液位高度測量用磁翻板液位計綜述
返回列表發布日期：2019-02-16 09:44:20 |
磁翻板液位計用于各種工業和汽車應用。電容傳感器將介電材料的位置或特性的變化轉換成電信號。電容器的這些特性可用于測量儲罐中的液位。已經描述了電容液位測量的各個方面和配置。這里，還對使用電容傳感器的幾種液位測量技術進行了回顧，用于導電和非導電液體。
一，導言
電容技術廣泛用于測量所有類型的水位。大多數電容器設計用于保持固定的物理結構。但是，各種因素都會改變電容器的結構; 由此產生的電容變化可用于感知這些因素。電介質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，相對介電常數，導電性和導熱性，聲波或光波的液體表面反射，以及輻射吸收，用于設計不同類型的液位傳感器，用于任何液位測量過程工業。有兩種類型的電容式液位傳感器，接觸式或非接觸式，用于水位測量。圖1描述了基于遠程接地電容傳感器的液位測量系統的設計和實現。已經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量。在該提出的模型中，四個電極用于電容式液位傳感器。貝拉等人。3已經進行了設計為導電液體的低成本的非接觸電容式液位傳感器。它們將空氣對電介質的影響降至最低。貝拉等人。4還提出了一種用于任何類型液體的改進的電容式液位傳感器，其中消除了金屬桿的自感效應。Sheroz Khan等人。圖5設計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。
在該評論文章中，已經描述了電容傳感器的基本工作原理，并且類似地，已經描述了電容液位測量的各個方面和配置。還討論了電容電平測量技術的應用和優點。
II。背景
液體特性6- 9類似浮力，深度壓力，相對介電常數，電導率，熱導率吸收或輻射，聲音或光波的液體表面反射等與液位有關。液體的這些特性用于設計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，即液位其特征性質可以改變由于液體和探頭之間的物理或化學反應材料，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，可以具有更長的壽命周期，但它們比較昂貴，并且需要在各種環境和實驗的預防措施測量。
電容式水位傳感器的具體來源無法準確確定，但似乎可以追溯到過去十年的開始。2006年，Bera等人。圖3提出了一種用于測量導電液體液位的低成本非接觸式電容技術。在這項技術中，他們試圖消除對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。
磁翻板液位計可分為兩種類型：一種是浮動磁翻板液位計，另一種是接地磁翻板液位計。浮動型磁翻板液位計能夠本質上免受雜散電容的影響。然而，由于浮動磁翻板液位計的安全原因和/或操作限制，在一些應用中仍然需要接地電容傳感器，例如，接地金屬容器中的導電液體的液位測量。6 Reverter等。1在2007年設計并實現了基于遠程接地電容傳感器的液位測量系統.Khan等。圖5設計了一種用于液體識別目標的新型非接觸式電容式液位傳感器。
大多數磁翻板液位計具有基于液體和空氣的介電常數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年準確讀取液位罐的方法。數學證明該方法完全消除了影響讀數的不同因素，如空氣和溫度。
桂榮等人 圖2提出了具有四個電極的磁翻板液位計。所提出的方法不僅用于測量容器的液位，還用于評估容器的梯度狀態。它已經由作者實驗證明。
在傳統的傳感器中，兩個相同的電極用于測量非金屬儲罐中的液位。貝拉等人。圖4提出了磁翻板液位計可用于金屬或非金屬儲罐中的導電和非導電液體。
III。理論與運作
磁翻板液位計的基本原理是它將位置的變化或介電材料的特性轉換成電信號。3通過改變電容器的三個參數中的任何一個來實現電容傳感器：板（d）之間的距離，電容板的面積（A）和介電常數（εr）; 因此
C = f （d ，A ，ε[R） （1）
在這個原理中，已經開發了不同種類的傳感器。在電平測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量儲罐中的液位。
在傳統的磁翻板液位計系統中，兩個電極用于非金屬罐，一個電極用于導電罐。這些系統建立了一個電容器，如圖1所示和2。如果兩個端子之間的間隙是固定的，則可以通過測量浸入液體中的導體之間的電容來確定液位。由于電容與介電常數成比例，因此在兩個平行桿之間上升的流體將增加測量單元的凈電容作為流體高度的函數。兩個電極中的一個是感應電極，另一個是驅動電極。為了測量液位，用驅動電極施加激勵電壓并用感測電極檢測。電容傳感器的感測電極可以成形為各種形式和結構。
IV。評論
傳統的非接觸式液位傳感器用在電容器的導電液位和傳感電極之間的空氣柱中作為電介質。在傳統的非接觸式液位傳感器中，空氣用作電介質; 因為我們知道空氣具有低的介電常數并且經常改變其介電特性，所以換能器存在誤差，因此似乎具有有限的應用。為了最大限度地減少對傳統非接觸式磁翻板液位計的空氣影響，Bera等人。32006年設計并制造了一種用于導電液體的低成本非接觸磁翻板液位計。在設計技術中，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。 。氣缸與金屬儲罐連接。所提出的技術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，其長度為900mm，內徑為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感繞組。第二種液位傳感器由耐熱玻璃管制成，長800 mm，內徑12 mm，厚度2 mm，并使用18標準線規（SWG）的超級漆包銅繞組線。兩層在相同方向上一個在另一個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端子。雜散磁場在相反方向上感應出電流，因此消除了線圈的自感。為了測量電平感應探頭的電容變化，使用兩個運算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲罐中開發的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態特性是線性的，具有非常好的重復性。兩層在相同方向上一個在另一個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端子。雜散磁場在相反方向上感應出電流，因此消除了線圈的自感。為了測量電平感應探頭的電容變化，使用兩個運算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲罐中開發的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態特性是線性的，具有非常好的重復性。兩層在相同方向上一個在另一個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端子。雜散磁場在相反方向上感應出電流，因此消除了線圈的自感。為了測量電平感應探頭的電容變化，使用兩個運算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲罐中開發的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態特性是線性的，具有非常好的重復性。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個端子。雜散磁場在相反方向上感應出電流，因此消除了線圈的自感。為了測量電平感應探頭的電容變化，使用兩個運算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲罐中開發的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態特性是線性的，具有非常好的重復性。精加工端也短路并作為傳感電容器的一個端子。雜散磁場在相反方向上感應出電流，因此消除了線圈的自感。為了測量電平感應探頭的電容變化，使用兩個運算放大器（Op-amp）修改De Sauty電橋。金屬和非金屬儲罐中開發的HDPE和玻璃管液位傳感器的靜態特性是線性的，具有非常好的重復性。
電容傳感器可分為兩組：一組是浮動電容傳感器，另一組是接地電容傳感器。前者是優選的，因為它可以通過本質上不受雜散電容影響的接口電路讀取。然而，由于浮動電容傳感器的安全原因和/或操作限制，在一些應用中仍然需要接地電容傳感器，例如，接地金屬容器中的導電液體的液位測量。11在許多工業應用中，例如油箱底部的水位測量，12傳感器遠離其信號調理電路。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。對于接地磁翻板液位計，常見的無源屏蔽是不合適的，因為電纜的寄生電容（其值可能遠大于傳感器的值）取決于環境條件，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已經描述了基于遠程接地電容傳感器的液位測量系統的設計和實現。它詳細分析了寄生元件對有源屏蔽電路的影響，在此之前尚未對其進行分析。應用有源屏蔽技術將傳感器與接口電路互連。為了獲得穩定的電路，有源屏蔽放大器的帶寬必須滿足穩定條件，這取決于互連電纜和傳感器的寄生元件。使用簡單的張弛振蕩器作為接口電路。對于傳感器性能和隨后執行定時測量的微控制器，它們使用的工作頻率范圍為數十至數百千赫茲。該系統設計簡單，原型，實驗結果令人滿意。該系統也可用于泄漏檢測。
2008年，Sheroz Khan等人。圖5設計了一種用于液體識別目標的新型非接觸式電容式液位傳感器。基于運算放大器的改進橋接網絡，如圖3所示 已經用于測量所提出的水平傳感探頭的電容變化，其中橋網絡的輸出引線之間的寄生電容的影響被最小化。
通過平衡電橋和額外電容可以發現未知電容。電路的傳遞函數H（s）由電路的下部和上部構成
對于所提出的模型導出的上述等式給出了輸出電壓與電容變化的線性關系，如果施加的輸入電壓恒定且具有穩定的頻率。實驗結果顯示出良好的線性度，并且在所有測量中具有可接受的準確度。
傳統的磁翻板液位計僅測量液位。但是，在一些實際應用中同時需要更多關于測量變量的信息，例如，液體的辨別，液體的溫度等。每當船舶處于動態狀態時，船舶狀態的垂直和梯度在實際應用中也是必要的。桂榮等人 圖2提出了一種具有四個電極的電容式液位傳感器，其基于多功能感測。所提出的模型檢測填充在圓柱形容器中的液體中的液位變化，并且類似地，它檢測容器的狀態，如梯度方向和梯度角。
所提出的傳感器2的測量原理如圖4所示。在傳感器C0的輸出用于檢測液位的情況下，其他輸出C1，C2，C3和C4用于估計容器的狀態，梯度方向和梯度角。
在所提出的模型中，連接了四個電極，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用于液位測量，容器的梯度也通過V1 = C1-C2和V2 = C3-C4測量。在所提出的模型中，傳感器的性能良好，小于30°。所提出的模型的優點是不需要任何額外的組件來測量梯度方向和梯度角。因此，它降低了制造和應用成本。
在一個磁翻板液位計中不能完全消除空氣的影響。為了測量液體的高介電常數，應盡可能減小磁翻板液位計的影響，但空氣中的水分會顯著改變讀數。為了忽略空氣的影響，每當在罐中填充不同種類的液體時，應針對每種液體校準傳感器。因此，應對容器中的每種液體重新校準傳感器。這是一個昂貴的過程，并且通常是不實際的。Canbolta 10提出了一種消除空氣影響的方法，并測量了罐內液位的準確讀數。該方法可直接應用于任何種類的非導電液體而無需校準。
圖6圖1是在所提出的模型中使用的傳感器設置的示意圖。他使用了兩個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的參考傳感器，容器頂部的電容傳感器用作空氣介電基準。兩個傳感器都是相同的，具有相同的空間尺寸。第三傳感器用作液位傳感器，用于液位測量。對于所有這三個傳感器，在平行板之間使用相同的距離d，并且寬度W也相同。電容數字轉換器（CDC）用于所有傳感器，以將介電值轉換為數字信息。
傳統的磁翻板液位計包括浸入容納在儲罐中的液體中的絕緣固體金屬桿電極，或者金屬儲罐中的兩個這樣的相同電極。這種金屬桿可能受到自感效應的影響，該自感效應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的電容式液位傳感器的研究，其沒有傳統電容型液位傳感器的金屬桿電極的自感效應。為了最大限度地減小電感的影響，每個電極由絕緣圓柱上的均勻纏繞的短路無感線圈組成，絕緣圓柱保持在由絕緣材料制成的屏蔽圓柱內，如圖7所示。。
將圓筒放置在較大直徑的圓筒內，使得在內部線圈和外部線圈之間形成圓柱形電容，其不與液體接觸。通過改進的電容橋技術測量電容型液位傳感器的電容變化。作者通過實驗發現，傳統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。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態性能。所提出的液位傳感器具有非常好的線性度和可重復性。所提出的傳感器的無感線圈消除了傳統電容式液位傳感器的自感效應。由于這些線圈不與處理液接觸，傳感器的使用壽命將遠遠超過傳統磁翻板液位計的壽命。所提出的傳感器可用于導電和非導電液體。傳統的傳感器需要兩個相同的電極來測量非金屬儲罐中的液位，但在所提出的模型中，非金屬罐中不需要兩個相同的電極。該傳感器的設計比傳統傳感器更容易。該傳感器的成本也低于傳統傳感器的成本。在傳統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，因此傳統傳感器的性能受到很大影響。
五，結論
本文旨在概述近年來電容式液位傳感器的一些重要發展，包括：
一種低成本的非接觸式電容式液位傳感器，在金屬和非金屬儲罐中具有非常好的可重復性。
遠程接地磁翻板液位計，用于液位測量。它適用于高達70 cm的電平范圍，在此范圍之上，由于非線性，滯后和溫度而發生錯誤。
一種低成本的非接觸式電容式液位傳感器，可分析各種導電液體。設計的技術已被用于液體識別目標。
使用三個磁翻板液位計的液位測量技術可降低物理參數的影響，如溫度，潮濕氣隙和灰塵：
四電極電容式液位傳感器用于測量液位，梯度方向和梯度角;
改進的電容式液位傳感器用于導電和非導電液體，它消除了傳統電容式液位傳感器的自感效應。
我們觀察到磁翻板液位計由于其低成本，線性和良好的可重復性而在工業應用中更有效。使用這些技術，可以測量高達80厘米的水平。可以進行未來的實驗以修改電容式液位傳感器，使得它可以用于測量更大范圍的儀表的液位高度。