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物位传感器的原理及其应用

发布时间:2015-07-08 00:00 作者:中国计量网 阅读量:473

物位传感器可以分为两类:一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器;另一类是以点测为目的的开关式物位传感器(即物位开关)。目前,开关式物位传感器比连续式物位传感器应用更为广泛。开关式物位传感器主要应用于过程自动控制的门限、溢流和防止空转等。连续式物位传感器主要应用于连续控制和仓库管理等方面,有时也可以应用于多点报警系统中。下面着重介绍几种广泛应用的物位传感器。

一、电容式物位传感器

电容式物位传感器主要有两个导体电极(通常将容器的外壁壳体作为一个电极),由于电极之间是气体、液体或固体,从而导致静电容的变化,因此可以敏感地测出物位的变化。电容式物位传感器的敏感元器件主要有棒状、线状和板状三种形式,其工作温度、工作压力主要受绝缘材料的限制与影响。电容式物位传感器可以采用微计算机控制,实现自动调整灵敏度,并且具有自我诊断的功能,同时还能够检测敏感元器件的破损、绝缘性的降低、电缆以及电路的故障等,并可以自动报警,实现具有较高可靠性的信息传递。由于电容式物位传感器没有可以运动的机械部件,而且敏感元器件的形状和结构比较自由、简单,操作起来也比较方便,因此,电容式物位传感器是应用最广泛的一种物位传感器。

二、压力式物位传感器

压力式物位传感器其结构原理一般是采用半导体膜盒结构,利用金属片来承受液体的压力,通过封入的硅油来导压传递给半导体应变片进行液位的测量。由于固态压力传感器(压阻电桥式)性能的提高以及微型计算机处理技术的不断发展,压力式物位传感器的应用前景越来越广泛。近年来,科研人员已经研制出体积小、温度范围宽、可靠性好、准确度高的压力式物位传感器,并且它的应用范围也在不断地拓宽。

三、自动平衡式物位传感器

自动平衡式物位传感器是通过检测平衡浮子浮力的变化来进行液位的测量,因而又称为浮子自动平衡式物位传感器。它可以配备微型计算机,使这种传感器具有自检、自诊断以及远距离传输的功能,利用这种传感器可以对大跨度的液位进行高精度的测量。

四、超声波物位传感器

超声波物位传感器是一种不通过接触被测物体就能进行精确测量的物位传感器,因而应用领域也非常广泛。这种传感器的工作原理是工作时向液面或者粉体的表面发射一束超声波,该超声波被其反射后,再由传感器接收到此反射波。假设超声波的声速一定,依据声波往返的时间就可以计算出传感器到液面或粉体表面的距离,这样就可以测量出液面或粉体表面的位置。超声波物位传感器的敏感元器件有两种:一种是由线圈、磁铁以及膜构成;另一种是由压电式磁质伸缩材料构成。前一种物位传感器产生的是10kHz的超声波,而后一种物位传感器产生的是(20~40)kHz的超声波。超声波的频率越低,则随着距离变化的衰减越小,但是其反射效率也越小。因此,使用时应根据测量的范围、物位表面的状况以及周围的环境条件来决定配备所使用的超声波传感器。
高性能的超声波物位传感器是由微型计算机控制的,这种物位传感器是以紧凑的硬件设施来进行特性调整和功能检测的,故而它可以准确地区分信号波和噪声,因此,即使在搅拌器工作的任何情况下都可以精确地测量物位。此外,在高温或吹风的状况下也可以检测物位,特别是可以检测高黏度的液体和粉状体的物位。

五、激光式物位传感器

激光式物位传感器是一种性能优良的非接触式高精度物位传感器。这种物位传感器的工作原理与超声波物位传感器的原理基本相同,其只是把超声波改换成激光波。而激光式物位传感器的激光束很细,即使物位的表面极其粗糙,其激光反射波束也不过加宽到20mm,但是这仍然是在激光式物位传感器可以接收的范围之内。激光式物位传感器一般采用近红外光,它是把光流发射出来的激光通过半透射反射镜进行处理,其中一部分作为基准参考信号输入到时间变送器,而另一部分通过半透射反射镜的激光束则经过光学系统的处理,从而成为一定宽度的平行光束照射到物体表面,经反射后激光束的反射波到达传感器的接收部分再转换为电信号。由于激光束从照射到接收的时间极其短暂,为了便于信号的处理,因而要采用取样放大电路将微弱信号扩大为毫微秒数量级进行时间的测量,然后利用微型计算机进行数据处理,使物位值微弱的电信号变换成数字显示的模拟输出信号,再通过软件来检测信号的可靠性,如果测量系统出现故障则自动报警。这种激光式物位传感器可以应用于钢铁工业连续铸造装置的砂型铁水液位高度的测量,并且,这种激光式物位传感器还可以应用于狭窄开口容器以及高温和高精度的液面测量。
此外,近年来随着高科技、微型计算机的快速发展,出现了数字式智能化的物位传感器,这种物位传感器将其测量部件的技术与微型计算机处理器的计算功能结为一体,从而使物位测量仪的测量仪表直至控制仪表全部成为数字化的系统,它是一种先进的数字式物位测量系统。数字式智能化物位传感器的综合性能指标以及实际测量准确度都要比传统的模拟式物位传感器提高3~5倍。

六、结束语

随着传感器技术的快速发展,物位传感器的品种形式将更加多样化。但其研制还是以非接触式为重点,今后的发展方向是通过广泛应用微型计算机等高新电子技术来获得综合性能的进一步全面提高,同时还要向小型化、智能化以及多功能的方向发展。

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