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超声波液位开关在粘稠介质液位控制中的应用

外测液位开关利用超声波发射、接收换能器之间介质变化时引起声阻抗变化的原理来进行液位的监测。和其它液位开关相比,外测液位开关的液位测试只与被测介质的声阻抗参数有关,与介质的粘度无关,因此克服了其它液位开关受介质粘度影响的缺点,产品可广泛应用于石油、化工、食品、饮料等行业。


液位开关包括浮球液位开关、音叉液位开关、电容式液位开关以及正在兴起的外测液位开关等。一直以来,大部分液位开关对粘度大的介质进行液位检测时,都存在反应时间滞后、上下动作点落差大、使用寿命短、极易产生误报警等测量问题。


浮球液位开关主要通过浮球的上下升降来检测液面的变化,在测量粘稠性或者含杂质液体时,容易造成浮球堵塞,产生浮子上浮和下降慢现象。


音叉液位开关主要通过测量两个振动音叉间介质变化时共振频率的变化来检测液位的变化。音叉液位开关在测量粘度介质时,叉体容易被粘连在一起的叉间物料堆积,从而产生误报警。


电容式液位开关通过检测液面或者散料高度变化时电容值的变化来测量液位或料位的高度。当测量粘稠介质时容易形成开关杆体挂料,从而影响模拟量的输出而产生误报警。


而定华电子有限公司研发的外侧液位开关利用超声波在空气和液体中的传播特性来检测液体的液位,可以克服粘稠介质液位的测量控制问题,最大动力粘度可测量到7000mpa.s,是石油、化工行业高粘稠度液体液位测量控制的优选产品。并且其结构精巧,没有机械部件,性能稳定可靠。安装方式多样,既可顶部安装,也可侧部安装,还有两点式结构,可以满足各种工况。


产品原理


外测液位开关利用超声波在空气和液体中的传播特性来检测液体的液位。由于换能器表面材料的声阻抗(声阻抗Z=密度ρ*声速C)与空气的声阻抗相差巨大,声波在空气中的发射、接收困难;而且声波在气体中传播时的衰减也比液体中大得多,因此,声波在空气中传播时几乎没有信号,而在液体中传播时信号很强。通过检测声波接收信号的大小或强度可以用来检测液位。

为了达到液位检测的目的,设计的外测液位开关传感器采用了如图1所示的凹槽型结构。

1.jpg

图1 超声波液位开关传感器示意图

图中,凹槽二端的内壁面上分别安装了一个超声发射晶片和一个超声接收晶片,用于超声波的发射和接收。当凹槽内存在液体时,外测液位开关电路检测到的声波接收信号强度较大,而当凹槽内存在气体(空气)时,液位开关电路检测到的声波接收信号极为微弱。液位开关电路根据检测到的声波信号的强度不同来实时判断液位,并相应地输出继电器开关信号来控制液位。


外测液位开关的优点分析


外测液位开关具有如下优点:

(1)响应速度快:外测液位开关利用液体和空气声阻抗的不同,来快速准确的区分是否有液到达测试点,反应灵敏。

(2)误差小:当液体充满凹槽时,立刻就会被检测为有液状态;当液体离开凹槽上面的一个面时,立刻就会被检测为无液状态。这样上下液位的落差点很小,基本保持一致,重复性误差±2mm。

(3)使用寿命长:液体介质的粘度对超声波开关的影响很小,基本不用保养;而且开关为全电子部件,没有机械部件,可常年使用不用维护。


产品应用情况


外测液位开关部分介质举例说明:

名称

温度

动力粘度(mPa.s)

纸胶水

30℃

3000

洗洁精

22℃

1470

糖浆

70℃

4000

工业胶

25℃

7000

原油

30℃

829

外测液位开关利用介质声阻抗原理进行测试,可以测量高粘度的液体。但是,如果介质中混有大量的颗粒物或气泡,会影响测量效果,不建议在类似工况下应用。


产品的发展前景


目前,超声波液位开关多为国外品牌,由于国外的超声波液位开关价格高、服务滞后、无法定制,制约了市场的需求。西安定华股份有限公司研制出了外测液位开关,填补了国内空白,成功应用于油品储罐、化工设备、制胶设备和食品机械等领域,其性能稳定,反应灵敏,解决了其它液位开关不能用于粘稠介质液位测量的问题,使过程控制自动化成为可能,既提高了设备的安全性,也降低了工人的劳动强度。



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