液氮加注系统中的液位传感器

张俊莲 史媛 冯玉华

摘 要：液氮加注系统中，液体加注设备是关键设备之一。为保证液体加注设备的准确加注，离不开在合适的位置安装可靠的传感器设备。液位传感器是液体加注系统中的关键设备之一。本文介绍了液体加注系统的加注方式、液位传感器的种类和工作原理，提出了液位传感器的选择依据。

关键词：液氮加注机;传感器

1 液体加注系统

液氮加注系统中，液体加注设备是关键设备之一，液体加注设备拥有两大加注功能，一个是向其他容器加注液体，一个是向自身容器加注液体。向其他容器加注液体又分为两种模式，一种为自适应加注，一种为定速加注。自适应加注通过速度传感器检测容器的流动速度，根据容器的流动速度计算出加注液体的时间，然后通过容器检测传感器检测容器是否到达加注液体阀门的下方。如果容器检测传感器检测到容器通过加注液体阀门的下方，则开启加注液体阀门，开启时长为根据容器的流动速度计算出的时间。定速加注不管容器的流动速度，它只通过设定的加注时长来加注液体。定速加注也是通过容器检测传感器来检测是否有容器到达液体加注阀门的下方，如果有则开启阀门，开启时长为设定的时长。向自身容器加注液体，是通过液位检测传感器来检测自身容器液位，如果液位低于了下限报警值，则开启向自身加注液体阀门开始加注液体。液体加注一直到液位上限报警值才停止。液位传感器是液体加注系统中的关键设备之一。

2 液位传感器的种类

液位传感器是一种常见的测量液位位置的传感器，它是将液位的高度转化为电信号的形式进行输出的一种元件，在不同应用地方，叫法又不一样，静压液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器都是液位传感器。常见的液位传感器有浮球式液位变送器、浮筒式液位变送器、电容式液位变送器、磁翻板液位变送器、超声波液位变送器、雷达液位变送器等。

浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。测量方式为最简单、最古老的检测方式，价格相对便宜。主要是通过浮球的上下升降来检测液面的变化，其为机械式检测，检测精度容易受浮力影响，重复精度差，不同液体需要重新校准。不适用于粘稠性或者含杂质液体，容易造成浮球堵塞，同时，不符合食品卫生行业的应用要求。

浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。

电容式液位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。电容式测量主要通过检测由于液面或者散料高度变化而导致的电容值变化来测量料位高度。其具有多种类型，有可输出模拟量的电容式液位计，液位电容式接近开关，电容式接近开关可以安装于容器侧面进行非接触检测。当选择必须注意，电容传感器容易受到不同的容器材质和溶液属性影响。

磁翻板液位变送器适用于铁罐，塑料罐和化工行业反应釜上的液位测量;超声波液位变送器适用于粘度较高的介质测量，价格相对较低;雷达液位变送器适用于粘度较高的介质测量，价格相对较高。

液位传感器与液位开关的区别。液位开关是根据液位传感器的信号输出开启放水或者进水的阀门而使水位保持恒定的一种控制器。也可以说液位开关输出的是一种开关信号，液位开关首先要确定液位的高度，依据这个高度来输出开关量信号。而液位传感器是将液位的高度转化为电信号的形式进行输出。我们可以对电信号进行处理比如和plc、数据采集器或者专业显示器相連进而输出液位的高度。还有就是液位开关和液位传感器的原理虽然相同。但是液位开关是开关控制电路，而液位传感器是相当于变压，变流用的电路元件。

3 液位传感器的工作原理

液位传感器的测量方式有：静压式测量，通过检测底部液体压力，转换计算出液位高度;光电折射式测量，通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。音叉振动测量，仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。其原理为：当液体或者散料填充两个振动叉时，共振频率改变时，依靠检测频率改变而发出开关信号;超声波测量，通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度等。其中，静压式测量液位传感器的工作原理简述如下：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强公式为：Ρ=ρgH+Po。式中，P为变送器迎液面所受压强;ρ为被测液体密度;g 为当地重力加速度;Po为液面上大气压;H 为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：ρgH，所以通过测取压强P，可以得到液位深度。

4液位传感器的应用选择

液位传感器被用于各种液体液位的的测量，可适用于高温、高压、强腐蚀、易结晶、防堵塞、防冷结以及固体粉状、粒状物料等特殊条件下的液位，料位或物位的连续检测，可根据测量对象的特点和传感器的使用条件确定量程的大小、传感器的体积、测量方式为接触式还是非接触式、信号的引出方法为有线或是非接触测量、传感器的来源、价格、灵敏度、频率响应特性等方面确定所需液位传感器的类型。