摘要 ：本文介紹了工業(yè)液位測(cè)量的主要方法， 提出了采用磁翻板液位計(jì)和干簧管組合設(shè)計(jì)液位計(jì)的方法， 對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器
件的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析， 對(duì)工業(yè)液位測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。
液位測(cè)量作為工業(yè)生產(chǎn)中的最重要的工作參數(shù)，其與溫度，壓力，流量堪稱(chēng)工業(yè)四大工作參數(shù)。科技發(fā)展到今天，產(chǎn)生了無(wú)數(shù)種的液位測(cè)量方法， 從古老的標(biāo)尺，發(fā)展到現(xiàn)代的超聲波， 雷達(dá)測(cè)量?jī)x,液位的測(cè)量技術(shù)也經(jīng)歷了質(zhì)的飛躍。下面就介紹比較常見(jiàn)的工業(yè)液位測(cè)量?jī)x表。
磁翻板液位計(jì)：
磁翻板是根據(jù)連通器的原理制作而成。磁翻板液位結(jié)構(gòu)基于旁通管，主導(dǎo)管內(nèi)的液位和容器設(shè)備內(nèi)的液位高度一致， 磁性浮子浮在液面上， 當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)， 液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過(guò)磁耦臺(tái)驅(qū)動(dòng)指示器內(nèi)的紅白翻柱翻180°，當(dāng)液位上升時(shí)翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色， 當(dāng)液位下降時(shí)磁柱由紅色轉(zhuǎn)為白色， 指示器的紅白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實(shí)際高度， 從而實(shí)現(xiàn)液位的指示。
干簧式液位計(jì)：
干黃液位計(jì)傳感器的主導(dǎo)管內(nèi)裝有一組干簧管和精密電阻．當(dāng)管外磁性浮子隨液位上下變化時(shí)． 吸合相應(yīng)的干簧管。依次接通的傳感器的改變分壓電阻值使輸出電壓發(fā)生變化， 接線盒內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路模塊將其輸出電壓轉(zhuǎn)換成4-20mA 電流輸出。
靜壓投入式液位計(jì)：
基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，通過(guò)測(cè)量液體對(duì)容器底部的壓力， 從而計(jì)算出液體的液位。
超聲波液位計(jì)：
在容器的頂部設(shè)置超聲波發(fā)射和接受傳感器， 液面反射超聲。從而測(cè)量液面高度。本設(shè)計(jì)結(jié)合磁翻板和干簧管液位計(jì)二者的優(yōu)勢(shì)，本地指示采用磁翻板液位指示器， 在輔以干簧管傳感器進(jìn)行電遠(yuǎn)傳。這樣本地有了直觀的顯示效果。遠(yuǎn)端可把信號(hào)輸入二次儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行組態(tài)顯示和控制，為構(gòu)成DCS 系統(tǒng)提供了接口信號(hào)。
干簧管（外形如圖一） ，也稱(chēng)舌簧管或磁簧開(kāi)關(guān)，是一種磁敏的特殊開(kāi)關(guān)， 是干簧繼電器和接近開(kāi)關(guān)的主要部件。它通常有兩個(gè)軟磁性材料做成的、無(wú)磁時(shí)斷開(kāi)的金屬簧片觸點(diǎn)， 有的還有第三個(gè)作為常閉觸點(diǎn)的簧片。這些簧片觸點(diǎn)被封裝在充有惰性氣體( 如氮、氦等)或真空的玻璃管里， 玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成開(kāi)關(guān)的常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)。干簧管比一般機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、速度高、工作壽命長(zhǎng)；而與電子開(kāi)關(guān)相比， 它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)， 工作可靠性很高。
液位計(jì)的傳感器電路如圖二：
傳感器部分由串聯(lián)的電阻構(gòu)成， 電阻一端接電源。另一點(diǎn)接地，每個(gè)電阻分得的電壓是
這一電壓通過(guò)吸合的干簧管連接至輸出端。隨著磁性浮子隨著液位的變化， 和他接近的干簧管接通，輸出的電壓反映出相應(yīng)的液位高度， 兩個(gè)干簧管之間的距離及液位計(jì)的分辨率。干簧管的多少， 可設(shè)計(jì)成不同的量程。把傳感器輸出的不同電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma輸出，可采用不同的電路形式。成本低的可采用分立器件，但是為了達(dá)到比較高的精度， 要保證相應(yīng)器件的匹配程度，調(diào)試也比較麻煩。TI 公司推出的XTR 系列工業(yè)傳感器專(zhuān)用的4-20ma 的一體化變送器集成電路，采用該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變送器成本低， 精度高，調(diào)試簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)選擇決定使用XTR115 完成設(shè)計(jì)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖三：XTR115 內(nèi)含一個(gè)儀表放大器， 可對(duì)輸入的小的電壓信號(hào)進(jìn)行放大， 放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4—20ma，集成電路內(nèi)部還可向前級(jí)提供高精度的2.5v參考電壓源和5v 的工作電壓，2.5v 參考電壓提供給干簧管分壓電路，5v 為本地的其他集成電路提供工作電壓。XTR115 為電流放大器件， 電流放大倍數(shù)100，傳輸函數(shù)為lo=100lin，轉(zhuǎn)換成輸入電壓：
此電路的輸入電壓范圍是0—2.5V，輸出在4-20ma。由于輸入從零開(kāi)始， 而輸出起點(diǎn)為4ma， 需在輸入端加入一個(gè)40uA 的偏置電流。加入的方法如圖四：固定電阻用電位器代替， 實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的調(diào)整。滿(mǎn)量程時(shí)，輸入2.5v 時(shí)輸出20ma， 此時(shí)輸入電流為兩部分電流之和，輸入電壓形成的電路和零點(diǎn)時(shí)的偏置電流，除去40uA 的偏置電流， 輸入應(yīng)為16uA， 因此Rin取值為15.6kΩ，實(shí)際中采用一只固定電阻加一只電位器串聯(lián)的形式， 這只電位器完成輸出滿(mǎn)量程的調(diào)整。
前端的分壓器的輸出電壓， 對(duì)于后端的輸入相當(dāng)于一個(gè)電壓源和一個(gè)內(nèi)阻， 此內(nèi)阻隨著分壓器的位置會(huì)發(fā)生變化。如果直接送入XTR115 進(jìn)行調(diào)理的話(huà)，會(huì)影響后級(jí)的放大倍數(shù)。因此在兩者之間必須加入采用運(yùn)放組成的電壓跟隨器作為中間隔離電路， 減小前后級(jí)的相互一影響。對(duì)此運(yùn)放的要求主要有單電源工作，輸入阻抗高，軌至軌輸出，對(duì)照多種運(yùn)放， 決定采用tlc27l2 ，該運(yùn)放采用CMOS 工藝，輸入阻抗高，可采用單5V 電壓工作，輸出可低至電源負(fù)。實(shí)踐運(yùn)用中，能夠滿(mǎn)足電路的要求。
為了讓電路可靠的工作。在電路設(shè)計(jì)中為XTR115 增加了外部電流三極管， 以減少集成電路的溫升，使電路工作更加穩(wěn)定。在輸出的電流回路中增加橋式整流電路， 實(shí)現(xiàn)連接端子的無(wú)極性連接， 給連接帶來(lái)了方便， 同時(shí)起到保護(hù)設(shè)備的作用。輸出回路中增加36V 穩(wěn)壓二極管，防止從輸出回路中傳入高電壓破壞集成電路。整個(gè)電路的元件全部采用工業(yè)級(jí)芯片， 封裝形式采用貼片封裝， 這樣整個(gè)電路可制作在5*5mm 的印刷電路板上，安裝在標(biāo)準(zhǔn)的鋁制變送器外殼上， 干簧管測(cè)量部分可封裝在不銹鋼圓管內(nèi)， 適應(yīng)多種液體的測(cè)量，對(duì)應(yīng)用環(huán)境和安裝環(huán)境要求不高， 為工程應(yīng)用提供的方便。
經(jīng)過(guò)以上的設(shè)計(jì)，此液位計(jì)已完成成品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，在實(shí)踐應(yīng)用中，本地顯示醒目直觀， 遠(yuǎn)傳信號(hào)穩(wěn)定，可靠性高，得到了用戶(hù)的認(rèn)可。
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