如何選擇合適的液位傳感器

西克中國產(chǎn)品管理部 陳秋明

在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，液位檢測(cè)和監(jiān)控一直扮演著較為重要的角色，如食品飲料、日化品、醫(yī)藥、半導(dǎo)體等行業(yè)的生產(chǎn)，各種機(jī)器的冷卻和潤滑等，液位的監(jiān)控直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至關(guān)系到生產(chǎn)過程是否能夠順利進(jìn)行。

同時(shí)隨著自動(dòng)化程度的增加，為了保障產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，生產(chǎn)過程直接由人工監(jiān)控和干預(yù)的時(shí)代亦已遠(yuǎn)去，傳感器的重要性亦越加明顯，并且越來越多地參與至程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不再是簡單的機(jī)械式、粗略式的監(jiān)控；故其要求除了檢測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)要求安裝、調(diào)試簡單化、尺寸緊湊化、應(yīng)用多樣化等。

另外，由于液位檢測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，也為傳感器的應(yīng)用帶來了不同挑戰(zhàn)。例如：高粘度液體高度檢測(cè)、含雜質(zhì)的廢水液位監(jiān)控、帶泡沫的液位高度測(cè)量、高腐蝕性液體高度報(bào)警等等。目前，市場(chǎng)上針對(duì)不同的應(yīng)用，提供了多種有效的解決方案，但如何選擇合適、性價(jià)比高的傳感器一直是讓工程師們頭痛的問題。

常見的液位檢測(cè)方式

為了選擇最佳的液位傳感器，我們不但需要了解被測(cè)液體的屬性和狀態(tài)，同時(shí)，也要知道不同的檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)與局限性，從而才能選出最合適的傳感器。以下為目前市場(chǎng)上最常見的檢測(cè)技術(shù)。

? 激光測(cè)量：激光類傳感器基于光學(xué)檢測(cè)原理，通過物體表面反射光線至接收器進(jìn)行檢測(cè)，其光斑較小且集中，易于安裝、校準(zhǔn)，靈活性好，可應(yīng)用于散料或液位的連續(xù)或者限位報(bào)警等；但其不適合應(yīng)用于透明液體（透明液體容易折射光線，導(dǎo)致光線無法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽環(huán)境（無法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干擾），波動(dòng)性液體（容易造成誤動(dòng)作），振動(dòng)環(huán)境等。

? TDR(時(shí)域反射)/ 導(dǎo)波雷達(dá)/微波原理測(cè)量：其名稱在行業(yè)內(nèi)有多種不同的叫法，其具備了激光測(cè)量的好處，如：易于安裝、校準(zhǔn)，靈活性好等，另外其更優(yōu)于激光檢測(cè)，如無需重復(fù)校準(zhǔn)和多功能輸出等，其適用于各種含泡沫的液位檢測(cè)，不受液體顏色影響，甚至可應(yīng)用于高粘性液體，受外部環(huán)境干擾相對(duì)小，但其測(cè)量高度一般小于6米。

? 超聲波測(cè)量：由于其原理為通過檢測(cè)超聲波發(fā)送與反射的時(shí)間差來計(jì)算液位高度，故容易受到超聲波傳播的能量損耗影響。其亦具備安裝容易、靈活性高等特點(diǎn)，通常可安裝于高處進(jìn)行非接觸式測(cè)量。但當(dāng)使用于含蒸汽、粉層等環(huán)境時(shí)，檢測(cè)距離將會(huì)明顯縮短，不建議使用在吸波環(huán)境，如泡沫等。

? 音叉振動(dòng)測(cè)量：音叉式測(cè)量僅為開關(guān)量輸出，不能用于連續(xù)性監(jiān)控液體高度。其原理為：當(dāng)液體或者散料填充兩個(gè)振動(dòng)叉時(shí)，共振頻率改變時(shí)，依靠檢測(cè)頻率改變而發(fā)出開關(guān)信號(hào)。其可用于高粘度液體或者固體散料的高度監(jiān)控，主要為防溢報(bào)警、低液位報(bào)警等，不提供模擬量輸出，另外，多數(shù)情況下需要開孔安裝于容器側(cè)面。

? 光電折射式測(cè)量：該檢測(cè)方式通過傳感器內(nèi)部發(fā)出光源，光源通過透明樹脂全反射至傳感器接收器，但遇到液面時(shí)，部分光線將折射至液體，從而傳感器檢測(cè)全反射回來光量值的減少來監(jiān)控液面。該檢測(cè)方式便宜，安裝、調(diào)試簡單，但僅能應(yīng)用于透明液體，同時(shí)只輸出開關(guān)量信號(hào)。

? 靜壓式測(cè)量：該測(cè)量方式采用安裝于底部的壓力傳感器，通過檢測(cè)底部液體壓力，轉(zhuǎn)換計(jì)算出液位高度，其底部液體壓力參考值為與頂部連通的大氣壓或者已知?dú)鈮?。該檢測(cè)方式要求采用高精度、齊平式壓力傳感器，同時(shí)換算過程需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)為可檢測(cè)不受液位高度限制，但高度越高，傳感器精度要求越高，長時(shí)間使用或者更換液體時(shí)需要重復(fù)校準(zhǔn)。

? 電容式測(cè)量：電容式測(cè)量主要通過檢測(cè)由于液面或者散料高度變化而導(dǎo)致的電容值變化來測(cè)量料位高度。其具有多種類型，有可輸出模擬量的電容式液位計(jì)，液位電容式接近開關(guān)，電容式接近開關(guān)可以安裝于容器側(cè)面進(jìn)行非接觸檢測(cè)。當(dāng)選擇必須注意，電容傳感器容易受到不同的容器材質(zhì)和溶液屬性影響，如塑料容器和掛料情況容易影響模擬量輸出的電容傳感器。

? 浮球式檢測(cè)：該方式為最簡單、最古老的檢測(cè)方式，價(jià)格相對(duì)便宜。主要是通過浮球的上下升降來檢測(cè)液面的變化，其為機(jī)械式檢測(cè)，檢測(cè)精度容易受浮力影響，重復(fù)精度差，不同液體需要重新校準(zhǔn)。不適用于粘稠性或者含雜質(zhì)液體，容易造成浮球堵塞，同時(shí)不符合食品衛(wèi)生行業(yè)的應(yīng)用要求。

如何選擇最佳的測(cè)量方式

當(dāng)我們了解了不同檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以后，對(duì)于液位傳感器的選擇也逐漸有了清晰的概念。（具體可參考圖1）首先，在開始選擇之前，必須先清楚我們需要傳感器達(dá)到哪些功能？是屬于開關(guān)量輸出還是模擬量輸出？通常開關(guān)量/數(shù)字量輸出用于報(bào)警或者保護(hù)作用，例如灌裝時(shí)防溢報(bào)警、低液位防泵空轉(zhuǎn)保護(hù)等；模擬量輸出主要用于過程控制，包括灌裝容量、液位顯示、加料速度控制等。

圖1 如何選擇合適的液位傳感器

接下來，必須了解被測(cè)液體屬性，其中包括狀態(tài)、顏色、腐蝕性、粘稠度、是否含雜質(zhì)，是否需要符合食品衛(wèi)生認(rèn)證？根據(jù)需求，尋找合適的傳感器。例如：日化品乳霜的灌裝過程中，需要監(jiān)控儲(chǔ)液罐高、低液位，首先我們了解到乳霜為流體狀態(tài)，有較大粘稠度，顏色為半透明乳白色，非腐蝕性，無需食品衛(wèi)生認(rèn)證，按照這一要求，可選擇的類型有：音叉測(cè)量、TDR測(cè)量和超聲波測(cè)量。

然后，我們需要做最后評(píng)估，包括產(chǎn)品的安裝調(diào)試、應(yīng)用溫度、壓力范圍、價(jià)格等，甚至可向供應(yīng)商借用樣品測(cè)試，其中TDR和超聲波需要安裝于罐體頂部，音叉可選擇安裝于頂部或者側(cè)面；從調(diào)試角度，音叉最簡單，TDR和超聲波次之，價(jià)格亦是。綜合評(píng)估下來，選用的優(yōu)先順序?yàn)椋阂舨?，TDR，超聲波。