程鳴鳳

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 張家界 427000）

液位檢測(cè)系統(tǒng)一般采用兩種類(lèi)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(xiàn)在對(duì)二者的使用過(guò)程進(jìn)行分析和研究。

1 電容傳感器液位檢測(cè)

電容傳感器是把被測(cè)液位轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它檢測(cè)液位具有輸入阻抗高，自身功耗?。粶y(cè)量范圍大，響應(yīng)速度快；溫度和周?chē)绊懸蛩剌^小；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象變化而設(shè)計(jì)不同的形狀和尺寸，可以根據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)電路、適應(yīng)性強(qiáng)，可在惡劣的環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)，但它具有分布電容影響嚴(yán)重的缺點(diǎn)。因?yàn)閭鞲衅鞯碾娙萘恳话銥?0-100pF，非常小，而線(xiàn)路及外殼等因素產(chǎn)生的等效電容值也是pF級(jí)別，對(duì)輸出的電容影響較大，所以在設(shè)置傳感器的初始電容的時(shí)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(nèi)，如圖1所示，

圖1

相比較容器壁由非金屬材料內(nèi)加管式電極極板，正對(duì)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(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε和液面上的空氣介電常數(shù)ε0不同，通常情況下ε＞ε0，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)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(lái)測(cè)量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε恒定才能保證液位測(cè)量準(zhǔn)確，輸出關(guān)系為C=Kh+m,其中K和m是關(guān)于容器外形、尺寸及介電常數(shù)的參數(shù)，建立了電容C和高度h之間的線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，指示儀表就可以設(shè)置均勻的誤差，減少誤差。因被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。關(guān)于電路選擇，以油箱為例，實(shí)際應(yīng)用在油箱為空的時(shí)候，電容值不為零，而此時(shí)指示儀表需要指針指向0，故采用接入可調(diào)電位器RP的電橋電路調(diào)零，當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，電橋輸出U0=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角θX2處；當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，U0反相，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP滑動(dòng)，使其阻值減少；當(dāng)油箱中的油位增加時(shí)，U0正向變化，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng) RP滑動(dòng)，使其阻值減少，如此，可判定油箱的油量，如果采用其它轉(zhuǎn)換電路就要單片機(jī)或程控器的程序來(lái)驅(qū)動(dòng)，顯示的是數(shù)字信號(hào)。電容液位計(jì)較廣泛用于容器內(nèi)液位的檢測(cè)，結(jié)合容器的使用，金屬中心電極采用導(dǎo)電性較強(qiáng)的銀銅電極，所占空間非常小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播，在液體介質(zhì)壓力很大的情況下也可以穩(wěn)定測(cè)量，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。

2 超聲波傳感器測(cè)液位

在自動(dòng)化和工業(yè)生產(chǎn)中，有一些有毒、易揮發(fā)、易爆炸的液體介質(zhì)需要密封容器儲(chǔ)存，而這些容器的液位檢測(cè)不能采用直接接觸測(cè)量 ，顯然電容式傳感器不能滿(mǎn)足測(cè)量要求。超聲波是一種頻率在20kHz機(jī)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(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生明顯的反射，與此同時(shí)折射的程度較小，一般利用超聲波的全反射現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量，但不同介質(zhì)中都會(huì)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(lái)檢測(cè)固體或液體能檢測(cè)較強(qiáng)的反射信號(hào)，可以根據(jù)發(fā)射和反射信號(hào)的時(shí)間差t及檢測(cè)介質(zhì)聲速來(lái)完成測(cè)量過(guò)程。超聲波傳感器是有發(fā)射和接受元件兩部分組成，發(fā)射是一個(gè)超聲波聲源，利用晶體在 555定時(shí)器組成的振蕩電路發(fā)射較高頻率的超聲波信號(hào)，接收端利用壓電元件的正壓電效應(yīng)工作，從使用的穩(wěn)定性和時(shí)間來(lái)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(guò)程中，在密封容器下方安裝了超聲波發(fā)射部分和接收部分，傳感器發(fā)射的超聲波在液面被反射，經(jīng)過(guò)時(shí)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(shí)際安裝過(guò)程中，超聲波信號(hào)在測(cè)量介質(zhì)時(shí)，因?yàn)榘l(fā)射端與被測(cè)容器之間有空氣，形成了復(fù)雜的反射干擾信號(hào)，因此常采用象甘油、膠水、水玻璃、水、面粉漿糊之類(lèi)的耦合劑，也有鐵磁性物質(zhì)采用吸力很強(qiáng)的磁鐵來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題；還有要遠(yuǎn)離進(jìn)液口和出液口的位置，也要避開(kāi)上方的盤(pán)管等遮擋物，定期進(jìn)行容器底部污泥和沉淀物的清理，防止測(cè)量過(guò)程中反射信號(hào)太多，區(qū)分難度大，測(cè)量的準(zhǔn)確度下降。一般采用電荷放大器作為轉(zhuǎn)換電路，實(shí)際使用較長(zhǎng)的電纜，不會(huì)使靈敏度下降。

這兩種類(lèi)型傳感器在工作過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)防干擾處理，電路才能輸出一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)指示儀表指針的偏轉(zhuǎn)，而基于單片機(jī)或PLC的數(shù)字顯示，在工業(yè)上不方便讀數(shù)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(duì)輸出和輸入的線(xiàn)性關(guān)系影響不能忽略。