新型液位检测技术的现状与发展趋势.pdf

第 6期 2 0 0 9年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 6 J u n．2 0 0 9 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 6 0 0 6 1 0 4 新型液位检测技术的现状与发展趋势 杨 朝虹 ， 李焕 1 ． 北京 矿冶 研究 总 院 ，2 ． 北 京慧 点科 技开 发有 限公 司 ， 北京 1 0 0 0 4 4 摘要 文章介绍 了工业生产过程 中采用的光纤液位计、 磁致伸缩液位计、 音叉液位限位开关、 差压式液位 计 、 雷达液位计、 伺服型浮子液位计等几种较新的液位检测仪表及其检测方法， 并对几种液位计 的特点进行 了分析 比较 。文章最后指 出， 液位 自动检测技术一方面需采用新 的测量原理 ， 开发新的液位检测仪表 ， 扩大 检测的手段 ， 另一方面需朝 着微机化和智能化方向发展 。 关 键词 液位 检 测 ；液位 计 ；液位 传 感 器 ；自动检 测 中图分 类号 T P 2 1 6 文献 标识 码 A Pr e s e nt Si t ua t i o n a nd De v e l o p i n g Tr e nd o f Ne w Ty pe o f M e a s ur i n g Te c h n o l o g y f o r Li q u i d l e v e l YANG Cha o ho ng ，LI H u a n 1 ． Be i j i n g Ge n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g Me t a l l u r g y ，Be i j i n g 1 0 0 0 4 4 ，Ch i n a ． 2 ． Be i j i n g S ma r t d o t S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ．，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 4 4，C h i n a Ab s t r a c t The p a pe r i n t r o du c e d s o me ne w k i nd s o f me a s ur i n g i ns t r ume n t s f or l i q ui d l e ve l u s e d i n i nd us t r y pr o du c t i o n pr o c e s s a n d t h e i r me a s ur i n g me t h od s， s uc h a s f i be r l i qu i d l e v e l me t e r ， m a gn e t o s t r i c t i o n l i q ui d l e ve l me t e r ， f or k l i q ui d l e ve l l i mi t s wi t c h， d i f f e r e n t i a l p r e s s ur e t y p e l i q ui d l e ve l m e t e r，r a da r l i q u i d l e v e l me t e r a nd s e r v o t y p e f l o a t l i qu i d l e v e l me t e r， a nd a na l y z e d a nd c o m p a r e d t he c h a r a c t e r i s t i c s of t he s e ve r a l l i q ui d l e ve l me t e r s ． At l a s t ，i t i nd i c a t e d t h a t a ut o m a t i c m e a s u r i ng t e c hno l o gy f o r l i qu i d - l e v e l o n t he on e ha n d m u s t u s e n e w me a s ur i n g pr i n c i p l e，d e v e l o p n e w m e a s u r i ng i n s t r u me nt s f o r l i q ui d l e v e l a nd e x pa n d m e a s ur i n g wa y，o n t he o t h e r ha n d，i t mus t d e v e l o p f a c i ng on m i c r o c ompu t e r i z a t i o n 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 1 9 作者简介 杨朝虹 ， 男 ， 硕士 ， 工程 师， 现主要 从事仪器 检测产 品 的研发工作。E ma i l y a n g _ z h h b g r i mm． c o rn [ 6] De s i gn a nd I mpl e me nt a t i on o f a Lo g s t r uc t ur e d Fi l e S y s t e m [J] ． Ac M T r a n s a c t i o n s o n C o mp u t e r S y s t e ms ，1 9 9 2 ， 1 0 1 2 6 ～ 5 2 ． GERH ARD W ， G0TTFRI ED V．Tr a ns a c t i ona l I nf or ma t i on Sy s t e m sThe or y， Al go r i t hms a nd t he P r a c t i c e o f C o n c u r r e n c y C o n t r o l a n d R e c o v e r y [ M] ． Ne w Yo r k M or ga n Ka uf ma n Pu bl i s h e r s， 20 01 ． GRAY J ，MC J ONES P，B LAS GEN M ，e t a 1 ．Th e Re c o ve r y M a na ge r of t he Sy s t e m R Da t a ba s c M a na g e r E J ] ． AC M C o mp u t i n g S u r v e y s C S UR ， 1 9 8 1 ， 1 3 2 22 3～ 2 4 2． [ 8] P AT TE RS O N D A，GI B S ON G，K ATZ R H． A C a s e f o r Re d u n d a n t Ar r a y s o f I n e x p e n s i v e Di s k s R AI D [C ／ ／ AC M S I GMO D I n t e r n a t i o n a l [9] [ 1 O ] Co nf e r en c e on M a n ag e me nt o f Da t a， 1 98 8， Ne w Yo r k 1 09～ 1 1 6． NOKI A． Ne t wo r k Da t a b a s e Be n c h ma r k o n Op e n S o u r c e P r o j e c t [ E B ／ 0L ] ． [ 2 0 0 6 1 1 2 5 ] ．h t t p ／ ／ h o s l a b ． C S ． h e l s i n k ． f i ／ s a v a n e ／ p r o j e c t s ／ n d b b e n c h ma r k ． STRANDELL T． Ope n S our c e Da t a b as e Sy s t e ms S y s t e ms S t u d y ，P e r f o r ma n c e a n d S c a l a b i l i t y[ D] ． H e l s i nki Uni ve r s i t y of He l s i nk i ， 20 0 3． 6 2 工矿 自动化 2 0 0 9年 6月 a n d i n t e l l i g e n c e ． Ke y wo r d s m e as Ur e m e nt 0 引 言 在现代化的工业生产 中， 液位测量几乎遍及生 产过程 的各个 环 节 。在许 多生 产领 域 ， 不 但 对 液位 测量精度要求高 ， 还需要测量仪表很好地适应工业 现场的特殊环境 ， 例如高温、 高压 、 强腐蚀性 、 强放射 性的场合 ， 以及远距离传送和在密闭压力容器 内使 用 等情况 。 自2 O世纪 8 O年代开始 ， 由于微 电子计算机 、 光 纤 、 超声 波等高 科技 的迅猛 发展 ， 在 液位 自动检 测领 域 出现 了种类 多样 的测 量 手 段 ， 并且 其 功 能 越来 越 完善 ， 各 项性 能指标 越 来越 易于 适 应工 业 生 产 的要 求 ， 趋 于 自动 化 、 智 能化 。 本 文将介 绍工 业生产 过程 中采用 的几种 较新 的 液位检钡 0 方法与仪表 ， 并对这几种仪表的特点进行 分析 比较 ， 最后探 讨 一下 液 位 自动 检 测 技术 的发 展 趋 势 。 1 新型 液位检 测技术 国内外在液位检测 方面采用 的技术 和产 品很 多， 传统的液位计按其采用的测量技术及使用方法 分类 已多达 十余 种 。近 年来 ， 国 内外 又不 断 研 制开 发 出一些新 的液位 检 测 方法 ， 已经 在 工业 中应 用 的 主要 有 以下几种 。 1 ． 1光 纤 液 位 计 光纤传感器是近年来迅速发展的一种新型传感 器 ， 它以光学技术为基础 ， 以光纤作为敏感单元 ， 将 敏 感状 态 以光 信号取 出 ， 再 进行光 电转换 ， 所 以易 与 高度发展的电子控制装置相匹配 。与其它常规传感 器相 比， 光纤传感器具有灵敏度 高、 响应速度快 、 抗 电磁干扰能力强、 耐腐蚀 、 电绝缘性好 、 体积小 以及 便 于与光纤 传输 系统 组 成 远程 监 测 网络 等 特 点 ， 尤 其在易燃易爆的恶劣环境中得到广泛应用 。光纤传 感 器 的应 用从 根本上 克服 了电测方 法带来 的火 灾 隐 患， 在石油、 化工、 核工业等领域 内某些不便应用传 统传感器的场合， 可精确、 方便地进行各种物理量的 测量 。 光纤液位计适用于多种液体 的液位测量 ， 如汽 油 、 柴油 、 机 油 、 变压 器油 、 酸碱性 溶 液 、 液 氮 、 酒 类 、 调料 、 饮料 和水 等 ， 已实现位移 、 压力 、 温度 、 速度 、 振 动 、 液位 、 角度 等多 种物理 量 的检测 。这类检 测仪 表 一 般具有体积小、 重量轻 、 无动作部件、 安装方便等 优 点 。 目前 ， 国 内已有 许 多厂家 生产光 纤液 位计 ， 其 中 武汉 中光光 电有 限公 司生产 的光纤 液位计 可在 小于 0 ． 1 mm液位的变化条件下， 触发信号输 出， 并 自动 跟踪光、 电信号 ， 经过 C P U处理后直接输 出标准信 号供给二次仪表， 实现对液面连续 自动的高精度控 制 。南京 航空航 天 大 学研 制 的光 纤 液位 计 ， 用 于 液 位 检测 时精 度 可 达 1 mm， 响应 时 间小 于 0 ． 0 1 S ， 最大可传输距离为 5 k m。 目前市 场上 出现 了许 多新 的光纤 液位 计 。已用 于工业 生产 过程 的有 1 双波纹 管结 构光纤 液 位计 。该 液位 计 以差 动方 式工作 ， 采 用全 光 路 补偿 方 法 和 多种 温度 补 偿 技术 ， 使得 光纤 液位计 具有 自动补 偿性 能 ， 克服 了光 源强 度起 伏和 环境温 度变化 这 2个 主要 因素对 结构 式强 度 型光纤 液位计 测量精 度 的影 响 。 2 浮 筒式光 纤液位 计 。该 液位 计是 一种 适 用 于易燃 、 易爆液体贮罐的光纤液位计 ， 实现了现场全 光 无 电在线检 测功 能 ， 其 输 出信 号 与光强 变化无 关 ， 具有很 好 的稳 定性 和抗 干扰能 力 。 3 反 射 式 动 栅 光 纤 液 位 计 。该 液 位 计 的 光 源 、 光 纤 、 探 测器 位于光 敏元 件 的同一侧 ， 输入 、 输 出 共用 1 根光纤束， 结构简单 、 易于测量 、 成本较低， 适 用于大型液体贮罐的液位测定。 其 它还处 于研 制开发 阶段 的光纤 液位计 有棱镜 式 光纤 液位计 、 斜 面单光 纤液位 计 。 1 ． 2磁 致 伸 缩 液 位 计 磁 致伸 缩液 位计是 采用磁 致伸 缩原理 开发 出 的 新一代 高精 度液 位计 。磁致 伸缩 效应是铁 磁材 料在 磁场 中会发生形变的物理现象 ， 即在外磁场作用下， 铁磁材料 内部随机取 向的磁畴发生旋转直至与外磁 场 方 向一致 ， 使 铁 磁材 料 在 几何 尺 寸 上 出现 沿 外磁 场方向的伸长或缩短现象 。 磁致伸缩液位计利用磁性浮子随液位浮动进行 工作 ， 但其工作原理与浮球液位计完全不 同。它利 用传感器产生沿波导线传播的 电流脉 冲即起始脉 冲 ， 其产 生的磁 场与磁 环形 成 的磁 场相 叠加 ， 靠 磁致 伸缩 效应 产生 瞬时 扭 力 ， 使波 导线 扭 动并 产 生 张力 2 0 0 9年第 6 期 杨朝虹等 新型液位检测技术的现状与发展趋势 6 3 脉冲， 该脉冲以固定的速度沿波导线传 回， 即终止脉 冲， 通过测量起始脉 冲与终止脉冲之间的时间差 即 可精确 地确 定被 测液 体 的液位 。磁 致伸 缩液 位计 的 外 形结 构与 浮球 液位计 相 似 。 磁致伸缩液位计的特点 精 度高， 稳 定性 好， 使 用 寿命 长 ， 可多信 号 输 出 ， 具 有 反 极 性 保 护 功 能 ， 防 雷击、 防射频干扰 ， 结构精巧， 环境适应强， 应用范围 广 ， 有多参数液位测量及 自校正 、 免维护等 独特功 能， 尤其适用于大量程 、 多参数 、 高精度的液位测量。 其测量范围最大 可达 1 8 m， 测量 精度 可达 0 ． 1 ～ 0 ． 5 mm， 对 温度 变化 不敏 感 ， 可 同时进 行 多点 检 测 。 其缺点是价格较高， 工作压力不能太高 ， 并随液体 的 密度不 同 ， 其 浮 子在液 体 中 的高度 也不 同 ， 需 要 以实 际介质进 行 标定 。 磁致伸缩效应在液位测量 中的应用只有十几年 的历史 ， 而 中 国还 处 在 引 进 国外 产 品 的应 用 研 究 与 开发阶段 ， 但是发展很快 。目前 该类液位计大部分 是 进 口， 国 内部 分 企 业 也 有 一 些 产 品 。 常 用 的 有 S F、 MS、 S FMS和 UPM1 0 0系列 。 磁致 伸 缩液位 计 的独特 优 点使 它在 当今 液位 测 量 领域 占有很 大优 势 ， 相信 它很 快将 在 高准确 度 、 多 参 数液位 测量 中得 到广 泛应 用 。 1 ． 3音 叉 液位 限位 开关 音叉液位 限位开关是 一种新型 的液位 检测仪 表 ， 又被称作“ 电气浮子” ， 是浮球限位开关的升级换 代产品。音叉是受微弱能量驱动就能产生共振 的弹 性物 体 ， 用压 电陶瓷 元件 激励 音又 产 生振 动 ， 当音叉 被液体浸没时， 音叉受到阻尼作用 ， 振幅急剧降低且 频率和相位发生明显变化 ， 通过电路输 出开关信号 。 凡使 用浮球 限位 开 关 或 由于 结垢 、 湍 流 、 搅 动 、 振动等原因不能使用浮球限位开关 的场合均可使用 音叉 液位 限位 开关 。 音 叉液 位 限位 开 关 的特 点 价 格 较 低 ， 灵 敏 度 高， 体积小， 重量轻 ， 安装方便 ， 适应性强 ， 被测液体 不 同的电参数 、 密度对测 量均不产生影 响 ， 中等粘 度 、 高温 、 高压等恶劣条件对检测也无影响。开关的 检测 由电子 电路完 成 ， 无 活 动部 件 ， 所 以音 叉 液位 限 位开关一经 安装投 运便不 需特 殊 维护保 养 ， 当有 过多 被 测 介质 污 染 和粘 附叉 体 时 ， 清 理 掉 即 可 。由 于不 受被 测介质 电参 数及 密 度 的影 响 ， 所 以无 论 测 量何种 液体 都不 需 现 场 调校 ， 既 可 探测 密 度 很 低 的 液体介 质 ， 最低 密度 可达 0 ． 1 g ／ c m。 ， 也 可 探 测粘 性 介质 ， 如水泥、 型砂等， 当液体的粘度发生变化时也 可正常工作 ， 但需避免被测介质的直接冲击和飞溅 ， 以免引起误动作。在有泡沫存在的场合则需要进行 现场 调校 。 1 ． 4差 压 式液位 计 差压式液位计利用 液体 的压强原理 ， 在液体的 底部检测液体压强和标准大气压的压差 。随着半导 体技术的发展 ， 半导体表面扩散工艺在差压式液位 计平衡 电桥 的制作 中得到 了广 泛应 用 。它通 过液 体 底压强使半导体扩散 硅薄膜产生形变 ， 引起 电桥不 平衡 ， 电路输 出与液位高度相对应的电压 ， 从而获取 液位 信号 。差压 式液 位计 适用 于 液面边 界测 量 和位 式测量 ， 能广泛用于难 以处理的工 艺液体 的液面边 界测量。除 了液体密度 在正 常工况下有 明显 改变 外 ， 对 于 大 多数工 艺对 象 ， 差压 式液 位计 都 可 以满 足 要求 ； 对腐蚀性液体、 结晶性液体、 粘稠性液体、 易汽 化液体、 含悬浮物的液体宜选用平法兰式差压仪表； 对高结 晶液体 、 高粘性液体 、 结胶性液体、 沉淀性液 体宜选用法兰插入式 差压仪表 ； 当气相有大量冷凝 物或沉淀物析 出时可选用双法兰式差压仪表 。 差压式液位计可以进行数字输 出， 具有精度高 O ． 7 、 漂 移小 、 抗 过 载 能 力 强 等特 点 。但 当介 质 的密度 随 介质 的 温度 、 压 力 、 组 分 而 变 化 时 ， 差 压 式 液 位计 会 产生 虚假 液 位 ， 所 以在 介 质 密 度 变 化 明 显 的环境 中不应采 用 。 1 ． 5雷达 液 位计 雷达液位计利用喇叭状波导管发射低功率微波 几 十微 瓦 ， 遇 到 被 测 介 面后 ， 部 分 微 波反 射 回来 ， 被发射 、 接收组合液位计系统接收 ， 通过测量发射 、 接 收 的时 间差来 间接测 量液 位 。 发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其问 的传播时间成正 比， 回波 的极性和振幅取决 于上层 介质与下层介质 的介电常数 。上层的介质通常为气 体 ， 下层 被测 介质 的介 电常数 较 高 。 由于雷达液位计发射的微波沿直线传播 ， 在液 面处产 生 反射 和折 射 时 ， 微 波有 效 的反 射 信 号 强 度 产生衰减 ， 当相对介电常数小到一定值时 ， 会使微波 有效信号衰减过大 ， 导致雷达液位计无法正常工作 。 为 避免 上述 情 况 的发生 ，对被 测 介质 的相对 介 电常 数有一定的要求 ， 即被测介质 的相对介 电常数必须 大于产品所要求 的最小值。不同的型号有不同的要 求 ， 一般要求相对介 电常数大于 3 。 雷达液位计发射的微波传播速度取决于传播媒 介的相对介 电常数和磁导率， 所 以微波的传播速度 不受温度 变化 的影 响。但是对 高温介质进 行测量 时 ， 需 要对 雷 达液 位 计 的 液位 计 和 天线 部 分 采 取 冷 6 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 6月 却措施 ， 以保证液位计在允许的温度范围内正常工 作 ， 或使雷达天线的喇叭 口与最高液面间留有一定 的安 全距离 ， 以避免 高 温 对 天线 的影 响 。 由于微 波 的传播速度仅与相对介 电常数 和磁导率有关 ， 所 以 雷达液位计可以在真空或受压状态下正常工作 。但 是当容器内操作压力高到一定程度时 ， 压力会对雷 达测 量带 来较 大 的误 差 。有 关 文献 指 出 ， 当压 力 为 1 0 MP a时， 压力对微波传播时间的影 响为 2 ． 9 ； 当压力为 1 0 0 MP a时， 压力对微波传播时间的影响 可高达 2 9 。 雷达液位 计 的最 大特 点是适 用 于超声 波液位 计 应用效果不理想的环境 中， 如负压 真空 、 蒸汽 、 雾 状空 间 、 粉尘 环 境等 。其 最 大 量 程 可 达 3 5 r n ， 测 量 精度可达毫米级。但其缺点是价格过高， 不能耐高 温 、 高 压 。 1 ． 6伺服 型 浮子液 位计 伺服 型浮 子液位 计通 过浮子 在液 面 、 液 内 、 界面 上受到不 同的浮力 ， 利用重力敏感装置测量浮子的 重量， 用伺服电动机 自动控制升降浮子， 是一种 自动 跟踪液位变化的高精度伺服式液位计 。它可同时发 出远传信号 ， 采用微机进行远程控制 ， 其动态跟踪误 差可达 0 ． 1 mm， 同时 还 能 补 偿 液 面 的高 低 对 钢 丝 绳产生 的 附加重量 的误 差 ； 对 液 面 的测 量 精度 可 达 0 ． 7 mm， 灵 敏度 可达 0 ． 1 mm。另外 ， 它还 可测量 密 度、 界位等计量参数， 具有 自诊断及通信功能。由于 几乎 没有 传 动部 件 ， 因此 ， 该 液 位 计 具 有 较 高 的可 靠性 。 2几种液 位测 量仪 表的 比较 表 1为上述几种液位计 的性能比较表。 表 1 几种液位计 的性 能比较表 随着 自动化仪表技术 的发展， 测量液位 的方法 及相应 的仪 表也在不 断地 改进和更 新 ， 但 是没 有 哪一种 位测量 仪表 能 够适 应 所 有 的 介质 或 环境 ， 需 根据测量要求和使用环境 ， 针对每种测量方式 的特 点 和优 点 ， 在 众 多 仪 表 中 选 择 可 靠 、 准 确 、 实 用 的 液位测 量仪 表 。 3液位检 测技 术的发 展趋 势 随着 工 业生 产 E I 趋 自动 化 ， 对 液 位 检测 技术 的 要求也越来越高。为解决生产 中的测量 问题， 一方 面是采 用新 的测 量原 理 ， 开 发新 的液位 检测仪 表 ， 扩 大检测 的手段 ， 另一 方 面 需 朝着 实 现微 机化 和 智 能 化 的方 向发展 。 近年来， 微 电子技术的发展使得液位检测技术 发生了根本性变化。新的检测原理与电子部件的应 用使得液位计更趋向小型化和微型化 ， 特别是一些 小型现场液位开关发展极快 ， 如光纤液位计 ， 由于没 有可动部件， 所以可靠性高， 不仅可现场显示 ， 而且 可以发出控制信号 。与此同时， 液位检测也正向着 智能化方 向发展 ， 在液位测量领域 内广泛应用微处 理技术， 以实现故障诊断和报警功能， 提高测量的精 确度 、 可靠 性 、 安 全性 和多功 能化 。在应 用和设 计液 位计 时尽 量实现 不 接触 式 或 不 渗透 式 测 量 ， 如 雷达 液位计 ， 从而提高探头对恶劣环境的抵抗能力 ， 以便 在 恶劣环 境下 准确 、 可靠地 工作 。 随着计算机应用的普及 ， 直接输出数字信号的 数字化液位传感器 已成为这一领域仪表 的发展趋 势 ； 随 着纳米 技术 、 生 物 工 程技 术 的发 展 ， 纳 米 技术 和生物 技术 在液位 测 量 中的应 用 也 将会 日益 增 多 。 总 的来 说 ， 液 位计 必 将 向 着微 型 化 、 高 精度 、 适 用 范 围广 、 低功耗 、 智 能化 方 向发 展 。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨万 国， 贾 延刚 多种 液 位仪 表 的应 用 对 比[ J ] ． 石油 工 程 建 设 ， 2 0 0 4， 3 0 1 3 8 ～4 3 ． [ 2 ] 郑卫东． 储罐液 位仪 表 的应 用及 发 展 口] ． 甘肃 科技 ， 2 0 0 5 ， 2 1 5 4 6 ～ 4 8 ． E 3 3 陆石辉 ， 邱 瑞鑫 ， 黄少先． 雷达液 位计测量 系统 及应用 [ J ] ． 广东 水 利 电力 职 业 技术 学 院学 报 ， 2 0 0 8 ， 6 1 37 ～ 4 3．