液位传感器

结构

　　液位传感器，它包括浮子(1)、磁铁(2)、支架(3)、线性输出的霍尔元件传感器(4)、放大电路，霍尔元件传感器(4)设置在支架(3)的上部，磁铁(2)设置在霍尔元件传感器(4)的下方，磁铁(2)与浮子(1)连接；霍尔元件传感器(4)的输出端通过放大电路与显示仪表的输入端连接。霍尔元件传感器为线性输出的霍尔元件传感器，因此，该液位传感器输出变化的线性度好，测量精度和分辨率高。

原理

　　用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po式中：

　　P ：变送器迎液面所受压力

　　ρ：被测液体密度

　　g ：当地重力加速度

　　Po ：液面上大气压

　　H ：变送器投入液体的深度

　　同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，

　　使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。

　　功能特点：

　　◆稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.１[%]FS/ 年。在补偿温度 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 0.１[%]FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.３[%]FS 。

　　◆具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。

　　◆固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。

　　◆安装方便、结构简单、经济耐用。

　　主要技术参数：

　　工艺： 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选，量程：0－－-0.5－－-200米，输出: 4－－-20mA （2线制）供电：7.5－－-36VDC 推荐24VDCCBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量。

产品比较

　　1.雷达液位传感器

　　原理 ：D=L-CT/2  雷达液位计采用发射-反射-接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。

　　该类型传感器一般误差在2mm左右，测量范围一般是0.5m-20m，由于其非接触的测量原理相对磁尺来说对背测介质范围就比较广，液体，固体（物位）都可以。缺点主要是精度不够高，在短量程方面有暗区，由于电磁波不能受到干扰，安装时应避免障碍物，同时也应避免温度等因数对电磁波的影响。另外在界面方面，特别是密度相差不是很大界面方面，远远不如磁尺方便准确。

　　2.超声波液位传感器

　　原理与雷达液位计相同，只是相对雷达的电磁波，超声波液位传感器

　　是利用空气的声纳原理，发射和接受的是一种超声波。从性能上来说，超声波比雷达具有更稳定的性能。

　　3.浮球式液位（界面）传感器

　　此类传感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。当浮子随着液位（界面）上下浮动，浮子内永磁体的磁力作用于导管内的干簧管，使相应高度的干簧管闭合，得到正比于液位的电压信号，经转换器转换成4~20mA.DC的标准信号。

　　磁浮子传感器的特点就是精度不高，某厂家产品的一组数据为：测量范围L,当5001000时，精度为1.5[[%]]，当L>1000时，精度为1.0[[%]].测量范围主要集中在4m以下。相对来讲，在界面测量方面有很稳定的性能。

　　4. 磁翻板式液位计

　　磁翻板式液位计是以磁性浮子为感应元件，并通过磁性浮子与显示色条中磁性体的耦合作用，反映被测液位或界面的测量仪表。磁浮子式液位计和被测容器形成连通器，保证被测量容器与测量管体间的液位相等。当液位计测量管中的浮子随被测液位变化时，浮子中的磁性体与显示条上显示色标中的磁性体作用，使其翻转，红色表示有液，白色表示无液，以达到就地准确显示液位的目的。

　　此类传感器具有显示直观醒目、不需电源，安装方便可靠，维护量小，维修费用低的优点，是玻璃管、玻璃板液位计的升级换代产品。但测量精度不高，一般厂家标称的误差都在10mm到20mm之间。如果需要把现场的数据远传还需要加一个相应数据远传变送器，如右图下部所示。

　　值得一提的是，由于该传感器中浮球与磁尺类似，所以该传感器能和磁尺配合使用。这样，磁翻板就起到现场显示作用，而磁尺则起到变送远传的功能。而且通过磁致伸缩原理将其转换成高精度的电信号，而且信号类型丰富。而一般的远传变送器的原理是将开关信号转换为连续的模拟量的输出。

　　对于浮子和磁翻板两种传感器，在业内对其两者的名称容易混淆，因为都是有一个磁性浮子，所以很多时候都被称之为磁浮子液位计，实际沟通时需要具体确认。凡此两类传感器主要特点就是精度不高，同时由于磁性原理也需要在现场安装时注意一些干扰。

　　5.电容式液位传感器

　　原理：把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，其物位变化量△H与电容变化量△CX关系如下：

　　式中：Co为容器液体放空时，金属棒对容器壁的分布电容；

　　ε为容器液体介电常数；

　　H为液位高度；

　　D2为绝缘套管的直径；

　　D1为金属棒的直径

　　当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体 △Cx 通过转换器转换成与物位成比例的直流标准信号。

　　此类传感器由于其原理决定，实际中根据被测介质的导电属性来选择各种不同的测量探头。电容式原理的精度一般都能达到0.5[[%]]左右，测量范围在0.2m--20m之间。由于电容原理的一些特殊性，相比磁尺来讲在稳定性方面还是有一定的距离。

信号调理电路设计

　　在变送器 的开发应用中，常常会遇到所需的变送器的输出与已有的变送器的输出不同，或用户已有的变送器的输出不能满足新的需求，这就需要改变变送器原来的输出。为了 满足多种客户的需求，就需有多种输出的变送器。例如：作为二型表，标准输出多为0～10mA, 或0～10V，而目前应用的三型表，却是4～20mA或1～5V的，它们之间如何变换，是我们必须解决的问题。

　　1 变送器信号调理电路的设计

　　1.1 温度漂移的处理

　　---传感器的温度漂移可分为零点温度漂移和灵敏度温度漂移。零点温漂即传感器不受压时的输出由温度变化引起的漂移，在传感器的应用中，经常用恒流供电，零点及其温漂的补偿方法可用电阻串并联法，采用图1所示的电路可有效的解决零点温漂问题。

　　---恒 流供电桥路的传感器，其灵敏度温度补偿通常采用的电路如图2所示。其中R的网路中Rt为温度系数与灵敏度温漂同向的热敏电阻，Rs、Rp、Rz为温度系数 可忽略的电阻，用来调整Rt的温度系数。经上述零点和灵敏度的温度补偿的传感器的输出信号即可视为在一定的温度范围内与温度变化无关。

　　1.2 放大及非线性的处理

　　---任何力敏传感器的非线性都有大小、正负之分，信号的处理和传输时要进行线性化处理，使得到的信号与液位成线性关系。线性化电路就是根据非线性的大小和正负来设计的，线性化可以在信号处理的不同阶段来进行，有的在模拟信号阶段进行，有的在数字信号阶段进行。

　　---在图3的电路中，12脚与6脚连接后调整电阻R8，可以调节正非线性;12脚与1脚连接后调整电阻R8，可以调节负非线性。

　　---对于一般应用要求的精度(±0.5[%]FS0)，在适当的量程范围内，使用简单的正负反馈的修正就足够了;小量程的传感器应用到大量程中，非线性会增大，有时用简单的正负反馈修正进行线性化比较困难，使用数字线性化方法，也可以采用多点修正方法。

　　---对于输出信号很小，甚至只有几mV的传感器在制作4～20mA液位变送器时，可以使用性能优良的仪表放大器，如INA118，对温度补偿、线性化、放大以及输出全面考虑，设计出满足需求的液位变送器电路。

　　---也可以应用变送器电路块，如xTR106，这是美国BB公司的产品。具体电路如图3所示，用该电路组装的变送器经过长期运行，各方面的性能都很好，其中用Wl调零点，W2调量程，R3调灵敏度温漂，R8调线性。

　　2 变送器输出的变换

　　2.1 4～20mA变换为0～5V

　　---利用OP295放大器的变换电路

　　---OP295 为双运放电路，噪声低，精度高，可输入和输出正负信号。单电源工作3～36V，低失调电压300μV，高开环增益1000V/mV，每个放大器的电 源电流为150μA，输出电流±18mA，工作温度-40～125℃。是一种很好的放大器。

　　---用OP295放大器构成的4～20mA变换为0～5V的原理图如图4所示。其中R1为取样电阻，W1和W2分别为调零位和满位的电位器，二极管组用于共模调整，8V电压可用LM317得到。该电路组装调试便捷，精度高。

　　---利用BB公司的RCV420的变换电路

　　---RCV420 是 BB公司的产品。它能将4～20mA变换为0～5V。它的电源电压额定值为±15V，静态电流为3mA，工作温度范围-55～125℃。虽 然说明书中给出的电源是双电源，但也可以应用于单电源0～24V的场合，这就十分方便，应用时不加任何外部元件(见图5)。

　　2.2 4～20mA变换为0～10mA

　　---把4～20mA变换为0～10mA的电路如图6所示。这个电路虽然比较复杂，但性能稳定可靠。

　　---设R1 上的压降(取样电压)为Vi，经推导可以得到流经RL上的电流为I=(Vi-1)/R11 。很显然，如果变送器在零位时输出4mA，在250Ω的取样电阻的压降为1V，于是I=0。如果变送器输出为20mA，Vi=5V，则I= (5-1)/R11，适当选取R11，可得I=10mA。

　　2.3双4～20mA输出

　　---有时为应用方便，一个变送器需用两个或多个4～20mA输出。图7给出了在实际应用中很成功的解决方法。

　　---实际电路由OP295和9015PNP管构成，调解R1使其输出为4～20mA，就成了双4～20mA输出。这个电路输出稳定可靠。

　　3 结语

　　---本文介绍的液位传感器的信号调理电路以及各种变送器的变换电路是作者实际工作的总结，用该方法设计的液位变送器，经多年的实际应用，证明用该设计方法制作的变送器性能优良运行可靠。