液氮加注系統(tǒng)中的液位傳感器

張俊蓮 史媛 馮玉華

摘 要：液氮加注系統(tǒng)中，液體加注設(shè)備是關(guān)鍵設(shè)備之一。為保證液體加注設(shè)備的準確加注，離不開在合適的位置安裝可靠的傳感器設(shè)備。液位傳感器是液體加注系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文介紹了液體加注系統(tǒng)的加注方式、液位傳感器的種類和工作原理，提出了液位傳感器的選擇依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液氮加注機;傳感器

1 液體加注系統(tǒng)

液氮加注系統(tǒng)中，液體加注設(shè)備是關(guān)鍵設(shè)備之一，液體加注設(shè)備擁有兩大加注功能，一個是向其他容器加注液體，一個是向自身容器加注液體。向其他容器加注液體又分為兩種模式，一種為自適應加注，一種為定速加注。自適應加注通過速度傳感器檢測容器的流動速度，根據(jù)容器的流動速度計算出加注液體的時間，然后通過容器檢測傳感器檢測容器是否到達加注液體閥門的下方。如果容器檢測傳感器檢測到容器通過加注液體閥門的下方，則開啟加注液體閥門，開啟時長為根據(jù)容器的流動速度計算出的時間。定速加注不管容器的流動速度，它只通過設(shè)定的加注時長來加注液體。定速加注也是通過容器檢測傳感器來檢測是否有容器到達液體加注閥門的下方，如果有則開啟閥門，開啟時長為設(shè)定的時長。向自身容器加注液體，是通過液位檢測傳感器來檢測自身容器液位，如果液位低于了下限報警值，則開啟向自身加注液體閥門開始加注液體。液體加注一直到液位上限報警值才停止。液位傳感器是液體加注系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。

2 液位傳感器的種類

液位傳感器是一種常見的測量液位位置的傳感器，它是將液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號的形式進行輸出的一種元件，在不同應用地方，叫法又不一樣，靜壓液位計、液位變送器、液位傳感器、水位傳感器都是液位傳感器。常見的液位傳感器有浮球式液位變送器、浮筒式液位變送器、電容式液位變送器、磁翻板液位變送器、超聲波液位變送器、雷達液位變送器等。

浮球式液位變送器由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導管上下移動。導管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成4～20mA或其它標準信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護電源并使二次儀表不被損壞。測量方式為最簡單、最古老的檢測方式，價格相對便宜。主要是通過浮球的上下升降來檢測液面的變化，其為機械式檢測，檢測精度容易受浮力影響，重復精度差，不同液體需要重新校準。不適用于粘稠性或者含雜質(zhì)液體，容易造成浮球堵塞，同時，不符合食品衛(wèi)生行業(yè)的應用要求。

浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應變傳感技術(shù)來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時可以通過現(xiàn)場按鍵來進行常規(guī)的設(shè)定操作。該變送器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補償電路補償，最后以4～20mA或0～10mA電流方式輸出。

電容式液位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中進行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導電與非導電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制4～20mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為1～5V、0～5V、0～10mA等標準信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當料位上升時，因非導電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進行測量的優(yōu)點是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。電容式測量主要通過檢測由于液面或者散料高度變化而導致的電容值變化來測量料位高度。其具有多種類型，有可輸出模擬量的電容式液位計，液位電容式接近開關(guān)，電容式接近開關(guān)可以安裝于容器側(cè)面進行非接觸檢測。當選擇必須注意，電容傳感器容易受到不同的容器材質(zhì)和溶液屬性影響。

磁翻板液位變送器適用于鐵罐，塑料罐和化工行業(yè)反應釜上的液位測量;超聲波液位變送器適用于粘度較高的介質(zhì)測量，價格相對較低;雷達液位變送器適用于粘度較高的介質(zhì)測量，價格相對較高。

液位傳感器與液位開關(guān)的區(qū)別。液位開關(guān)是根據(jù)液位傳感器的信號輸出開啟放水或者進水的閥門而使水位保持恒定的一種控制器。也可以說液位開關(guān)輸出的是一種開關(guān)信號，液位開關(guān)首先要確定液位的高度，依據(jù)這個高度來輸出開關(guān)量信號。而液位傳感器是將液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號的形式進行輸出。我們可以對電信號進行處理比如和plc、數(shù)據(jù)采集器或者專業(yè)顯示器相連進而輸出液位的高度。還有就是液位開關(guān)和液位傳感器的原理雖然相同。但是液位開關(guān)是開關(guān)控制電路，而液位傳感器是相當于變壓，變流用的電路元件。

3 液位傳感器的工作原理

液位傳感器的測量方式有：靜壓式測量，通過檢測底部液體壓力，轉(zhuǎn)換計算出液位高度;光電折射式測量，通過傳感器內(nèi)部發(fā)出光源，光源通過透明樹脂全反射至傳感器接受器，但遇到液面時，部分光線將折射至液體，從而傳感器檢測全反射回來光量值的減少來監(jiān)控液面。音叉振動測量，僅為開關(guān)量輸出，不能用于連續(xù)性監(jiān)控液體高度。其原理為：當液體或者散料填充兩個振動叉時，共振頻率改變時，依靠檢測頻率改變而發(fā)出開關(guān)信號;超聲波測量，通過檢測超聲波發(fā)送與反射的時間差來計算液位高度等。其中，靜壓式測量液位傳感器的工作原理簡述如下：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓強公式為：Ρ=ρgH+Po。式中，P為變送器迎液面所受壓強;ρ為被測液體密度;g 為當?shù)刂亓铀俣?Po為液面上大氣壓;H 為變送器投入液體的深度。同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，使傳感器測得壓力為：ρgH，所以通過測取壓強P，可以得到液位深度。

4液位傳感器的應用選擇

液位傳感器被用于各種液體液位的的測量，可適用于高溫、高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、防堵塞、防冷結(jié)以及固體粉狀、粒狀物料等特殊條件下的液位，料位或物位的連續(xù)檢測，可根據(jù)測量對象的特點和傳感器的使用條件確定量程的大小、傳感器的體積、測量方式為接觸式還是非接觸式、信號的引出方法為有線或是非接觸測量、傳感器的來源、價格、靈敏度、頻率響應特性等方面確定所需液位傳感器的類型。