CN106441500A - 应用于恶劣环境下的电导式液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，其主要由具有独特设计的多探针结构传感探头、与传感探头连接的一端为采用特殊布线结构的传输电缆、与传输电缆另一端连接的远程电路，以及上位机信号处理和系统控制软件组成。通过传输电缆的连接实现远程电路与被测环境的分离；传感探头材料的合理选择，使该传感系统更适用于高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣的应用环境；传感探头的独特设计以及相关检测算法的开发，使系统具备了远程断线检测功能；远程电路的合理开发，有效提高了系统的动态响应速度及测量精度，同时有效解决了恶劣环境下热和电化学效应产生的腐蚀问题。

Description

应用于恶劣环境下的电导式液位传感器

技术领域

本发明涉及一种定点型液位检测传感系统，特别是涉及可应用于高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣环境下的低成本、高精度电导式液位传感器。

背景技术

在生产过程中,液位测量的准确与否直接影响到产品的产量和质量、生产的安全以及生产成本。目前，常见的测量液位的方法主要有静压式、浮子式、电容式、超声波和电导式液位测量方法。静压式液位计是基于对液体静态压力的测量,其测量精度低,依赖于所用气体的密度；浮子式液位计通过液位变化引起浮子位移，从而引起机械部件的转动或位移来实现液位测量，极易被磨损或被秽物堵塞；电容式液位计是测量由液位变化引起的电容变化从而测得液位高度，其对电路的设计要求较高；超声波法是基于对超声波在液体表面和超声波探测器之间传播时间的测量，其对空气温度、压强和气流以及液体表面的波动较为敏感。电导式液位测量法是通过测量导电液体的电导而获得液位的方法。相比于前述的几种液位测量方法，电导式液位传感器具有结构简单、机械结构稳定、动态响应性好、测量电路简单、对工作环境要求较低等综合性优点。

电导的定义表达式为L=1/R=A/ ρ l=kA/l，其中，L为电导(S)；R为电阻(Ω)；A为导体有效面积(m ² )；ρ为电阻率(Ω· m)；l为导体有效长度(m)；k为电导率(Ω ^-1 · m ^-1 )。在实际应用中，由于电导式液位计传感探头横截面积是固定的，液位高度h与导体有效面积A成正比，又因为液体电导率k和导体有效长度l均为常数，所以液位高度h的变化与电导L的变化满足线性关系，可利用电导式液位计测得的电导率推得实际的液位高度。

国内发表的电导式液位传感器方面的专利对于在高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣环境下的电导液位传感器应用问题还未得到很好的解决。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器。本发明可应用于高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣环境下导电液体的液位测量，同时保证传感装置具有较好的稳定性、较高的灵敏度和良好的检测性能，可实现装置的低成本批量生产。

本发明所采用的技术方案是：一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器如图1所示，其特点是：包括传感探头、与传感探头连接的传输电缆、与传输电缆另一端连接的远程电路、以及上位机信号处理和系统控制软件。

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，其传感原理为：在高温、高压环境下的高腐蚀性的液体存在多种导电性离子，其电导率通常是较高的，并且较为容易测得；而空气和水蒸汽具有种类较少的导电性离子，它们的电导率比较低。因此，电导式液位传感器通过测量电导率的差异能够准确获得液位的高度。

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，涉及了传感探头的设计：为适用于导电液体的液位测量以及高腐蚀、高压、高湿、高温等恶劣的应用环境，传感探针采用不锈钢合金材质；为减小测量误差，传感探头由多个长度不同的探针构成；为实现远程传输电缆及各连接点断线检测，在传感探头检测环境外增设与检测介质等效电阻并联的固值电阻。

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，涉及了远程电路的开发：远程电路主要包括了信号调制电路、电导探测电路、控制指示电路。其中，信号调制电路用于产生有利于电导检测的调制信号；电导探测电路用于检测液位变化或断线引起的电导率的变化；控制指示电路根据上位机指示相关数字信号处理后的信号进行数值显示和断线报警。

与现有电导式液位检测装置相比，本发明具有如下优势：

（1)隔离电路的安装和远程电缆的使用，能够保证该液位监测传感器在高温、高压、高湿等恶劣环境下的稳定运行。

（2)传感器探头采用耐腐蚀的不锈钢合金材质，使该液位传感器可用于监测具有腐蚀性液体的液位。

（3)适用于非金属管道或者无金属接地的井中。

（4)无浮动结构，坚固的机械设计结构，灵敏度高。

（5)设有内置电缆断线检测功能。

（6)该发明采用交变结构（交变电压或频繁换向的直流电压）可以减少电偶腐蚀，且避免直流电压引起的金属损失。

附图说明

图1是电导式液位传感系统图

图2是多点电导式液位传感探头结构图。

具体实施方式

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器包括由一个或多个探针构成的传感探头，连接远程电路的传输电缆和远程电路。

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，其整体结构如图1所示，由电路产生的三角波作为运算放大器的正输入，同时通过负反馈电阻R，三角波也作为运算放大器的负输入。远程电路与传感探头通过传输电缆连接。在高温、高湿度或具有腐蚀性离子等恶劣环境中，传感探头可能由于热和电化学产生直流电压，运算放大器和远程电缆之间的电容是用来阻止由诱导电荷流或者热和电化学效应生成的直流电压产生的相关腐蚀。在远程电缆中存在的唯一导电负载是1)固定电导负载，或2)在交流信号频率(通常为500-5000Hz)下的液体有效电导。运算放大器的输出电压为所施加的三角波电压与信号电压（I × R）的总和，其中I是流入信号线的电流，R是在运算放大器的反馈路径中的电阻。相同的三角波被传递给一个独立A/D转换器的输入端，进而可在软件中计算，将正比于传感探头的电导的实际电压值（I × R）与上述三角波电压值分离。

一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，其传感器探头的结构如图2所示，1-参考电阻，2-传输电缆，3-金属基底，4-传感探针，5-传感探针，6-公共探针，7-传感探针。图的左侧展示了结构剖面图，而图的右侧清晰地展示了4个独立的探针每个探针以电力接触周围的空气或液体。为避免其腐蚀，采用不锈钢合金材质，如INCONEL625或是相关的合金材料。虽然不锈钢会形成阻碍直流电导率测量的氧化膜，当其用于此发明时，薄的氧化膜意味着它可以等效为不会干扰交流电导率测量的大的级联电容器。每个传感器探头由4个小探针构成：其中3个用来检测液位，第四个是一个公共探针，该公共探针的长度与最低的液体检测探针大致相同，以此确保至少有一个探针进行测量。每个探针在不同的高度，以保证对液位的高精度测量。检测探针的长度取决于被检测液体的液位，探针的长度可能短至几毫米，也可能长达一米，而这些都不会影响它的探测功能。

在没有液体存在的情况下，固值电阻的值决定了每个传感探针电导率的值。图2的左侧图所示的是电阻如何从每条传感线连接到公共传感线的；在实际应用中，电导部件被嵌入到传感探头内保护起来。如果电缆中断，电导也将降为零；从而内置电导可作为导频信号来判断连接传感探头与检测电路的电缆是否完好，由此可以实现电缆是否破损的实时检测。每个传感探针及公共探针均被连接到屏蔽电缆中的单根绝缘线上。屏蔽结构不是被安装到传感探头上的，而是被安装到电路的公共终端，作为静电屏蔽层来减少噪声的引入。

远程电路主要包括了信号调制电路、电导探测电路、控制指示电路，信号调制电路用于产生有利于电导检测的调制信号，实施中调制信号为方波信号；电导探测电路用于检测液位变化或断线引起的电导率的变化。软件中采用了相关信号处理技术，包括尖峰抑制、求动态均值、多个协议的连续读取等，以抑制超长电缆造成的环境噪声，避免读数不精准。软件中的检测逻辑用来判断是否有电缆破损、液体存在或干燥状态。如果出现电缆破损或者存在液体，干式接点闭合，以驱动相应电路进行相关信息的处理、显示或报警等。

Claims (7)

1. 一种应用于恶劣环境下的电导式液位传感器，其特征是：该电导式液位传感系统是由具有独特设计的多探针结构传感探头、与传感探头连接的一端为采用特殊布线结构的传输电缆、与传输电缆另一端连接的远程电路，以及上位机信号处理和系统控制软件组成。

2. 根据权利要求1所述的传感探头，其特征在于它是由多个探针构成，并且至少有一个与最低探针长度相同的探针作为公共探针，探针之间相互绝缘，每个探针与检测液体不绝缘。

3.根据权利要求1所述的传感探头，其特征在于它的每个探针与公共探针之间有固定的电阻作为参考，以实现远程电路与传感探头之间线路的故障检测。

4.根据权利要求1所述的传输电缆，其特征在于其布线结构中具有串联安装的电容器，以消除可能在传感探头中由热或电化学效应产生的直流电压，以避免直流电压引起的腐蚀。

5.根据权利要求1所述的远程电路，其特征在于其产生三角波电压，它适用于所有传感器导线，可用于测量流入每根传感线路和附加探针的电荷，从而确定电导。

6.根据权利要求5所属的三角波电压，其特征在于它可以被锯齿波、正弦波信号、或相关的调制信号取代，并且在电路中也具有确定电导的功能。

7.根据权利要求1所述的远程电路，其特征在于它采用了相关信号处理技术，包括尖峰抑制，求动态均值，多个协议的连续读取，以抑制来超长电缆造成的环境噪声，避免读数不精准。