水位傳感器結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用
1、水位傳感器組成及工作原理
水位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器．靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號（一般為4～20mA／１～５ＶＤＣ）。
分為兩類：一類為接觸式，包括單法蘭靜壓/雙法蘭差壓液位變送器，浮球式液位變送器，磁性液位變送器，投入式液位變送器，電動內(nèi)浮球液位變送器，電動浮筒液位變送器，電容式液位變送器，磁致伸縮液位變送器，侍服液位變送器等。第二類為非接觸式，分為超聲波液位變送器，雷達(dá)液位變送器等。
靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。4～20mA、 0～5v、 0～10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。
利用流體靜力學(xué)原理測量液位，是壓力傳感器的一項(xiàng)重要應(yīng)用。采用特種的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。
是針對化工工業(yè)中強(qiáng)腐蝕性的酸性液體而特制，殼體采用聚四氟乙烯材料制成，采用特種氟膠電纜及專門的密封技術(shù)進(jìn)行電氣連接，既保證了傳感器的水密性、耐腐蝕性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。
工作原理：
用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為：Ρ = ρ .g.H + Po式中：
P ：變送器迎液面所受壓力
ρ：被測液體密度
g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/p>
Po ：液面上大氣壓
H ：變送器投入液體的深度
同時(shí)，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，
使傳感器測得壓力為：ρ .g.H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。
功能特點(diǎn)：
◆穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.１%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 ～ 70 ℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.１%FS ，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.３%FS 。
◆具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會損壞變送器，異常時(shí)送器會自動限流在 35MA 以內(nèi)。
◆固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。
◆安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。
主要技術(shù)參數(shù)：
工藝: 擴(kuò)散硅 陶瓷電容 藍(lán)寶石 電容任選。分體式一體式可選，量程: 0---0.5---200米，輸出: 4---20mA (2線制)供電: 7.5---36VDC 推薦24VDCCBM-2100/CBM-2700 投入式靜壓液位計(jì)可靠防腐并帶有陶瓷測量單元的探頭，用于凈水、污水及鹽水的物位測量。
投入分體式液位傳感器
適用于：水庫大壩、城市地下水監(jiān)測、供水系統(tǒng)、水文水利、石油化工、工業(yè)現(xiàn)場等液位測量與控制
投入分體式液位變送器
⊙選用美國進(jìn)口的高精度、隔離式敏感組件，性能可靠
⊙表壓或絕壓測量
⊙量程寬：1mH2O～200mH2O
⊙輸出：4～20mA或0～5V
⊙電源電壓：24VDC(12～36VDC)，mV 輸出型為恒流1.5mADC 或恒壓12VDC 供電
⊙精度高，優(yōu)于0.2%F.S
⊙100%防水防潮，防護(hù)等級IP68
⊙完備的電路功能，調(diào)校方便
2、作用及用途
投入式水位傳感器適用于石油化工、水利、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的水位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。
3、工作原理
采用水壓壓力與該水的高度成比例的原理，當(dāng)水位傳感器投入到被測液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為：Ρ = ρ .g.H + Po
式中： P ：變送器迎液面所受壓力
ρ：被測液體密度
g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/p>
Po ：液面上大氣壓
H ：變送器投入液體的深度
同時(shí)，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為：ρ .g.H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位高度。
4、功能特點(diǎn)
●穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.１%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 ～ 70 ℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.１%FS ，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.３%FS 。
●具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會損壞變送器，異常時(shí)送器會自動限流在 35MA 以內(nèi)。
●固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。
●直接投入、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。
5、技術(shù)指標(biāo)
本技術(shù)指標(biāo)參考HDP601S
結(jié)構(gòu)配置：采用擴(kuò)散硅壓阻芯體,316全不銹鋼封焊,帶三位半數(shù)字顯示，可直接顯示現(xiàn)場水位
測量范圍: 100mmH2O～100mH2O、500mmH2O～500mH2O (水位高/深度)
綜合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
輸出信號(通訊輸出)： 4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)、RS485、RS232 現(xiàn)場顯示: HDP601--無; HDP601S--LED三位半，0000 - 1999
供電電壓: 24DCV(9～36DCV)
介質(zhì)溫度: 0～85℃
環(huán)境溫度: 常溫(-20～85℃)
負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于50KΩ
絕緣電阻: 大于2000MΩ (100VDC
密封等級: IP68
長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年
振動影響: 在機(jī)械振動頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS
電氣接口(信號接口): 緊線防水螺母與五芯通氣電纜連接。
測量方式: 投入式,潛入式
6、應(yīng)用范圍
●主要適用于水處理廠、工業(yè)水塔及儲水容器等的液位測量與控制.
●重型探頭，采用齊平式膜片易于清洗，可使用于河流、地下水位、水庫等特殊環(huán)境.
性能和優(yōu)點(diǎn)
●其機(jī)械結(jié)構(gòu)對過載及腐蝕性介質(zhì)具有高抵抗性
●高精度、長期穩(wěn)定的陶瓷電容和進(jìn)口擴(kuò)散硅測量單元
●密封的電子模塊及雙濾波壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可抵抗氣候現(xiàn)場變化的影響
●電子模塊可輸出4...20mA信號并同時(shí)帶有過壓保護(hù)的模塊
●選擇集成的溫度傳感器Pt100可同時(shí)進(jìn)行物位及溫度的測量
7、目前的難題
下面我們從多個(gè)方面探討一下這些問題：
一、耐高溫問題：
傳感器要長期工作在熱水器水箱之中，因?yàn)檎婵展艿牡脽崃看?，傳給熱水器水箱很多熱量，使水箱溫度能長時(shí)間達(dá)到１００℃左右，短時(shí)間能達(dá)到１３０℃，甚至１５０℃，這就對傳感器帶來了耐高溫問題，從太陽能界用的第一個(gè)水溫水位傳感器一直到近期，傳感器的材料在耐高溫方面一直存在缺陷，在長期的空曬過程中、在長期的水煮過程中、在長期的汽蒸過程中，不管是電子器件還是其他的傳感器材料都很容易老化、損壞。 突破這一難題，必須使進(jìn)入水箱的傳感器部分能夠耐高溫，在科學(xué)快速發(fā)展的今天，我國已經(jīng)研制出了一種能夠絕緣的、耐高溫的抗高溫聚丙烯材料，它能夠在１５０℃的環(huán)境中正常使用，短時(shí)間能耐１７０℃高溫，導(dǎo)電的電極部分使用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料ＳＵＳ３１６Ｌ，既能滿足耐高溫，又能滿足耐腐蝕的要求；而不耐高溫的電路部分，可以選取遠(yuǎn)離高溫水箱的結(jié)構(gòu)。這樣傳感器的耐高溫問題就解決了。
二、密封問題：
對太陽熱水器水箱里的水溫水位探測，一般將感溫探頭和水位探頭都直接接觸水源，而一些感光的器件做成探測水位的傳感器成本又過高，作為一個(gè)熱水器配件的成本占整個(gè)熱水器成本很大一部分也很不合理，同時(shí)也超過了人們的購買能力，還有一些壓力傳感器又難逃水垢的影響，使壓力傳感器的壽命大打折扣，所以電極式傳感器一直是太陽熱水器傳感器的主流，但是電極、信號線和感溫器件的密封問題一直困擾著眾多傳感器研究者們，又因?yàn)樾盘柧€的呼吸毛細(xì)現(xiàn)象，使得信號線被水汽腐蝕，電阻增大甚至腐蝕斷信號線，直接導(dǎo)致控制部件失靈。突破這一難題，就必須選取一種結(jié)構(gòu)，使得信號線、電子器件等元件遠(yuǎn)離高溫的水箱，而進(jìn)入水箱的部分僅僅是耐腐蝕、耐高溫的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料ＳＵＳ３１６Ｌ和抗高溫聚丙烯材料，而不銹鋼材料部分和納米材料部分之間是用硅膠圈進(jìn)行密封的，用硅膠密封圈進(jìn)行密封，密封容易且簡單高效。信號線和電路部分都在水箱外邊和不銹鋼材料部分連接，能保證電路部分感受到水箱里面的水溫和水位，電路部分將感受到的水溫水位準(zhǔn)確轉(zhuǎn)變成電信號。傳感器的密封問題得以解決。
三、耐水垢問題：
我國水質(zhì)不一，很多地區(qū)的水質(zhì)問題很嚴(yán)重，水垢給傳感器帶來很多麻煩，水垢附著在電極和感溫塊上，造成傳感器感知水位水溫不準(zhǔn)確。突破這一難題，就必須從電路上找突破口，在連續(xù)的模擬電路作用下，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等離子受到一個(gè)固定方向的電磁力作用，有利于傳感器金屬探頭上水垢的形成，且鋼鐵等金屬物質(zhì)本身都極易形成水垢，當(dāng)水的溫度升高時(shí)，他們之間的分子勢能會增大，就是說分子間距增大，當(dāng)分子間距大到一定程度的時(shí)候，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等離子就會附著在金屬的表面，時(shí)間長了就會形成一層水垢膜，水垢膜的分子間隙較大，所以形成水垢膜后，水垢生成速度加快，最終導(dǎo)致傳感器電路部分感受不到準(zhǔn)確的水溫和水位，電路部分再轉(zhuǎn)變成錯誤的電信號輸出，即傳感器失靈，而電路部分采用小信號觸發(fā)原理的數(shù)字電路能大大克服這一缺點(diǎn)，小信號觸發(fā)原理能有效減?。茫幔玻ⅲ停纾玻入x子受到的電磁力。 而數(shù)字信號使水分子受到很小的電磁力不連續(xù)——時(shí)有時(shí)無，能有效減少因電路導(dǎo)致水垢的形成；再解決金屬本身形成水垢，可以使用一種導(dǎo)電的硅膠材料作為優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料的保護(hù)體，硅膠材料不易形成水垢，這是硅膠等高分子材料的一大特點(diǎn)，因Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等離子不容易滲透進(jìn)硅膠高分子連，所以水垢難以形成即不能附著在硅膠表面。而不銹鋼探頭同樣能夠準(zhǔn)確的感受水位，能保證傳感器正常的工作，水垢問題解決了。
四：抗干擾問題：
當(dāng)今社會信息縱橫，高壓線、低壓線、信號塔等電磁干擾源更是多的令人難以想象，這對傳感器的信號傳輸帶來很大的影響，以前大多使用電子模擬信號，雖然有濾波電路的保護(hù)，但還是不能達(dá)到理想的效果。突破這一難題，必須采用數(shù)字信號傳輸，數(shù)字信號傳輸具有抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。將上述多套解決方案組合安裝在一起，就組成了新結(jié)構(gòu)的傳感器，經(jīng)過多年的研究和多次的改進(jìn)，結(jié)合了多項(xiàng)專利技術(shù)水平，現(xiàn)在皇明公司已經(jīng)完全成功的研制出了一種新結(jié)構(gòu)的傳感器，引領(lǐng)傳感器設(shè)計(jì)潮流，采用新結(jié)構(gòu)、新材料、數(shù)字電路，完全能夠解決困擾太陽能熱水器行業(yè)多年的傳感器難題，經(jīng)有關(guān)部門檢驗(yàn)認(rèn)可開始準(zhǔn)備全面上市，愿此技術(shù)能在太陽能熱水器的升級換代中發(fā)揮作用，能對太陽能的智能化應(yīng)用有所促進(jìn)。
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