液位测量技术研究背景现状及趋势

液位测量技术研究背景现状及趋势1研究背景........................................................................................................................................12液位测量技术的概述....................................................................................................................12.1液位的概述.........................................................................................................................1①雷达液位传感器...........................................................................................................2②超声波液位传感器.......................................................................................................2③同位素/放射性液位传感器..........................................................................................3④电子类液位传感器.......................................................................................................3⑤热学式液位计...............................................................................................................4⑥光学液位计.................................................................................................................4⑦液压类液位计...............................................................................................................42.2国内外液位测量的现状分析.............................................................................................52.3国内外液位传感器的发展方向.........................................................................................61研究背景在很多工业生产过程中，常常需要测量各种固体、液体物料的高度、体积等参数，但是由于测量是瞬时的动态信号，数据的精确性、稳定性、可靠性要受到诸多环境因素的影响，如温度、油压、油管的阻尼比、变频器的高频干扰、油路的泄漏等。液位测量主要是基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化的原理而实现的。这些物理参数可能是电量的或非电量的如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等，它们的共同特点是能够反映相应的液位变化并易于检测。由于电子技术的发展，很好地解决了温度变化和寄生电容干扰等对电容式传感器测量准确度的影响为电容式传感器的应用开辟了广阔的前景。2液位测量技术的概述2.1液位的概述在各种化工、食品、石油、仓储等工业生产过程中，经常要对存储在储仓、罐和其它容器中的生产原料及产品、液体或固体的体积或高度进行测量和控制以确保生产的正常进行，通常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种。即：1)液位是指：积存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐、水库、水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。2)料位是指：固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位，如炉、罐、槽内的颗粒状或粉末状固体物质的体积或高度。3)界位是指：两种或以上的不同比重且不相容的分界面，如油与水的分界面，用于测量这些参数的传感器称物位传感器，其中，根据测量的物位范围或测量对象不同，又分为：液位传感器、料位传感器及界位传感器。液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。其次、随着生产自动化程度的不断提高、必须首先对液位测量数据进行控制与调节、以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态；再就在现代化的企业生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理、所以液位测量技术也随之提出更高的要求、控制系统也更趋智能化、统一化要求测量的对象要广测量的精度要求高、可靠性要好测量环境特殊、实用性要强等、所以这对测量带来很大的困难、尤其是液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量，被测物具有粘滞性或是导电介质等情况时，如何来提高测量精度，有时还要考虑容器的密封性，介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影响，因此，为了满足各种不同测量条件的要求，人们研制出适合于各种各样要求的液位传感器。目前，国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法，有以下几大类：①雷达液位传感器雷达传感器就是利用发射、反射、接收的原理来测量距离的。因此可用于有毒有害的恶劣环境下。雷达液位传感器是一种特殊形式的电磁波，其物理特性与可见光相似，雷达信号可以穿透空间。雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：1)被测介质的导电性；2)被测介质的介电常数，所有导电介质都能很好地反射雷达信号尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量，雷达波不易受干扰，且能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量，无需在容器上开孔，实现非接触测量，还可应用于各种场所，如真空测量，液位测量，粉灰位或固体料位测量，即便在飞灰、粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量，然而雷达传感器的测量信号运行时间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造就它的价格昂贵、技术实施困难。②超声波液位传感器超声波液位传感器发展最快、应用最广泛，常用于测量明渠液位及开口容器内液位，它由超声换能器发射的超声脉冲经空气中在被测介质上发射再返回接收换能器测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距离根据换能器安装高度，就能得出液位高度，但声波传播速度多受环境因数影响，其测量信号的可靠性较差、误差较大、校正补偿复杂。③同位素/放射性液位传感器它是利用放射性同位素的射线（如α射线、β射线、γ射线）的穿透和反射能力，通过测量α射线、β射线、γ射线到达物料时其穿过物料或经过物料反射的衰减原理、检测穿过被测物料后的射线信号的强度、来达到测量液位的目的。该射线的强度会随液位的高度变化而变化，在放射线源与检测器之间有吸收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对检测器内的物质吸收能量的大小的检测，在经过信号转换，即可得出被测液位的高度。由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场合，而且还因为对射线的吸收知与介质密度有关，因此它可以测量不同密度的液体分界面，气体与固体或液体与固体的分界面。但射线易受到衰减，检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用对人体有害。④电子类液位传感器测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。其中最常用且最成熟的当数电容式液位传感器，他不但精度较高、且量程广、适合于测量各种介质、导电介质、非导电介质的液位、惟独不能测量导电的粘性介质。电容式液位计：利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息；它结构简单，其问题是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿，测量仪器与传感器用长电缆连接，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差。电容液位传感器是利用被测对象的物质的导电率，将液位变化转换成静电电容变化来测量的一种液位计，但对导电介质或粘性介质易产生挂料，误差较大、易受干扰、严重影响测量结果。电阻式液位计：探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻止大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息，其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染与沉积物能产生错误输出，在直流工作时会产生电解，响应速度慢。⑤热学式液位计由热、电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。它结构小、适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等。⑥光学液位计主要是光纤液位传感器，光纤液位传感器的主要算法理论依据是基于光强度的变化来实现液位测量。它可以是用发光元器件将射出来的光通过传输光纤送到光敏感元件上，在敏感元件的球面上，有一部分光透过而残余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，反射量减少因而，由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体，反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测物质的折射率，并通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。光纤传感器也可以是塑料测杆探头加工成斜面或锥面。光源光线射进测杆后，若测杆在空气中则发生全反射是光线原样射回，若测杆插入液体内，由于液体的折射率比空气的折射率高，锥面处发生光折射，全内反射效应消失，从接收到的光功率就可以测量点液位，其问题是油滴、剩油和冷凝作用可能影响测量精度。这类液位传感器结构简单，容易实现、成本低、抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、响应时间短、适用于易爆易燃等场合。然而它受光源强度的波动和连接器损耗变化等影响较大，因此它测量范围小、精度低、能量易损耗，不宜测量低粘度液位（因其表面受到振动后易产生波动），长期稳定性差。⑦液压类液位计此类液位计可以进行连续测量气泡式液位计：将被测液位值转换为空气压力值，测定该压力值后，利用该被测压力与液体相对密度乘落差之积成正比的原理测量液位，其问题是检测方式十分复杂。压力传感器：它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变的原理来设计的。在测量无压敞开的容器时，大多采用直接测量底部某点压力来测量，这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。液位传感器的分类，还有按功能进行分类，如连续式液位传感器、点式测量液位传感器等等。但是目前使用最为广泛的液位传感器技术有，核辐射法、光导法、超声法、微波法、雷达法、电容式、射频导纳式等多种传感器技术和智能化测量控制技术、各有其优缺点和适应性且都有应用、但最为广泛应用的还是当数电容式射频导纳法和超声式液位传感器、本文将围绕这三类液位传感器的工作原理、结构特点、误差分析以及信号调理数据采集电路的设计等进行深入的分析研究[1-4]。2.2国内外液位测量的现状分析对于液位测量传感器的研究，国外的液位测量技术起步较早，且投入资金雄厚，发展非常迅速，到目前为止，国外许多公司都研制出很多功能齐全的、自动化智能程度高、精度高的测量体系与产品系列，如美国DREXELBROOK公司研制的UniversallⅡTM连续液位变送器（其精度可达0.1%，量程最大15米，4-20mA电流输出，上、下限位报警，叠加智能通讯协议—HART、Hone