常用物位传感器介绍-安全生产信息化技术

1.浮力式物位传感器

（1）浮力式物位传感器的测量原理

浮力式物位传感器是通过浮力来测量物位的，所以只能用来测液位，其基本原理有两种：

1）通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称为浮标）随液面变化而产生的位移来检测液位，一般称为恒浮力式检测。

2）利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称为沉筒）所受浮力与液面位置的关系来检测液位，一般称为变浮力式检测。

（2）恒浮力式液位传感器

恒浮力式液位传感器的原理图如图3-11所示。将液面上的浮子用连接线连接并悬挂在滑轮上，连接线的另一端挂有配重，利用浮子所受重力和浮力之差与配重平衡，使浮子浮在液面上。当液面上升、下降时，浮子随液面上升、下降，浮子所受的浮力是不变的，这时配重随浮子做相反的上升、下降运动，这样即可在刻度尺上显示液面的高度。

图3-11 恒浮力式液位传感器

1—浮子（浮标） 2—连接线 3—配重 4—刻度尺

这种恒浮力式液位传感器一般使用常压或敞口容器，通常用于就地指示液面。由于传动部分暴露在周围环境中，使用久了摩擦力增大，液位的误差就会增大，因此，这种传感器一般用于不太重要的场合。

磁性浮子式液位传感器也是一种恒浮力式液位传感器，其原理图如图3-12所示。置于联通器内的磁性浮子随液位上、下移动，使相应的磁性指示翻板或磁性开关的状态发生变化。该液位传感器可以用作就地指示，也可变换成电触点信号进行远传控制。

（3）变浮力式液位传感器

变浮力式液位传感器的原理图如图3-13所示。它是利用浮筒实现液位检测的，由于被液体浸没的高度不同，以致浮筒所受的浮力不同，通过变浮力式液位传感器可以测量浮力，因此该传感器实际上就是将液位的变化转变为浮力的变化，可以通过变浮力式液位传感器将信号转换成电信号，配上显示仪表在现场或控制室进行液位指示。

图3-12 磁性浮子式液位传感器

1—磁性指示翻板 2—磁性浮子 3—连通容器

图3-13 变浮力式液位传感器

图3-14 压力式液位传感器

2.压力式液位传感器

静压式液位检测方法是利用液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的，其原理图如图3-14所示。根据流体静力学原理可知，A、B两点之间的压力差为：

Δp=p_B-p_A=Hρg （3-7）

式中，p_A为容器中A点的静压，p_B为容器中B点的静压，H为液柱的高度，ρ为液体的密度。

当被测对象为敞口的容器时，p_A为大气压p₀，则式（3-7）变为：

p=p_B-p₀=Hρg （3-8）

对于敞口容器只要测出B点的压力p即可测出液位高度；对于闭口容器只要测出B点和A点的压力差Δp即可测出液位高度。

因此，凡是能够测量压力或差压的仪表均可测量液位。通过测量静压来测量容器液位的静压液位计可分为两类：一类是测量敞口容器液位的压力式液位计，另一类是测量密闭容器液位的差压式液位计。

3.电容式物位传感器

电容式物位传感器是利用被测物的介电常数与空气（或真空）的介电常数不同的特点进行检测。电容式物位传感器由电容式液位计和检测电容的检测线路两部分组成，适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状物料位的远距离测量和指示，也可以与电动单元组合仪表配合使用，以实现液位或料位的自动记录、控制和调节。由于它的传感器结构简单，没有可动部件，因此应用广泛。

图3-15 电容式液位计原理图(https://www.xing528.com)

电容式液位计的原理图如图3-15所示，当圆筒电极的一部分被物料浸没时，极板间存在的两种介质的介电常数将引起电容量的变化。设原有中间介质的介电参数为ε₁，被测物料的介电常数为ε₂，电极被浸没深度为H（即液位高度），则电容变化量为：

在一定条件下，为常数，则ΔC与H成正比，测量电容变化量即可测量物位。

电容式物位传感器可以测量液位、料位和界位，主要由测量电极和测量电路组成，根据被测介质的情况不同，电容测量电极的型式可以有多种。当测量非导电介质的物位时，可用同心套筒电极，也可以在容器中心设内电极，由金属容器壁作为外电极，构成同心电容器；但当测量的液体是导电液体时，可以用包有一定厚度绝缘外套的金属棒做内电极，而外电极即液体介质本身，这时液位的变化会引起极板长度的改变。

电容的检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法等，可以输出标准电流信号，实现信号的远距离传送。

电容式物位传感器一般不受真空、压力、温度等环境条件的影响，安装方便，结构牢固，易于维修，价格较低。但是不适合于以下情况：如介质的介电常数随温度等影响而变化、介质在电极上有沉积或附着、介质中有气泡产生等。

4.非接触式物位传感器

非接触式物位传感器有超声波、雷达、核辐射等形式。

（1）超声波传感器

超声波是一种机械波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波在气体、液体和固体中传播，具有一定的传播速度，超声波在介质中传播时会被吸收而衰减，在气体中传播衰减最大，在固体中传播衰减最小；超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗（声速与介质密度的乘积）差别较大的相界面，几乎为全反射。从发射声波至接受反射回波的时间间隔与分界面位置有关，利用这一比例关系可以进行物位测量。

超声波物位传感器是利用回声测距原理进行工作的，由于超声波可以在不同的介质中传播，所以超声波液位传感器也分为气介式、液介式和固介式3类。最常用的是气介式和液介式，图3-16是液介式和气介式超声波液位传感器的几种测量方案。

图3-16 超声波液位传感器的几种测量方案

a）液介式单探头 b）液介式双探头 c）气介式单探头 d）气介式双探头

超声波物位传感器具有安装使用方便、可多点检测、精度高、直接用数字显示液面高度等优点。当被测介质的温度、成分经常变动时，由于声速是随之变化的，因此测量精度会降低。

超声波物位传感器测量优点如下：

1）与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长。

2）超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高黏度等特殊场合的液位测量。

3）不仅可以进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥测信号。

4）能测量高速运动或倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船的容器中的液位。

超声波物位传感器测量的缺点：仪器结构复杂、价格昂贵；有些物质对超声波有强烈的吸收作用，使用仪器时要考虑具体情况和条件；声速受温度影响较大，需要进行校准，如控制在一定的温度范围内，误差就不会很大。

（2）雷达物位传感器

雷达物位传感器是一种采用微波测量技术的物位测量仪表，它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区，可以对普通物位仪表难以高精度测量的大型固定顶罐、浮顶罐内腐蚀性液体、高黏度液体、有毒液体的液位进行连续测量，且在雷达物位传感器可用范围内，其测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数及易燃、易爆等恶劣工况的限制，应用范围日益广泛。特别是它的高精度得到了国际计量机构的认证，满足国际贸易交接的物料计量要求。

雷达物位传感器的基本原理图如图3-17所示。雷达波由天线发出，抵达物面后反射，被同一天线接收，雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离，其运行时间t与物位距离的关系为：

式中，c为电磁波传播速度，一般为300000km/s；d为被测介质与天线之间的距离；t为天线发射与接收到发射波的时间差；H为天线距罐底的高度；L为液位高度。

图3-17 雷达物位传感器基本原理图

目前，雷达物位传感器有两种不同的时间测量方式：

1）微波脉冲法。由发送器将脉冲发生器生成的一串脉冲信号通过天线发出，经液面发射后由接收器接收，再将信号传给计时器，从计时器得到脉冲的往返时间t，通过时间t可以计算液位。这种方法的最大难点在于必须精确测量时间，这是因为雷达波的传播速度非常快，而且对液位测量精度的要求高，液位变化1mm，微波运行时间变化6ps。微波脉冲法制造成本低，精度相对较低，多应用于工业级雷达物位传感器。

2）连续调频法。连续调频法采用线形调制的高频信号通过所发射信号的频率，由于在信号传播中延迟了时间，改变了信号频率，因此返回信号的频率低于发出信号的频率，一般相差几kHz。发射波与接收波送入混频器测出的频率差Δf与被测距离d成线性关系，这样就将雷达波的往返时间t转换成可精确测量的频率信号Δf。

雷达物位传感器按精度分类，可分为工业级和计量级两大类。工业级雷达物位传感器的精度一般为10～20mm，适用于生产过程中物位测量和控制，不宜用于贸易交接计量；计量级雷达物位传感器的精度在1mm以内，既可用于工业生产，也可用于贸易交接计量。