一種電導(dǎo)式液滿檢測裝置的研究

中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

一、引言

液位檢測在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的作用，通常液位檢測指非滿狀態(tài)下，液面在貯罐中的位置，液位檢測方法包括微波法[1]、超聲法[2]、激光法[3]、靜壓法[4]、電容式[5]，電導(dǎo)式[6]及浮子式[7]等。

電導(dǎo)式液位測量方法根據(jù)液體導(dǎo)電的特點(diǎn)，采用與被測液體相接觸的電極進(jìn)行液體電導(dǎo)測量，通過測得的液體電導(dǎo)計(jì)算被測液體的液位值。

在液體收集過程中，更多關(guān)注的是回收罐中液滿與否，電導(dǎo)式液位檢測傳感器也可以進(jìn)行液滿的檢測，但成本高，制作及安裝相對復(fù)雜，且對電導(dǎo)率不恒定液體如污水，電導(dǎo)法不適用。另外，在貯液罐液體收集過程，液滿與否的檢測主要依靠人為定時(shí)查看，操作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為此，設(shè)計(jì)了一種電導(dǎo)式液滿檢測裝置，該裝置無需實(shí)時(shí)監(jiān)測液位高度，可在線檢測液滿狀態(tài)，且檢測不受液體電導(dǎo)率變化影響，成本低，安裝及操作簡單，適合工業(yè)生產(chǎn)過程廢液及其他貯液罐液滿檢測。

二、檢測原理

設(shè)計(jì)的檢測裝置為分體式，檢測電極和檢測電路通過連接電纜實(shí)現(xiàn)信號的采集和輸出。檢測電路可根據(jù)使用情況安裝在操作室，液體收集過程無需人為現(xiàn)場觀測。

液滿檢測裝置如圖1所示。電極安裝在廢液回收罐罐口部位，緊貼電極有一層吸水材料。工作時(shí)，對電極兩端施加一個(gè)振蕩電壓，吸水材料中無待檢液體時(shí)，電極兩端檢測到的是吸水材料的電導(dǎo)（電阻）值G1，由于吸水材料自身材質(zhì)接近于絕緣物，因此電極兩端檢測到的阻值無限大，處于絕緣狀態(tài)。當(dāng)吸水材料被待液體潤濕后，電極兩端檢測到的是待測液體的電導(dǎo)（阻）值G2，吸水材料電阻遠(yuǎn)大于待測液體，即電導(dǎo)（電阻）G2遠(yuǎn)大于電導(dǎo)（電阻）G1，因此，當(dāng)吸水材料從無水狀態(tài)到被潤濕后，電極兩端電導(dǎo)（阻）值發(fā)生了突變。設(shè)計(jì)中，將電極兩端電導(dǎo)（阻）值采集并轉(zhuǎn)化成電壓信號，在檢測電路采集的電壓值變化到某一設(shè)定點(diǎn)，電路中的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲訊號，提示液滿。

三、檢測電極設(shè)計(jì)

檢測電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。檢測電極采用環(huán)形設(shè)計(jì)，環(huán)形中間為過水孔。貯液罐液滿后，透過吸水材料的液體從過水孔透過PCB板，到達(dá)水收集罐罐口的視窗。環(huán)狀電極均勻分布于PCB板，通過引線串接分別形成電極1和電極2，同時(shí)，任意兩個(gè)圓環(huán)間距相等，滿足在檢測過程中，吸水海綿任意點(diǎn)潤濕，電極均可準(zhǔn)確及時(shí)的反饋出電導(dǎo)（電阻）信號。

環(huán)形電極采用電路板成型工藝，電路板常用錫或金，電極材料選用貴金屬金，由于其化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于錫，且具有很高的耐腐蝕特性，避免長時(shí)間暴露于水收集罐上方，金屬表面的腐蝕和鈍化。

四、報(bào)警范圍的選取

取三種不同電導(dǎo)率參數(shù)的水質(zhì)，分別對電極間吸水材料進(jìn)行滴水試驗(yàn)，并記錄電極間阻值。如表1所示。可以看出，加水量越多，即吸水材料潤濕面積越大，阻值越小；水質(zhì)電導(dǎo)率越大，阻值越小。

表1 不同水質(zhì)下電極間吸水材料滴水試驗(yàn)

在報(bào)警參數(shù)的選取中考慮到以下因素：

（1）為防止吸水材料上微量的飛沫導(dǎo)致誤報(bào)警，報(bào)警參數(shù)不能太大；

（2）為防止長時(shí)間使用，可能因電路不穩(wěn)，產(chǎn)生的波動(dòng)電阻大于報(bào)警電阻，報(bào)警參數(shù)不能太小。

圖3為表1數(shù)據(jù)中吸水材料水量與電極間阻值的關(guān)系曲線。如圖3所示，向吸水材料滴加第三滴水開始，在100±30μs/cm水質(zhì)范圍內(nèi)，電極間阻值出現(xiàn)明顯突變。結(jié)合以上兩種因素，選擇電極間阻值達(dá)到400kΩ～700kΩ，為報(bào)警裝置報(bào)警范圍。即當(dāng)吸水材料被水浸潤至電極間阻值小于等于400kΩ～700kΩ間任何阻值，給出報(bào)警信號，即提示液滿。

另外，從表1數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)的報(bào)警范圍實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)式液滿檢測裝置，不受待檢液體電導(dǎo)率的影響。

五、響應(yīng)時(shí)間

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，將設(shè)計(jì)的檢測電極安裝在廣口瓶頸部，向瓶中收集不同水質(zhì)的液體，經(jīng)試驗(yàn)，液滿后液體快速潤濕吸水材料，記錄的響應(yīng)時(shí)間如表2所示。

表2 不同水質(zhì)下液滿檢測裝置響應(yīng)時(shí)間

表2中響應(yīng)時(shí)間為向吸收材料滴加第一滴水至蜂鳴器給出報(bào)警信號的時(shí)間，由數(shù)據(jù)可以看出該電導(dǎo)式液滿檢測電極響應(yīng)快速、檢測靈敏，避免了因響應(yīng)信號滯后引起液體溢出貯液箱的狀態(tài)。

六、結(jié)論

設(shè)計(jì)的電導(dǎo)式液滿檢測裝置，原理簡單，成本低廉，易于加工，檢測電極可以根據(jù)回收罐形狀而設(shè)計(jì)，使用及操作簡單，響應(yīng)時(shí)間快，檢測方法不受檢測對象電導(dǎo)率變化的影響，很好的滿足了工業(yè)生產(chǎn)中各種貯液罐液滿在線監(jiān)測。