液位高度測(cè)量用磁翻板液位計(jì)綜述
返回列表發(fā)布日期：2019-02-16 09:44:20 |
磁翻板液位計(jì)用于各種工業(yè)和汽車應(yīng)用。電容傳感器將介電材料的位置或特性的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電容器的這些特性可用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的液位。已經(jīng)描述了電容液位測(cè)量的各個(gè)方面和配置。這里，還對(duì)使用電容傳感器的幾種液位測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了回顧，用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體。
一，導(dǎo)言
電容技術(shù)廣泛用于測(cè)量所有類型的水位。大多數(shù)電容器設(shè)計(jì)用于保持固定的物理結(jié)構(gòu)。但是，各種因素都會(huì)改變電容器的結(jié)構(gòu); 由此產(chǎn)生的電容變化可用于感知這些因素。電介質(zhì)的變化改變了板之間的距離并改變了板的有效面積。液體特性，如深度壓力，浮力，相對(duì)介電常數(shù)，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，聲波或光波的液體表面反射，以及輻射吸收，用于設(shè)計(jì)不同類型的液位傳感器，用于任何液位測(cè)量過(guò)程工業(yè)。有兩種類型的電容式液位傳感器，接觸式或非接觸式，用于水位測(cè)量。圖1描述了基于遠(yuǎn)程接地電容傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)將不銹鋼棒和聚四氟乙烯（PTFE）絕緣線用于電容傳感器的電極。桂榮等人 圖2已經(jīng)提出了一種電容式液位傳感器，不僅用于液位而且用于梯度方向和梯度角逐步測(cè)量。在該提出的模型中，四個(gè)電極用于電容式液位傳感器。貝拉等人。3已經(jīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)為導(dǎo)電液體的低成本的非接觸電容式液位傳感器。它們將空氣對(duì)電介質(zhì)的影響降至最低。貝拉等人。4還提出了一種用于任何類型液體的改進(jìn)的電容式液位傳感器，其中消除了金屬桿的自感效應(yīng)。Sheroz Khan等人。圖5設(shè)計(jì)了一種低成本的非接觸式電容式液位傳感器。由聚氯乙烯（PVC）制成的圓柱體已被用作電容傳感器的電介質(zhì)。
在該評(píng)論文章中，已經(jīng)描述了電容傳感器的基本工作原理，并且類似地，已經(jīng)描述了電容液位測(cè)量的各個(gè)方面和配置。還討論了電容電平測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)。
II。背景
液體特性6- 9類似浮力，深度壓力，相對(duì)介電常數(shù)，電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率吸收或輻射，聲音或光波的液體表面反射等與液位有關(guān)。液體的這些特性用于設(shè)計(jì)不同的推論類型的液位傳感器，6- 8，如浮子，置換器，壓力傳感器，電容式探頭，部分浸入式電阻絲探針等。在這些中，接觸式液位傳感探頭，6，7等浮子，置換器，電容探針，等等，具有缺點(diǎn)，即液位其特征性質(zhì)可以改變由于液體和探頭之間的物理或化學(xué)反應(yīng)材料，因此，他們的生命周期可能是有限的。的非接觸式液位傳感探頭，6，8等的超聲波探頭，吸收探頭，非接觸式電容探頭，等等，可以具有更長(zhǎng)的壽命周期，但它們比較昂貴，并且需要在各種環(huán)境和實(shí)驗(yàn)的預(yù)防措施測(cè)量。
電容式水位傳感器的具體來(lái)源無(wú)法準(zhǔn)確確定，但似乎可以追溯到過(guò)去十年的開始。2006年，Bera等人。圖3提出了一種用于測(cè)量導(dǎo)電液體液位的低成本非接觸式電容技術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，他們?cè)噲D消除對(duì)流非接觸電容式液位傳感探頭的缺陷; 由玻璃，陶瓷，尼龍，PVC等絕緣材料制成的均勻直圓柱體的材料用于圓柱形電容器的介電。
磁翻板液位計(jì)可分為兩種類型：一種是浮動(dòng)磁翻板液位計(jì)，另一種是接地磁翻板液位計(jì)。浮動(dòng)型磁翻板液位計(jì)能夠本質(zhì)上免受雜散電容的影響。然而，由于浮動(dòng)磁翻板液位計(jì)的安全原因和/或操作限制，在一些應(yīng)用中仍然需要接地電容傳感器，例如，接地金屬容器中的導(dǎo)電液體的液位測(cè)量。6 Reverter等。1在2007年設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于遠(yuǎn)程接地電容傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng).Khan等。圖5設(shè)計(jì)了一種用于液體識(shí)別目標(biāo)的新型非接觸式電容式液位傳感器。
大多數(shù)磁翻板液位計(jì)具有基于液體和空氣的介電常數(shù)之間的較大差異的近似值。Canbolta 10提出了一種消除空氣影響并在2009年準(zhǔn)確讀取液位罐的方法。數(shù)學(xué)證明該方法完全消除了影響讀數(shù)的不同因素，如空氣和溫度。
桂榮等人 圖2提出了具有四個(gè)電極的磁翻板液位計(jì)。所提出的方法不僅用于測(cè)量容器的液位，還用于評(píng)估容器的梯度狀態(tài)。它已經(jīng)由作者實(shí)驗(yàn)證明。
在傳統(tǒng)的傳感器中，兩個(gè)相同的電極用于測(cè)量非金屬儲(chǔ)罐中的液位。貝拉等人。圖4提出了磁翻板液位計(jì)可用于金屬或非金屬儲(chǔ)罐中的導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體。
III。理論與運(yùn)作
磁翻板液位計(jì)的基本原理是它將位置的變化或介電材料的特性轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3通過(guò)改變電容器的三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)電容傳感器：板（d）之間的距離，電容板的面積（A）和介電常數(shù)（εr）; 因此
C = f （d ，A ，ε[R） （1）
在這個(gè)原理中，已經(jīng)開發(fā)了不同種類的傳感器。在電平測(cè)量中使用許多不同類型的基于電容的傳感器。上面討論的電容器的一般特性可用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的液位。
在傳統(tǒng)的磁翻板液位計(jì)系統(tǒng)中，兩個(gè)電極用于非金屬罐，一個(gè)電極用于導(dǎo)電罐。這些系統(tǒng)建立了一個(gè)電容器，如圖1所示和2。如果兩個(gè)端子之間的間隙是固定的，則可以通過(guò)測(cè)量浸入液體中的導(dǎo)體之間的電容來(lái)確定液位。由于電容與介電常數(shù)成比例，因此在兩個(gè)平行桿之間上升的流體將增加測(cè)量單元的凈電容作為流體高度的函數(shù)。兩個(gè)電極中的一個(gè)是感應(yīng)電極，另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)電極。為了測(cè)量液位，用驅(qū)動(dòng)電極施加激勵(lì)電壓并用感測(cè)電極檢測(cè)。電容傳感器的感測(cè)電極可以成形為各種形式和結(jié)構(gòu)。
IV。評(píng)論
傳統(tǒng)的非接觸式液位傳感器用在電容器的導(dǎo)電液位和傳感電極之間的空氣柱中作為電介質(zhì)。在傳統(tǒng)的非接觸式液位傳感器中，空氣用作電介質(zhì); 因?yàn)槲覀冎揽諝饩哂械偷慕殡姵?shù)并且經(jīng)常改變其介電特性，所以換能器存在誤差，因此似乎具有有限的應(yīng)用。為了最大限度地減少對(duì)傳統(tǒng)非接觸式磁翻板液位計(jì)的空氣影響，Bera等人。32006年設(shè)計(jì)并制造了一種用于導(dǎo)電液體的低成本非接觸磁翻板液位計(jì)。在設(shè)計(jì)技術(shù)中，液位傳感探頭由均勻的空心圓柱體制成，由玻璃，陶瓷，PVC和鐵氟龍等絕緣材料制成。 。氣缸與金屬儲(chǔ)罐連接。所提出的技術(shù)使用兩種類型的電容式液位傳感器。一種水平傳感器由高密度聚乙烯（HDPE）管制成，其長(zhǎng)度為900mm，內(nèi)徑為40mm，壁厚為3mm。PVC絕緣連接銅線用于該液位傳感器的短路線圈的雙層無(wú)感繞組。第二種液位傳感器由耐熱玻璃管制成，長(zhǎng)800 mm，內(nèi)徑12 mm，厚度2 mm，并使用18標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)（SWG）的超級(jí)漆包銅繞組線。兩層在相同方向上一個(gè)在另一個(gè)上方均勻地纏繞在傳感滾筒上。兩層繞組的起始端都是電短路的。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個(gè)端子。雜散磁場(chǎng)在相反方向上感應(yīng)出電流，因此消除了線圈的自感。為了測(cè)量電平感應(yīng)探頭的電容變化，使用兩個(gè)運(yùn)算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲(chǔ)罐中開發(fā)的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態(tài)特性是線性的，具有非常好的重復(fù)性。兩層在相同方向上一個(gè)在另一個(gè)上方均勻地纏繞在傳感滾筒上。兩層繞組的起始端都是電短路的。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個(gè)端子。雜散磁場(chǎng)在相反方向上感應(yīng)出電流，因此消除了線圈的自感。為了測(cè)量電平感應(yīng)探頭的電容變化，使用兩個(gè)運(yùn)算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲(chǔ)罐中開發(fā)的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態(tài)特性是線性的，具有非常好的重復(fù)性。兩層在相同方向上一個(gè)在另一個(gè)上方均勻地纏繞在傳感滾筒上。兩層繞組的起始端都是電短路的。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個(gè)端子。雜散磁場(chǎng)在相反方向上感應(yīng)出電流，因此消除了線圈的自感。為了測(cè)量電平感應(yīng)探頭的電容變化，使用兩個(gè)運(yùn)算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲(chǔ)罐中開發(fā)的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態(tài)特性是線性的，具有非常好的重復(fù)性。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個(gè)端子。雜散磁場(chǎng)在相反方向上感應(yīng)出電流，因此消除了線圈的自感。為了測(cè)量電平感應(yīng)探頭的電容變化，使用兩個(gè)運(yùn)算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲(chǔ)罐中開發(fā)的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態(tài)特性是線性的，具有非常好的重復(fù)性。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個(gè)端子。雜散磁場(chǎng)在相反方向上感應(yīng)出電流，因此消除了線圈的自感。為了測(cè)量電平感應(yīng)探頭的電容變化，使用兩個(gè)運(yùn)算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲(chǔ)罐中開發(fā)的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態(tài)特性是線性的，具有非常好的重復(fù)性。
電容傳感器可分為兩組：一組是浮動(dòng)電容傳感器，另一組是接地電容傳感器。前者是優(yōu)選的，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)本質(zhì)上不受雜散電容影響的接口電路讀取。然而，由于浮動(dòng)電容傳感器的安全原因和/或操作限制，在一些應(yīng)用中仍然需要接地電容傳感器，例如，接地金屬容器中的導(dǎo)電液體的液位測(cè)量。11在許多工業(yè)應(yīng)用中，例如油箱底部的水位測(cè)量，12傳感器遠(yuǎn)離其信號(hào)調(diào)理電路。在這些情況下，為了減少外部噪聲的影響，可以使用屏蔽電纜將傳感器連接到接口電路。對(duì)于接地磁翻板液位計(jì)，常見(jiàn)的無(wú)源屏蔽是不合適的，因?yàn)殡娎|的寄生電容（其值可能遠(yuǎn)大于傳感器的值）取決于環(huán)境條件，并且與傳感器平行。傳感器的寄生元件也可以在有源屏蔽電路的性能中起重要作用。Reverter等。1已經(jīng)描述了基于遠(yuǎn)程接地電容傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。它詳細(xì)分析了寄生元件對(duì)有源屏蔽電路的影響，在此之前尚未對(duì)其進(jìn)行分析。應(yīng)用有源屏蔽技術(shù)將傳感器與接口電路互連。為了獲得穩(wěn)定的電路，有源屏蔽放大器的帶寬必須滿足穩(wěn)定條件，這取決于互連電纜和傳感器的寄生元件。使用簡(jiǎn)單的張弛振蕩器作為接口電路。對(duì)于傳感器性能和隨后執(zhí)行定時(shí)測(cè)量的微控制器，它們使用的工作頻率范圍為數(shù)十至數(shù)百千赫茲。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，原型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。該系統(tǒng)也可用于泄漏檢測(cè)。
2008年，Sheroz Khan等人。圖5設(shè)計(jì)了一種用于液體識(shí)別目標(biāo)的新型非接觸式電容式液位傳感器。基于運(yùn)算放大器的改進(jìn)橋接網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示 已經(jīng)用于測(cè)量所提出的水平傳感探頭的電容變化，其中橋網(wǎng)絡(luò)的輸出引線之間的寄生電容的影響被最小化。
通過(guò)平衡電橋和額外電容可以發(fā)現(xiàn)未知電容。電路的傳遞函數(shù)H（s）由電路的下部和上部構(gòu)成
對(duì)于所提出的模型導(dǎo)出的上述等式給出了輸出電壓與電容變化的線性關(guān)系，如果施加的輸入電壓恒定且具有穩(wěn)定的頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出良好的線性度，并且在所有測(cè)量中具有可接受的準(zhǔn)確度。
傳統(tǒng)的磁翻板液位計(jì)僅測(cè)量液位。但是，在一些實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)需要更多關(guān)于測(cè)量變量的信息，例如，液體的辨別，液體的溫度等。每當(dāng)船舶處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)時(shí)，船舶狀態(tài)的垂直和梯度在實(shí)際應(yīng)用中也是必要的。桂榮等人 圖2提出了一種具有四個(gè)電極的電容式液位傳感器，其基于多功能感測(cè)。所提出的模型檢測(cè)填充在圓柱形容器中的液體中的液位變化，并且類似地，它檢測(cè)容器的狀態(tài)，如梯度方向和梯度角。
所提出的傳感器2的測(cè)量原理如圖4所示。在傳感器C0的輸出用于檢測(cè)液位的情況下，其他輸出C1，C2，C3和C4用于估計(jì)容器的狀態(tài)，梯度方向和梯度角。
在所提出的模型中，連接了四個(gè)電極，如圖5所示。因此，傳感器成為四電極傳感器。電容C1，C2，C3和C4用于液位測(cè)量，容器的梯度也通過(guò)V1 = C1-C2和V2 = C3-C4測(cè)量。在所提出的模型中，傳感器的性能良好，小于30°。所提出的模型的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何額外的組件來(lái)測(cè)量梯度方向和梯度角。因此，它降低了制造和應(yīng)用成本。
在一個(gè)磁翻板液位計(jì)中不能完全消除空氣的影響。為了測(cè)量液體的高介電常數(shù)，應(yīng)盡可能減小磁翻板液位計(jì)的影響，但空氣中的水分會(huì)顯著改變讀數(shù)。為了忽略空氣的影響，每當(dāng)在罐中填充不同種類的液體時(shí)，應(yīng)針對(duì)每種液體校準(zhǔn)傳感器。因此，應(yīng)對(duì)容器中的每種液體重新校準(zhǔn)傳感器。這是一個(gè)昂貴的過(guò)程，并且通常是不實(shí)際的。Canbolta 10提出了一種消除空氣影響的方法，并測(cè)量了罐內(nèi)液位的準(zhǔn)確讀數(shù)。該方法可直接應(yīng)用于任何種類的非導(dǎo)電液體而無(wú)需校準(zhǔn)。
圖6圖1是在所提出的模型中使用的傳感器設(shè)置的示意圖。他使用了兩個(gè)額外相同的電容傳感器。容器底部的電容傳感器用作液體介電基準(zhǔn)的參考傳感器，容器頂部的電容傳感器用作空氣介電基準(zhǔn)。兩個(gè)傳感器都是相同的，具有相同的空間尺寸。第三傳感器用作液位傳感器，用于液位測(cè)量。對(duì)于所有這三個(gè)傳感器，在平行板之間使用相同的距離d，并且寬度W也相同。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）用于所有傳感器，以將介電值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。
傳統(tǒng)的磁翻板液位計(jì)包括浸入容納在儲(chǔ)罐中的液體中的絕緣固體金屬桿電極，或者金屬儲(chǔ)罐中的兩個(gè)這樣的相同電極。這種金屬桿可能受到自感效應(yīng)的影響，該自感效應(yīng)隨著電平非線性地變化。貝拉等人。圖4示出了用于任何類型液體的改進(jìn)的電容式液位傳感器的研究，其沒(méi)有傳統(tǒng)電容型液位傳感器的金屬桿電極的自感效應(yīng)。為了最大限度地減小電感的影響，每個(gè)電極由絕緣圓柱上的均勻纏繞的短路無(wú)感線圈組成，絕緣圓柱保持在由絕緣材料制成的屏蔽圓柱內(nèi)，如圖7所示。。
將圓筒放置在較大直徑的圓筒內(nèi)，使得在內(nèi)部線圈和外部線圈之間形成圓柱形電容，其不與液體接觸。通過(guò)改進(jìn)的電容橋技術(shù)測(cè)量電容型液位傳感器的電容變化。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的雙電極電容式液位傳感器的金屬電極之間存在自感效應(yīng)。該自感隨電平非線性變化或可能影響電平變換器的線性動(dòng)態(tài)性能。所提出的液位傳感器具有非常好的線性度和可重復(fù)性。所提出的傳感器的無(wú)感線圈消除了傳統(tǒng)電容式液位傳感器的自感效應(yīng)。由于這些線圈不與處理液接觸，傳感器的使用壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)磁翻板液位計(jì)的壽命。所提出的傳感器可用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體。傳統(tǒng)的傳感器需要兩個(gè)相同的電極來(lái)測(cè)量非金屬儲(chǔ)罐中的液位，但在所提出的模型中，非金屬罐中不需要兩個(gè)相同的電極。該傳感器的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)傳感器更容易。該傳感器的成本也低于傳統(tǒng)傳感器的成本。在傳統(tǒng)的電容式液位傳感器中，涂層材料的厚度必須是均勻的，但是難以獲得，因此傳統(tǒng)傳感器的性能受到很大影響。
五，結(jié)論
本文旨在概述近年來(lái)電容式液位傳感器的一些重要發(fā)展，包括：
一種低成本的非接觸式電容式液位傳感器，在金屬和非金屬儲(chǔ)罐中具有非常好的可重復(fù)性。
遠(yuǎn)程接地磁翻板液位計(jì)，用于液位測(cè)量。它適用于高達(dá)70 cm的電平范圍，在此范圍之上，由于非線性，滯后和溫度而發(fā)生錯(cuò)誤。
一種低成本的非接觸式電容式液位傳感器，可分析各種導(dǎo)電液體。設(shè)計(jì)的技術(shù)已被用于液體識(shí)別目標(biāo)。
使用三個(gè)磁翻板液位計(jì)的液位測(cè)量技術(shù)可降低物理參數(shù)的影響，如溫度，潮濕氣隙和灰塵：
四電極電容式液位傳感器用于測(cè)量液位，梯度方向和梯度角;
改進(jìn)的電容式液位傳感器用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體，它消除了傳統(tǒng)電容式液位傳感器的自感效應(yīng)。
我們觀察到磁翻板液位計(jì)由于其低成本，線性和良好的可重復(fù)性而在工業(yè)應(yīng)用中更有效。使用這些技術(shù)，可以測(cè)量高達(dá)80厘米的水平。可以進(jìn)行未來(lái)的實(shí)驗(yàn)以修改電容式液位傳感器，使得它可以用于測(cè)量更大范圍的儀表的液位高度。
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