jìn)行數(shù)字輸出, 具有精度高(0 .7 %)、漂移小、抗過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但當(dāng)介質(zhì)的密度隨介質(zhì)的溫度、壓力、組分而變化時(shí), 差壓式液位計(jì)會(huì)產(chǎn)生虛假液位, 所以在介質(zhì)密度變化明顯的環(huán)境中不應(yīng)采用。



　　1 .5 　雷達(dá)液位計(jì)
　　雷達(dá)液位計(jì)利用喇叭狀波導(dǎo)管發(fā)射低功率微波(幾十微瓦), 遇到被測(cè)介面后, 部分微波反射回來(lái),被發(fā)射、接收組合液位計(jì)系統(tǒng)接收, 通過(guò)測(cè)量發(fā)射、接收的時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量液位。發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比, 回波的極性和振幅取決于上層介質(zhì)與下層介質(zhì)的介電常數(shù)。上層的介質(zhì)通常為氣體, 下層被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)較高。
　　由于雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的微波沿直線傳播, 在液面處產(chǎn)生反射和折射時(shí), 微波有效的反射信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生衰減, 當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)小到一定值時(shí), 會(huì)使微波有效信號(hào)衰減過(guò)大, 導(dǎo)致雷達(dá)液位計(jì)無(wú)法正常工作。為避免上述情況的發(fā)生, 對(duì)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有一定的要求, 即被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)必須大于產(chǎn)品所要求的小值。不同的型號(hào)有不同的要求, 一般要求相對(duì)介電常數(shù)大于3 。
　　雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的微波傳播速度取決于傳播媒介的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率, 所以微波的傳播速度不受溫度變化的影響。但是對(duì)高溫介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量時(shí), 需要對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的液位計(jì)和天線部分采取冷卻措施, 以保證液位計(jì)在允許的溫度范圍內(nèi)正常工作, 或使雷達(dá)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(duì)天線的影響。由于微波的傳播速度僅與相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān), 所以雷達(dá)液位計(jì)可以在真空或受壓狀態(tài)下正常工作。但是當(dāng)容器內(nèi)操作壓力高到一定程度時(shí), 壓力會(huì)對(duì)雷達(dá)測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。有關(guān)文獻(xiàn)指出, 當(dāng)壓力為10 MPa 時(shí), 壓力對(duì)微波傳播時(shí)間的影響為2 .9 %;當(dāng)壓力為100 MPa 時(shí), 壓力對(duì)微波傳播時(shí)間的影響可高達(dá)29 %。
　　雷達(dá)液位計(jì)的大特點(diǎn)是適用于超聲波液位計(jì)應(yīng)用效果不理想的環(huán)境中, 如負(fù)壓(真空)、蒸汽、霧狀空間、粉塵環(huán)境等。其大量程可達(dá)35 m , 測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)。但其缺點(diǎn)是價(jià)格過(guò)高, 不能耐高溫、高壓。



　　1 .6 　伺服型浮子液位計(jì)
　　伺服型浮子液位計(jì)通過(guò)浮子在液面、液內(nèi)、界面上受到不同的浮力, 利用重力敏感裝置測(cè)量浮子的重量, 用伺服電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制升降浮子, 是一種自動(dòng)跟蹤液位變化的高精度伺服式液位計(jì)。它可同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)傳信號(hào), 采用微機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 其動(dòng)態(tài)跟蹤誤差可達(dá)0 .1 mm , 同時(shí)還能補(bǔ)償液面的高低對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差;對(duì)液面的測(cè)量精度可達(dá)0 .7 mm , 靈敏度可達(dá)0 .1 mm 。另外, 它還可測(cè)量密度、界位等計(jì)量參數(shù), 具有自診斷及通信功能。由于幾乎沒(méi)有傳動(dòng)部件, 因此, 該液位計(jì)具有較高的可靠性。

　　2 　幾種液位測(cè)量?jī)x表的比較


　　表1 為上述幾種液位計(jì)的性能比較表?！　?br /> 　　隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展, 測(cè)量液位的方法及相應(yīng)的儀表也在不斷地改進(jìn)和更新, 但是沒(méi)有哪一種位測(cè)量?jī)x表能夠適應(yīng)所有的介質(zhì)或環(huán)境, 需根據(jù)測(cè)量要求和使用環(huán)境, 針對(duì)每種測(cè)量方式的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn), 在眾多儀表中選擇可靠、準(zhǔn)確、實(shí)用的液位測(cè)量?jī)x表。

　　3 　液位檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　　隨著工業(yè)生產(chǎn)日趨自動(dòng)化, 對(duì)液位檢測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。為解決生產(chǎn)中的測(cè)量問(wèn)題, 一方面是采用新的測(cè)量原理, 開(kāi)發(fā)新的液位檢測(cè)儀表, 擴(kuò)大檢測(cè)的手段, 另一方面需朝著實(shí)現(xiàn)微機(jī)化和智能化的方向發(fā)展。
　　近年來(lái), 微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測(cè)技術(shù)發(fā)生了根本性變化。新的檢測(cè)原理與電子部件的應(yīng)用使得液位計(jì)更趨向小型化和微型化, 特別是一些小型現(xiàn)場(chǎng)液位開(kāi)關(guān)發(fā)展極快, 如光纖液位計(jì), 由于沒(méi)有可動(dòng)部件, 所以可靠性高, 不僅可現(xiàn)場(chǎng)顯示, 而且可以發(fā)出控制信號(hào)。與此同時(shí), 液位檢測(cè)也正向著智能化方向發(fā)展, 在液位測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)**應(yīng)用微處理技術(shù), 以實(shí)現(xiàn)故障診斷和報(bào)警功能, 提高測(cè)量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應(yīng)用和設(shè)計(jì)液位計(jì)時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)不接觸式或不滲透式測(cè)量, 如雷達(dá)液位計(jì), 從而提高探頭對(duì)惡劣環(huán)境的抵抗能力, 以便在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確、可靠地工作。
　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及, 直接輸出數(shù)字信號(hào)的數(shù)字化液位傳感器已成為這一領(lǐng)域儀表的發(fā)展趨勢(shì);隨著納米技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展, 納米技術(shù)和生物技術(shù)在液位測(cè)量中的應(yīng)用也將會(huì)日益增多。總的來(lái)說(shuō), 液位計(jì)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。

上一條：遠(yuǎn)傳雙法蘭液位計(jì)在氣化爐裝置應(yīng)用中的問(wèn)題分析及防范措施淺析
下一條：關(guān)于液體渦輪流量變送器正確的安裝步驟