[導(dǎo)讀]
液體液位的檢測與控制是保護(hù)各企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段?，F(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方
液體液位的檢測與控制是保護(hù)各企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。現(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。
1.常用的幾種液位檢測方法簡述：
1.1．玻璃管液位計
通過連通器原理，將玻璃管液位計上、下閥與容器連接構(gòu)成連通器，透過玻璃管可直接讀得容器內(nèi)介質(zhì)液位的高度。儀表兩端均裝有針形閥，針形閥內(nèi)裝鋼球，當(dāng)玻璃管因意外事故而破裂時，鋼球在容器內(nèi)液體壓力作用下自動關(guān)閉液流通道，以防止容器內(nèi)介質(zhì)外流。
玻璃管液位計是現(xiàn)場直讀式儀表，主要用來直接指示各工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)罐、塔、槽、箱等容器內(nèi)介質(zhì)液位的高度。玻璃管液位計沒有電信號，不能實現(xiàn)數(shù)值遠(yuǎn)傳功能。
1.2．電容式液位計
電容式液位計是通過被測物體介電常數(shù)的不同來檢測液位的，許多微小的電極，分布在絕緣檢測棒的測量方向上，微電容檢測電路組成網(wǎng)絡(luò)，在液面變化時計算它的高度。電容式液位計采用浸入式檢測法，液體流掛帶來的顯著誤差，微電容檢測網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字處理電路受外界條件的影響也十分顯著。
1.3．超聲波物位計
1.3.1超聲波物位變送器利用換能器中的壓電晶體發(fā)射超聲波，并接收從物位表面反射回來的回波，通過測量超聲波發(fā)射及接收的時間間隔，計算超聲波的傳輸距離，從而完成物位的準(zhǔn)確測量。 超聲波物位計具有以下特點：
1.3.1.1非接觸式測量，可以測量普通液體、漿狀物、固體等介質(zhì)及腐蝕性液體；
1.3.1.2測量范圍寬，通?？蓽y量0.25~60m量程，有的產(chǎn)品甚至可達(dá)125m；
1.3.1.3測量不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性的影響，在一定范圍內(nèi)容器里的壓力也不影響測量；
1.3.1.4測量精度高，大致在0.1~0.25%之間；
1.3.1.5可利用兩線制傳輸系統(tǒng)的DC24V電源，可帶HART、PROFIBUS-PA等類型的現(xiàn)場總線。
1.3.2但超聲波物位計在實際應(yīng)用中也存在一些問題，如泡沫、粉塵、霧氣、多分層的情況下不能準(zhǔn)確測量。 另外對安裝的一致性要求也特別高，一般很難做好。
1.4．WNA靜磁柵尺
由磁鋼組成的磁柵編碼陣列和霍爾開關(guān)元件組成的霍爾編碼陣列協(xié)調(diào)工作。磁柵編碼陣列和霍爾編碼陣列形成該傳感器的兩個必不可少的單元，其中，磁柵編碼陣列單元稱之為“靜磁柵源”，霍爾編碼陣列單元稱之為“靜磁柵尺”，當(dāng)“靜磁柵源” 保持一定間隙沿“靜磁柵尺”軸線表面移動時，由“靜磁柵尺”實時解析出毫米級示值誤差的位移量數(shù)字信號。機理有如“游標(biāo)卡尺”，游標(biāo)卡尺1毫米的刻度可以辨別出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁柵編碼陣列間距和霍爾編碼陣列間距不同，有如游標(biāo)卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再經(jīng)過一套反復(fù)推演的算法，使得靜磁柵絕對編碼器的分辨率可達(dá)0.25毫米或者更小。
請注意，霍爾編碼陣列元件只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。由于物理位置不同，每只霍爾開關(guān)元件含有不同的位置信息，通過計算機高速掃描辨識，實現(xiàn)了“空間直線位置絕對編碼”，無論量程多長，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差。基本不受外界溫度、濕度、雜散磁場、電磁干擾等因素影響。
綜合以上的描述以及使用的經(jīng)驗，我們總結(jié)了上面四種傳感器的對比列表：
2.車間液位計現(xiàn)狀：
加料工序是制絲生產(chǎn)的關(guān)鍵的工序，加料的精度直接影響煙絲的吸味和口感。長久以來，操作工在進(jìn)行生產(chǎn)時依靠人工觀查加料罐內(nèi)液位的變化來判斷,一但流量計計量出現(xiàn)問題加料精度得不到保正, 影響煙絲的吸味和口感.車間液位計有偏差又不能參入比較和控制上述原因大大增加了由于人為失誤,和流量計計量不準(zhǔn)造成加料不合格的幾率。
車間現(xiàn)場液位測量與控制中，基本為罐內(nèi)液位的精密檢測。這類液位控制精確度要求高，溫度高且有攪拌現(xiàn)象，有揮發(fā)性，有泡沫。由于上述原因，車間以前也試用過多種液位計，如電容式以及超聲波液位計等，但一直存在檢測不準(zhǔn)的問題，所以一直都沒有讓其參與控制。另，車間加（送）料、加（送）香的管路與地溝都直接相聯(lián)，閥門誤動作會出現(xiàn)漏料，以前就出現(xiàn)過由于閥門不到位，而導(dǎo)致料液進(jìn)入地溝或泄露的情況。但由于以前車間的液位計沒有參與控制，出現(xiàn)此類情況時就未能及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。針對車間的現(xiàn)狀，在總結(jié)以往液位檢測設(shè)備的使用中經(jīng)驗和分析目前液位檢測領(lǐng)域中各檢測儀性能后，我們對WNA靜磁柵液位計進(jìn)行了改進(jìn)后在梗加料和片葉加料處試用。
３．1. WNA靜磁柵尺的改進(jìn)
WNA靜磁柵尺的改進(jìn)后安裝示意圖如下：
WNA靜磁柵以前用于對運動物體位置的檢測，WNA靜磁柵源只需固定于被測物體上即可。通過被測物體的移動來檢測移動位置.我們要用在液位進(jìn)行檢測,于是我們便在料液罐外安裝一玻璃管并與料液罐連通，這就是旁通玻璃管，將WNA靜磁柵源改制成浮子式的靜磁柵源（我們簡稱浮子）放進(jìn)旁通玻璃管中。我們將浮子設(shè)計位兩頭粗中間細(xì)的形狀，粗端為不規(guī)則形，只有三個點與玻璃管接觸，這樣減小浮子在旁通玻璃管中的阻力，當(dāng)液位發(fā)生變化時“靜磁柵源”即“浮子”能在旁通管內(nèi)隨液位的變化而自由移動，減小了測量誤差。靜磁柵尺就能對應(yīng)輸出4－20（或0-29ma、1-5v、0-5v、1-10v等等）毫安的模擬信號，也可連接Devicenet、Profobus等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
3.2.靜磁柵液位計優(yōu)點：
靜磁柵液位計是一種新型的液位傳感器。采用靜磁柵原理工作，直接輸出絕對液位數(shù)據(jù)，無需變送器單元。它具有量程長、分辨度適中、無接觸等特點，失電后能長時間保存絕對液位數(shù)據(jù)。耐沖擊、防水、抗油、抗粉塵、抗污染、不怕泡沫、讀數(shù)直觀精確、具有多種輸出信號、與車間現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)方便、便于維修置換等性能使其成為液位檢測與控制的首選設(shè)備。
靜磁柵源和靜磁柵尺兩者非接觸工作，分辨率為1mm，使用環(huán)境溫度-20℃～+100℃，抗撞擊約50g。
在安裝上它的優(yōu)點更為突出,由于其體積小,結(jié)構(gòu)緊湊，測量與信號轉(zhuǎn)換一體化，不需外置信號轉(zhuǎn)換，供電和信號為三線或四線均可的接線方式，特別是與PLC控制系統(tǒng)的連接更為方便，機柜直接提供24V電源，這給安裝提供了極為方便的條件。
3.3. 靜磁柵液位計的應(yīng)用：
靜磁柵液位計的輸出信號可以直接送入到現(xiàn)場的PLC中，在送料和加料的過程中都得以應(yīng)用。料罐形狀為U形，最底部有8KG的液體為不可測的，上面為均勻的圓柱體，在此范圍靜磁柵尺上刻度沒變化1mm，料罐液位就變化1.1KG。
在送料過程中：
△L =LL-LC-K
L%= (△L/ LL)*100%
LL=理論上送入料罐的料液重量/1.1
K=（底部不可測料液重量8KG+送料管路中的料液重量）/1.1
注: 靜磁柵尺的讀數(shù)每變化1mm而罐內(nèi)料液重量變化1.1kg.
其中LL為理論液位，LC為測量液位即靜磁柵尺的讀數(shù) ，K為補償系數(shù)（定值）。
由于送料流量較大為1800KG/H，考慮到送料管路和料罐底部的料液無法測量到，所以送料開始30S后，PLC程序開始每5秒鐘對料罐中液位進(jìn)行一次讀入、計算和比較。如果對某時刻讀入到PLC中的數(shù)值經(jīng)過運算比較后得出：L%>±0.5%時，系統(tǒng)就會發(fā)出精度偏低的報警信號，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示出報警信息。如果得出L%>±1%，系統(tǒng)就發(fā)出精度偏低停車的信號，使設(shè)備停機，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示報警信息,通知維修人員檢查。
送料全過程的數(shù)據(jù)變化也將保存在集控數(shù)據(jù)庫中,隨時可以調(diào)出進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.
送料控制信息方框圖
在加料過程中：
△L =實際用料量-（LC0-LC1-K）*1.1
L%=(△L/ 實際用料量)*100%
注:1. 靜磁柵尺的讀數(shù)每變化1mm而罐內(nèi)料液重量變化1.1kg.
2.實際用料量為質(zhì)量流量計顯示的重量.
其中LC0為加料前靜磁柵尺的讀數(shù)，LC1為加料過程中某時刻靜磁柵尺的讀數(shù)，K為補償系數(shù)即加料管路中的料液重量（定值）。
由于剛開車時，煙葉流量較小導(dǎo)致用料量還比較小，達(dá)不到靜磁柵液位計的檢測精度，不能進(jìn)行讀數(shù)和比較。當(dāng)煙葉流量達(dá)到設(shè)定值時，PLC程序開始每60秒鐘對料罐中液位進(jìn)行一次讀入、計算和比較。如果對某時刻讀入到PLC中的數(shù)值經(jīng)過運算比較后得出：L% >±1%時，系統(tǒng)就會發(fā)出精度偏低的報警信號，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示出報警信息。如果得出L%>±2%，并經(jīng)過10S延時后，系統(tǒng)就發(fā)出精度偏低停車的信號，使設(shè)備停機，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示報警信息,通知維修人員檢查。
送料全過程的數(shù)據(jù)變化也將保存在集控數(shù)據(jù)庫中,隨時可以進(jìn)行每批加料情況的數(shù)據(jù)分析,來判斷加料系統(tǒng)是否完好.
加料控制信息方框圖
4、結(jié)論
使用靜磁柵液位計后，可以對料罐內(nèi)的料液及加料設(shè)備進(jìn)行時時監(jiān)視、控制。如有故障及時報警及停機，減少質(zhì)量事故的發(fā)生和提高加料質(zhì)量。
1.常用的幾種液位檢測方法簡述：
1.1．玻璃管液位計
通過連通器原理，將玻璃管液位計上、下閥與容器連接構(gòu)成連通器，透過玻璃管可直接讀得容器內(nèi)介質(zhì)液位的高度。儀表兩端均裝有針形閥，針形閥內(nèi)裝鋼球，當(dāng)玻璃管因意外事故而破裂時，鋼球在容器內(nèi)液體壓力作用下自動關(guān)閉液流通道，以防止容器內(nèi)介質(zhì)外流。
玻璃管液位計是現(xiàn)場直讀式儀表，主要用來直接指示各工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)罐、塔、槽、箱等容器內(nèi)介質(zhì)液位的高度。玻璃管液位計沒有電信號，不能實現(xiàn)數(shù)值遠(yuǎn)傳功能。
1.2．電容式液位計
電容式液位計是通過被測物體介電常數(shù)的不同來檢測液位的，許多微小的電極，分布在絕緣檢測棒的測量方向上，微電容檢測電路組成網(wǎng)絡(luò)，在液面變化時計算它的高度。電容式液位計采用浸入式檢測法，液體流掛帶來的顯著誤差，微電容檢測網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字處理電路受外界條件的影響也十分顯著。
1.3．超聲波物位計
1.3.1超聲波物位變送器利用換能器中的壓電晶體發(fā)射超聲波，并接收從物位表面反射回來的回波，通過測量超聲波發(fā)射及接收的時間間隔，計算超聲波的傳輸距離，從而完成物位的準(zhǔn)確測量。 超聲波物位計具有以下特點：
1.3.1.1非接觸式測量，可以測量普通液體、漿狀物、固體等介質(zhì)及腐蝕性液體；
1.3.1.2測量范圍寬，通?？蓽y量0.25~60m量程，有的產(chǎn)品甚至可達(dá)125m；
1.3.1.3測量不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性的影響，在一定范圍內(nèi)容器里的壓力也不影響測量；
1.3.1.4測量精度高，大致在0.1~0.25%之間；
1.3.1.5可利用兩線制傳輸系統(tǒng)的DC24V電源，可帶HART、PROFIBUS-PA等類型的現(xiàn)場總線。
1.3.2但超聲波物位計在實際應(yīng)用中也存在一些問題，如泡沫、粉塵、霧氣、多分層的情況下不能準(zhǔn)確測量。 另外對安裝的一致性要求也特別高，一般很難做好。
1.4．WNA靜磁柵尺
由磁鋼組成的磁柵編碼陣列和霍爾開關(guān)元件組成的霍爾編碼陣列協(xié)調(diào)工作。磁柵編碼陣列和霍爾編碼陣列形成該傳感器的兩個必不可少的單元，其中，磁柵編碼陣列單元稱之為“靜磁柵源”，霍爾編碼陣列單元稱之為“靜磁柵尺”，當(dāng)“靜磁柵源” 保持一定間隙沿“靜磁柵尺”軸線表面移動時，由“靜磁柵尺”實時解析出毫米級示值誤差的位移量數(shù)字信號。機理有如“游標(biāo)卡尺”，游標(biāo)卡尺1毫米的刻度可以辨別出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁柵編碼陣列間距和霍爾編碼陣列間距不同，有如游標(biāo)卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再經(jīng)過一套反復(fù)推演的算法，使得靜磁柵絕對編碼器的分辨率可達(dá)0.25毫米或者更小。
請注意，霍爾編碼陣列元件只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。由于物理位置不同，每只霍爾開關(guān)元件含有不同的位置信息，通過計算機高速掃描辨識，實現(xiàn)了“空間直線位置絕對編碼”，無論量程多長，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差。基本不受外界溫度、濕度、雜散磁場、電磁干擾等因素影響。
綜合以上的描述以及使用的經(jīng)驗，我們總結(jié)了上面四種傳感器的對比列表：
2.車間液位計現(xiàn)狀：
加料工序是制絲生產(chǎn)的關(guān)鍵的工序，加料的精度直接影響煙絲的吸味和口感。長久以來，操作工在進(jìn)行生產(chǎn)時依靠人工觀查加料罐內(nèi)液位的變化來判斷,一但流量計計量出現(xiàn)問題加料精度得不到保正, 影響煙絲的吸味和口感.車間液位計有偏差又不能參入比較和控制上述原因大大增加了由于人為失誤,和流量計計量不準(zhǔn)造成加料不合格的幾率。
車間現(xiàn)場液位測量與控制中，基本為罐內(nèi)液位的精密檢測。這類液位控制精確度要求高，溫度高且有攪拌現(xiàn)象，有揮發(fā)性，有泡沫。由于上述原因，車間以前也試用過多種液位計，如電容式以及超聲波液位計等，但一直存在檢測不準(zhǔn)的問題，所以一直都沒有讓其參與控制。另，車間加（送）料、加（送）香的管路與地溝都直接相聯(lián)，閥門誤動作會出現(xiàn)漏料，以前就出現(xiàn)過由于閥門不到位，而導(dǎo)致料液進(jìn)入地溝或泄露的情況。但由于以前車間的液位計沒有參與控制，出現(xiàn)此類情況時就未能及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。針對車間的現(xiàn)狀，在總結(jié)以往液位檢測設(shè)備的使用中經(jīng)驗和分析目前液位檢測領(lǐng)域中各檢測儀性能后，我們對WNA靜磁柵液位計進(jìn)行了改進(jìn)后在梗加料和片葉加料處試用。
３．1. WNA靜磁柵尺的改進(jìn)
WNA靜磁柵尺的改進(jìn)后安裝示意圖如下：
WNA靜磁柵以前用于對運動物體位置的檢測，WNA靜磁柵源只需固定于被測物體上即可。通過被測物體的移動來檢測移動位置.我們要用在液位進(jìn)行檢測,于是我們便在料液罐外安裝一玻璃管并與料液罐連通，這就是旁通玻璃管，將WNA靜磁柵源改制成浮子式的靜磁柵源（我們簡稱浮子）放進(jìn)旁通玻璃管中。我們將浮子設(shè)計位兩頭粗中間細(xì)的形狀，粗端為不規(guī)則形，只有三個點與玻璃管接觸，這樣減小浮子在旁通玻璃管中的阻力，當(dāng)液位發(fā)生變化時“靜磁柵源”即“浮子”能在旁通管內(nèi)隨液位的變化而自由移動，減小了測量誤差。靜磁柵尺就能對應(yīng)輸出4－20（或0-29ma、1-5v、0-5v、1-10v等等）毫安的模擬信號，也可連接Devicenet、Profobus等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
3.2.靜磁柵液位計優(yōu)點：
靜磁柵液位計是一種新型的液位傳感器。采用靜磁柵原理工作，直接輸出絕對液位數(shù)據(jù)，無需變送器單元。它具有量程長、分辨度適中、無接觸等特點，失電后能長時間保存絕對液位數(shù)據(jù)。耐沖擊、防水、抗油、抗粉塵、抗污染、不怕泡沫、讀數(shù)直觀精確、具有多種輸出信號、與車間現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)方便、便于維修置換等性能使其成為液位檢測與控制的首選設(shè)備。
靜磁柵源和靜磁柵尺兩者非接觸工作，分辨率為1mm，使用環(huán)境溫度-20℃～+100℃，抗撞擊約50g。
在安裝上它的優(yōu)點更為突出,由于其體積小,結(jié)構(gòu)緊湊，測量與信號轉(zhuǎn)換一體化，不需外置信號轉(zhuǎn)換，供電和信號為三線或四線均可的接線方式，特別是與PLC控制系統(tǒng)的連接更為方便，機柜直接提供24V電源，這給安裝提供了極為方便的條件。
3.3. 靜磁柵液位計的應(yīng)用：
靜磁柵液位計的輸出信號可以直接送入到現(xiàn)場的PLC中，在送料和加料的過程中都得以應(yīng)用。料罐形狀為U形，最底部有8KG的液體為不可測的，上面為均勻的圓柱體，在此范圍靜磁柵尺上刻度沒變化1mm，料罐液位就變化1.1KG。
在送料過程中：
△L =LL-LC-K
L%= (△L/ LL)*100%
LL=理論上送入料罐的料液重量/1.1
K=（底部不可測料液重量8KG+送料管路中的料液重量）/1.1
注: 靜磁柵尺的讀數(shù)每變化1mm而罐內(nèi)料液重量變化1.1kg.
其中LL為理論液位，LC為測量液位即靜磁柵尺的讀數(shù) ，K為補償系數(shù)（定值）。
由于送料流量較大為1800KG/H，考慮到送料管路和料罐底部的料液無法測量到，所以送料開始30S后，PLC程序開始每5秒鐘對料罐中液位進(jìn)行一次讀入、計算和比較。如果對某時刻讀入到PLC中的數(shù)值經(jīng)過運算比較后得出：L%>±0.5%時，系統(tǒng)就會發(fā)出精度偏低的報警信號，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示出報警信息。如果得出L%>±1%，系統(tǒng)就發(fā)出精度偏低停車的信號，使設(shè)備停機，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示報警信息,通知維修人員檢查。
送料全過程的數(shù)據(jù)變化也將保存在集控數(shù)據(jù)庫中,隨時可以調(diào)出進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.
送料控制信息方框圖
在加料過程中：
△L =實際用料量-（LC0-LC1-K）*1.1
L%=(△L/ 實際用料量)*100%
注:1. 靜磁柵尺的讀數(shù)每變化1mm而罐內(nèi)料液重量變化1.1kg.
2.實際用料量為質(zhì)量流量計顯示的重量.
其中LC0為加料前靜磁柵尺的讀數(shù)，LC1為加料過程中某時刻靜磁柵尺的讀數(shù)，K為補償系數(shù)即加料管路中的料液重量（定值）。
由于剛開車時，煙葉流量較小導(dǎo)致用料量還比較小，達(dá)不到靜磁柵液位計的檢測精度，不能進(jìn)行讀數(shù)和比較。當(dāng)煙葉流量達(dá)到設(shè)定值時，PLC程序開始每60秒鐘對料罐中液位進(jìn)行一次讀入、計算和比較。如果對某時刻讀入到PLC中的數(shù)值經(jīng)過運算比較后得出：L% >±1%時，系統(tǒng)就會發(fā)出精度偏低的報警信號，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示出報警信息。如果得出L%>±2%，并經(jīng)過10S延時后，系統(tǒng)就發(fā)出精度偏低停車的信號，使設(shè)備停機，同時在集控電腦和現(xiàn)場電腦上顯示報警信息,通知維修人員檢查。
送料全過程的數(shù)據(jù)變化也將保存在集控數(shù)據(jù)庫中,隨時可以進(jìn)行每批加料情況的數(shù)據(jù)分析,來判斷加料系統(tǒng)是否完好.
加料控制信息方框圖
4、結(jié)論
使用靜磁柵液位計后，可以對料罐內(nèi)的料液及加料設(shè)備進(jìn)行時時監(jiān)視、控制。如有故障及時報警及停機，減少質(zhì)量事故的發(fā)生和提高加料質(zhì)量。
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