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(zhǔn)確加注，離不開(kāi)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(lèi)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(jī);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(gè)是向其他容器加注液體，一個(gè)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(yīng)加注，一種為定速加注。自適應(yīng)加注通過(guò)速度傳感器檢測(cè)容器的流動(dòng)速度，根據(jù)容器的流動(dòng)速度計(jì)算出加注液體的時(shí)間，然后通過(guò)容器檢測(cè)傳感器檢測(cè)容器是否到達(dá)加注液體閥門(mén)的下方。如果容器檢測(cè)傳感器檢測(cè)到容器通過(guò)加注液體閥門(mén)的下方，則開(kāi)啟加注液體閥門(mén)，開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)為根據(jù)容器的流動(dòng)速度計(jì)算出的時(shí)間。定速加注不管容器的流動(dòng)速度，它只通過(guò)設(shè)定的加注時(shí)長(zhǎng)來(lái)加注液體。定速加注也是通過(guò)容器檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)是否有容器到達(dá)液體加注閥門(mén)的下方，如果有則開(kāi)啟閥門(mén)，開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)為設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)。向自身容器加注液體，是通過(guò)液位檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)自身容器液位，如果液位低于了下限報(bào)警值，則開(kāi)啟向自身加注液體閥門(mén)開(kāi)始加注液體。液體加注一直到液位上限報(bào)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(lèi)

液位傳感器是一種常見(jiàn)的測(cè)量液位位置的傳感器，它是將液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形式進(jìn)行輸出的一種元件，在不同應(yīng)用地方，叫法又不一樣，靜壓液位計(jì)、液位變送器、液位傳感器、水位傳感器都是液位傳感器。常見(jiàn)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(dá)液位變送器等。

浮球式液位變送器由磁性浮球、測(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)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(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件，它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào)，并將電子單元轉(zhuǎn)換成4～20mA或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(diǎn)，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路，可使輸出最大電流不超過(guò)28mA，因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞。測(cè)量方式為最簡(jiǎn)單、最古老的檢測(cè)方式，價(jià)格相對(duì)便宜。主要是通過(guò)浮球的上下升降來(lái)檢測(cè)液面的變化，其為機(jī)械式檢測(cè)，檢測(cè)精度容易受浮力影響，重復(fù)精度差，不同液體需要重新校準(zhǔn)。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(shí)，不符合食品衛(wèi)生行業(yè)的應(yīng)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(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵來(lái)進(jìn)行常規(guī)的設(shè)定操作。該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作。它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)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(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn)過(guò)程，主要用作類(lèi)導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)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(guò)轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號(hào)形成為1～5V、0～5V、0～10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí)，因非導(dǎo)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(zhǔn)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(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對(duì)周?chē)漕l干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無(wú)明顯溫度漂移等。電容式測(cè)量主要通過(guò)檢測(cè)由于液面或者散料高度變化而導(dǎo)致的電容值變化來(lái)測(cè)量料位高度。其具有多種類(lèi)型，有可輸出模擬量的電容式液位計(jì)，液位電容式接近開(kāi)關(guān)，電容式接近開(kāi)關(guān)可以安裝于容器側(cè)面進(jìn)行非接觸檢測(cè)。當(dāng)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(yīng)釜上的液位測(cè)量;超聲波液位變送器適用于粘度較高的介質(zhì)測(cè)量，價(jià)格相對(duì)較低;雷達(dá)液位變送器適用于粘度較高的介質(zhì)測(cè)量，價(jià)格相對(duì)較高。

液位傳感器與液位開(kāi)關(guān)的區(qū)別。液位開(kāi)關(guān)是根據(jù)液位傳感器的信號(hào)輸出開(kāi)啟放水或者進(jìn)水的閥門(mén)而使水位保持恒定的一種控制器。也可以說(shuō)液位開(kāi)關(guān)輸出的是一種開(kāi)關(guān)信號(hào)，液位開(kāi)關(guān)首先要確定液位的高度，依據(jù)這個(gè)高度來(lái)輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。而液位傳感器是將液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形式進(jìn)行輸出。我們可以對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理比如和plc、數(shù)據(jù)采集器或者專(zhuān)業(yè)顯示器相連進(jìn)而輸出液位的高度。還有就是液位開(kāi)關(guān)和液位傳感器的原理雖然相同。但是液位開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)控制電路，而液位傳感器是相當(dāng)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(cè)量方式有：靜壓式測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)底部液體壓力，轉(zhuǎn)換計(jì)算出液位高度;光電折射式測(cè)量，通過(guò)傳感器內(nèi)部發(fā)出光源，光源通過(guò)透明樹(shù)脂全反射至傳感器接受器，但遇到液面時(shí)，部分光線將折射至液體，從而傳感器檢測(cè)全反射回來(lái)光量值的減少來(lái)監(jiān)控液面。音叉振動(dòng)測(cè)量，僅為開(kāi)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(dāng)液體或者散料填充兩個(gè)振動(dòng)叉時(shí)，共振頻率改變時(shí)，依靠檢測(cè)頻率改變而發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào);超聲波測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)送與反射的時(shí)間差來(lái)計(jì)算液位高度等。其中，靜壓式測(cè)量液位傳感器的工作原理簡(jiǎn)述如下：當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓強(qiáng)公式為：Ρ=ρgH+Po。式中，P為變送器迎液面所受壓強(qiáng);ρ為被測(cè)液體密度;g 為當(dāng)?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(shí)，通過(guò)導(dǎo)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(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，使傳感器測(cè)得壓力為：ρgH，所以通過(guò)測(cè)取壓強(qiáng)P，可以得到液位深度。

4液位傳感器的應(yīng)用選擇

液位傳感器被用于各種液體液位的的測(cè)量，可適用于高溫、高壓、強(qiáng)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(cè)，可根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)和傳感器的使用條件確定量程的大小、傳感器的體積、測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式、信號(hào)的引出方法為有線或是非接觸測(cè)量、傳感器的來(lái)源、價(jià)格、靈敏度、頻率響應(yīng)特性等方面確定所需液位傳感器的類(lèi)型。