工业自动化中液位检测技术的应用

工业自动化中液位检测技术的应用

工业自动检测技术是一项基于物理、电子、自动控制、计算机科学、测量技术等原则的综合技术。其目标是自动、自动地测量工业自动化系统中的各种工艺参数。作为一个工业自动化检测系统,其任务就是对生产设备和工艺过程参数进行计量。对只有传感器、A/D转换和数字计算机的数据测量(处理)系统,存在着大量工艺参数和模拟量的转换问题,系统的精度很大程度上取决于检测装置的精度。近年来,随着计算机技术的不断完善以及高精度传感器的出现,给参数检测自动化带来了新的生机。由于技术发展的历史原因,高精度的液位测量一直与自动化关系最为密切。液位检测包括对液面(界面)和料面的检测。按照习惯,“液面”主要指“液——气”界面,“界面”主要指“液——液”界面,“料面”主要指“固——气”界面。液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域,尤其在工业生产过程领域,不但要求精度高,还需很好地适应工业现场的特殊环境。随着科学技术与生产的迅速发展,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用工业生产的要求,其自动化、智能化水平越来越高。本文介绍了目前在工业生产领域中常用的液位检测方法与仪器,并指出其在各种生产环境中的应用局限性与发展趋势。1液位传感监测系统的研究进展液位测量涉及到工业生产的各个领域,由于其使用和要求具有一定特殊性,对液位测量装置不但要求精度要高,还要求具有在恶劣环境下持续传感的能力,如要考虑压力、温度、腐蚀性、导电性,是否存在聚合、粘稠、气化、起泡等现象,以及密度与密度变化、清洁及脏污程度、液面扰动等因素。此外还须具备数字化或线性化输出,对安全性、强度和可靠性都要求很高,往往要求在液位传感系统中具有报警和自诊断的能力。目前国内外在液位监测方面采用的技术和产品很多,传统的液位传感器按其采用的测量技术及使用方法分类已多达十余种。近年来国内外一些研制单位还在研制开发更新的传感监测技术。归纳起来主要有以下几种。1.1平衡液体积分液位的测量差压传感器是利用液体的压强原理,在液体底部检测液底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传感器平衡电桥的制做中,得到了广泛应用。它是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,而获取液位信号。这类测量仪表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。除液体密度在正常工况下有明显改变,对大多数工艺对象,差压式液位仪表可以满足要求。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;对高结晶的液体、高粘性的液体、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。差压式液位测量仪表中,西安仪表厂生产的1151差压变送器应用较为广泛。近年来,日本横河公司推出的EJA差压变送器以其数字输出、精度高(00.7%)、漂移小、抗过载能力强等特点,显示了其较好的应用前景。1.2浮式液位传感器浮体式测量仪表主要分为浮筒式与浮子式,其中钢带浮子式液位传感器在原理及使用中更为典型,它是一种最简单的液位测量装置,由一根不锈钢管和一个空心球组成,不锈钢管内部装有若干个干簧继电器,空心球内装有一块永磁铁,当空心球随着水位上下运动时,磁铁作用于继电器产品与液位相应的信号。另一种浮体式液位传感器是在滑轮组上用钢丝绳一端挂浮球,另一端挂重锤,通过浮球与重锤的运动距离达到液位检测的目的,其缺点是钢丝绳与滑轮间存在滑动摩擦力,回位误差较大,特别是在钢丝绳和滑轮生锈的情况下,回位误差更大甚至失效。这种类型测量装置仅适用于清洁液体液面的连续测量与位式测量,不宜在脏污的、粘性的以及在环境温度下冻结的液体中使用。浮体式液位测量仪表中,KROHNE公司生产的BM26型磁浮子式液位变送器和BW25型浮筒液位计在工业现场中应用较典型,其量程为0.3～6m,精度为1.5%.前者可以4～20mA电流信号实现远距离传输。1.3微处理机器测量这种类型测量仪表从声波源发射声波,测量声波到达所测液面后反射回来所需时间,利用该时间与液位高度成比例的原理来进行测量。由于空气和水之间对声波的反射率基本达到100%,故可利用气体与液体对声波界面的反射进行测量,这样不需要接触测量物质即可测量液位。声波液位系统中的微处理机能迅速、精密地计算出传感器到被测物之间的距离。这类测量装置适用于普通液位仪表难于测量的腐蚀性液体、高粘性液体、有毒性液体等液面的连续测量与位式测量,也可用于液——液分界面、固——液分界面的连续测量和位式测量,但声波式仪表必须用于能充分反射声波且传播声波的对象,因而不能用于真空对象,不宜用于含气泡和含固体颗粒的液体中。在声波液位测量仪表中,E+H公司生产的130系列、230系列超声波物位测量仪最具代表性。其量程可达15m,最小盲区0.25m,4～20mA电流信号远传,有INTENSOR或HART通讯用于远程操作,是一种适用于各种过程控制系统的智能型一体化非接触式连续物位测量仪,代表了液位测量仪表的发展方向。1.4电容传感器测量电路电容液位传感器是利用被测对象物质的导电率,将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。与其他液位传感器相比,电容液位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量,用于位式测量的电容液面计宜采用垂直安装型,用于连续测量的电容液面计宜采用水平安装型。电容液位测量仪表不能用于易粘附的液体测量。用于界面测量时,两种液体的电气性能必须符合产品要求。上海自动化仪表五厂生产的UYZ50002系列电容物位计,精度为满量程的1%,测量范围3m,电极工作温度可达-200℃～+200℃,在现场应用较典型。1.5辐射源的种类核辐射检测是利用放射性同位素来进行测量的,根据被测物质对射线的吸收、反射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。核辐射检测装置一般由放射源、探测器、电信号转换电路和显示装置等四部分组成。这类仪表适用于高温、高压、高粘性、强腐蚀、易爆、有毒性液体液面的非接触式连续测量与位式测量,但其只有在使用其它液位仪表不能满足测量要求时方可使用。辐射源的种类根据测量要求与被测对象的特点,如液位高度、容器材质及壁厚等因素进行选择。当射源强度要求较小时可选用镭(Ra);当射源强度要求较大时可选用铯137(Se137);用于厚壁容器要求穿透能力强时可选用钴(Co60)。天津天威有限公司推出的VEGATOM003、VEGATOM142型γ射线式的液位检测器即这方面应用的实例。1.6电极传感检测这种形式的传感器也称电接触式液位测量仪表,其检测原理是利用液体的导电特性将导电液体的液面升高与电极接通视为电路的开关闭合,该信号直接或经由一个电阻及一个三极管组成的简单电路,传给后续处理电路。电极用金属材料制成,纵向依次排列在空芯棒外或安装在棒内且在棒上至少开一个入口,使电极能够与被测液体接触。这种方法中测点数目与测量精度因电极的排列方式而受到限制,其构成形式决定了管内和管表面空隙处易滞留污物造成极间连接,使传感器失效。这种检测方法仅适用于导电液体的液位测量,主要用于水位的报警和控制,目前大多用于水利、水文监测中。也可用于导电液体与非导电液体的界面位式测量。对于除水以外的导电液体,由于容易使电极结垢、腐蚀以及使工艺介质发生电解,一般不宜采用该类仪表。1.7光纤检测仪表光纤液位检测是近年来出现的一种新技术,目前国内外已有不少产品问世。就目前国内外已公开的这类液体检测传感器来看,其所采用的具体方法各不相同,但就其检测原理而言,检测机构中一般由输入光纤束、输出光纤束、光电转换器、传感器壳体组成,根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。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、大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制,特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测,检测精度高,在静态下检测精度可达1mm。但由于这类检测仪表正处于发展阶段尚未成熟,且不同类型的产品的成本、性能存在较大差异,因而还不能普及使用。1.8深度分布装置感应式数字水位测量仪表是一种新型的水位测量仪表,它的传感器是水位信号可直接取样的。按照仿生物学和仿神经网络原理设计的,由若干个感应式神经元电路组成的棒式传感器,该传感器由电路芯片和外壳组成。电路芯片上固定有若干块感应神经元电路和感应元电极。电路芯片装在外壳内由防水、防腐材料密封。每个感应元电极间隔为20mm.传感器总长为0.5～20m,直径为20～50mm.测量时将传感器插入水中,当水面靠近某个神经元电极时,该电路中的触发器产生翻转,输出由“1”变为“0”;当水面离开神经元电极时,该电路中的触发器输出由“0”变为“1”。每个神经元电路都以开关形式输出数字信号,再经D/A转换电路,将开关数字信号变成模拟信号输出。这样就使当水位由低到高变化时,传感器的输出端有相应4～20mmA的电流输出。感应式数字水位测量仪表可用于河流水库、高位水池、水塔、地下水池、渠道、城市下水、管网等水设施的水位监测。它的优点是:信号可远传;抗干扰性能强;测量精度高、误差小、稳定可靠;全投入式、不怕泥沙、污物堵塞掩埋;无机械可动部件,不存在卡死失效问题;安装、使用、维护方便,不受安装条件限制。2液位测量仪表的选型推荐表由以上分析可看出,不同类型的液位仪表,适用于不同的被测介质,同样要测量不同类型、状况的液位,也应根据其特点选择不同形式的仪表,下面给出液位测量仪表的选型推荐表,见表1.3微控制器的应用近年来由于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测量仪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,如超声液位计和振动式液位开关,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,液位检测也在向着智能化发展,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,目的是提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。在传