液位檢測系統中傳感器對測量過程影響的分析研究

程鳴鳳

（張家界航空工業職業技術學院， 湖南 張家界 427000）

液位檢測系統一般采用兩種類型的傳感器，一種是電容傳感器，另一種是超聲波傳感器，二者的原理和使用要求完全不同，現在對二者的使用過程進行分析和研究。

1 電容傳感器液位檢測

電容傳感器是把被測液位轉換為電容量變化的一種傳感器。它檢測液位具有輸入阻抗高，自身功耗小；測量范圍大，響應速度快；溫度和周圍影響因素較小；結構簡單，可以根據檢測對象變化而設計不同的形狀和尺寸，可以根據檢測環境的不同設計信號調節電路、適應性強，可在惡劣的環境下使用等優點，但它具有分布電容影響嚴重的缺點。因為傳感器的電容量一般為10-100pF，非常小，而線路及外殼等因素產生的等效電容值也是pF級別，對輸出的電容影響較大，所以在設置傳感器的初始電容的時候，極板材料和尺寸的選擇非常重要。通常用一根金屬棒插入盛液容器內，如圖1所示，

圖1

相比較容器壁由非金屬材料內加管式電極極板，正對面積更大，初始電容值也更大，作為容器，液體存放的體積也更大。兩電極1和2間的介質即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數ε和液面上的空氣介電常數ε0不同，通常情況下ε＞ε0，則當液位升高時，兩電極間總的介電常數值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，ε值減小，電容量也減小。兩電極間的電容量的變化來測量液位的高低。電容液位計的靈敏度主要取決于兩種介電常數的差值，而且，只有ε恒定才能保證液位測量準確，輸出關系為C=Kh+m,其中K和m是關于容器外形、尺寸及介電常數的參數，建立了電容C和高度h之間的線性函數關系，指示儀表就可以設置均勻的誤差，減少誤差。因被測介質具有導電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。關于電路選擇，以油箱為例，實際應用在油箱為空的時候，電容值不為零，而此時指示儀表需要指針指向0，故采用接入可調電位器RP的電橋電路調零，當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，電橋輸出U0=0，于是伺服電動機停轉，指針停留在轉角θX2處；當油箱中的油位降低時，U0反相，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉，同時帶動RP滑動，使其阻值減少；當油箱中的油位增加時，U0正向變化，伺服電動機正轉，指針順時針偏轉，同時帶動 RP滑動，使其阻值減少，如此，可判定油箱的油量，如果采用其它轉換電路就要單片機或程控器的程序來驅動，顯示的是數字信號。電容液位計較廣泛用于容器內液位的檢測，結合容器的使用，金屬中心電極采用導電性較強的銀銅電極，所占空間非常小，容易實現遠距離的傳播，在液體介質壓力很大的情況下也可以穩定測量，具有較高的機械強度。

2 超聲波傳感器測液位

在自動化和工業生產中，有一些有毒、易揮發、易爆炸的液體介質需要密封容器儲存，而這些容器的液位檢測不能采用直接接觸測量 ，顯然電容式傳感器不能滿足測量要求。超聲波是一種頻率在20kHz機械波，它按照一定的方向傳播，在氣體、固體和液體中都可以傳播，遇到兩種介質的分界面會產生明顯的反射，與此同時折射的程度較小，一般利用超聲波的全反射現象進行測量，但不同介質中都會有衰減，但氣體中衰減程度最大，頻率越高，衰減越快，超聲波一般用來檢測固體或液體能檢測較強的反射信號，可以根據發射和反射信號的時間差t及檢測介質聲速來完成測量過程。超聲波傳感器是有發射和接受元件兩部分組成，發射是一個超聲波聲源，利用晶體在 555定時器組成的振蕩電路發射較高頻率的超聲波信號，接收端利用壓電元件的正壓電效應工作，從使用的穩定性和時間來考慮，石英晶體是普遍的選擇，但壓電陶瓷的靈敏度更高。使用過程中，在密封容器下方安裝了超聲波發射部分和接收部分，傳感器發射的超聲波在液面被反射，經過時間t后，接收到從液面反射回的超聲脈沖，探頭到液面的距離 L=Vt/2,液位高度 h=H-L。在實際安裝過程中，超聲波信號在測量介質時，因為發射端與被測容器之間有空氣，形成了復雜的反射干擾信號，因此常采用象甘油、膠水、水玻璃、水、面粉漿糊之類的耦合劑，也有鐵磁性物質采用吸力很強的磁鐵來解決這個問題；還有要遠離進液口和出液口的位置，也要避開上方的盤管等遮擋物，定期進行容器底部污泥和沉淀物的清理，防止測量過程中反射信號太多，區分難度大，測量的準確度下降。一般采用電荷放大器作為轉換電路，實際使用較長的電纜，不會使靈敏度下降。

這兩種類型傳感器在工作過程中都要經過防干擾處理，電路才能輸出一個相對穩定的信號去驅動指示儀表指針的偏轉，而基于單片機或PLC的數字顯示，在工業上不方便讀數和清潔表面的油污使用頻率不如前者，故傳感器的選擇和安裝對輸出和輸入的線性關系影響不能忽略。