液位检测系统中传感器对测量过程影响的分析研究

程鸣凤

（张家界航空工业职业技术学院， 湖南 张家界 427000）

液位检测系统一般采用两种类型的传感器，一种是电容传感器，另一种是超声波传感器，二者的原理和使用要求完全不同，现在对二者的使用过程进行分析和研究。

1 电容传感器液位检测

电容传感器是把被测液位转换为电容量变化的一种传感器。它检测液位具有输入阻抗高，自身功耗小；测量范围大，响应速度快；温度和周围影响因素较小；结构简单，可以根据检测对象变化而设计不同的形状和尺寸，可以根据检测环境的不同设计信号调节电路、适应性强，可在恶劣的环境下使用等优点，但它具有分布电容影响严重的缺点。因为传感器的电容量一般为10-100pF，非常小，而线路及外壳等因素产生的等效电容值也是pF级别，对输出的电容影响较大，所以在设置传感器的初始电容的时候，极板材料和尺寸的选择非常重要。通常用一根金属棒插入盛液容器内，如图1所示，

图1

相比较容器壁由非金属材料内加管式电极极板，正对面积更大，初始电容值也更大，作为容器，液体存放的体积也更大。两电极1和2间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数ε和液面上的空气介电常数ε0不同，通常情况下ε＞ε0，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε恒定才能保证液位测量准确，输出关系为C=Kh+m,其中K和m是关于容器外形、尺寸及介电常数的参数，建立了电容C和高度h之间的线性函数关系，指示仪表就可以设置均匀的误差，减少误差。因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。关于电路选择，以油箱为例，实际应用在油箱为空的时候，电容值不为零，而此时指示仪表需要指针指向0，故采用接入可调电位器RP的电桥电路调零，当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，电桥输出U0=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角θX2处；当油箱中的油位降低时，U0反相，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RP滑动，使其阻值减少；当油箱中的油位增加时，U0正向变化，伺服电动机正转，指针顺时针偏转，同时带动 RP滑动，使其阻值减少，如此，可判定油箱的油量，如果采用其它转换电路就要单片机或程控器的程序来驱动，显示的是数字信号。电容液位计较广泛用于容器内液位的检测，结合容器的使用，金属中心电极采用导电性较强的银铜电极，所占空间非常小，容易实现远距离的传播，在液体介质压力很大的情况下也可以稳定测量，具有较高的机械强度。

2 超声波传感器测液位

在自动化和工业生产中，有一些有毒、易挥发、易爆炸的液体介质需要密封容器储存，而这些容器的液位检测不能采用直接接触测量 ，显然电容式传感器不能满足测量要求。超声波是一种频率在20kHz机械波，它按照一定的方向传播，在气体、固体和液体中都可以传播，遇到两种介质的分界面会产生明显的反射，与此同时折射的程度较小，一般利用超声波的全反射现象进行测量，但不同介质中都会有衰减，但气体中衰减程度最大，频率越高，衰减越快，超声波一般用来检测固体或液体能检测较强的反射信号，可以根据发射和反射信号的时间差t及检测介质声速来完成测量过程。超声波传感器是有发射和接受元件两部分组成，发射是一个超声波声源，利用晶体在 555定时器组成的振荡电路发射较高频率的超声波信号，接收端利用压电元件的正压电效应工作，从使用的稳定性和时间来考虑，石英晶体是普遍的选择，但压电陶瓷的灵敏度更高。使用过程中，在密封容器下方安装了超声波发射部分和接收部分，传感器发射的超声波在液面被反射，经过时间t后，接收到从液面反射回的超声脉冲，探头到液面的距离 L=Vt/2,液位高度 h=H-L。在实际安装过程中，超声波信号在测量介质时，因为发射端与被测容器之间有空气，形成了复杂的反射干扰信号，因此常采用象甘油、胶水、水玻璃、水、面粉浆糊之类的耦合剂，也有铁磁性物质采用吸力很强的磁铁来解决这个问题；还有要远离进液口和出液口的位置，也要避开上方的盘管等遮挡物，定期进行容器底部污泥和沉淀物的清理，防止测量过程中反射信号太多，区分难度大，测量的准确度下降。一般采用电荷放大器作为转换电路，实际使用较长的电缆，不会使灵敏度下降。

这两种类型传感器在工作过程中都要经过防干扰处理，电路才能输出一个相对稳定的信号去驱动指示仪表指针的偏转，而基于单片机或PLC的数字显示，在工业上不方便读数和清洁表面的油污使用频率不如前者，故传感器的选择和安装对输出和输入的线性关系影响不能忽略。