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硅压阻投入式液位变送器在液位测量中的应用

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硅压阻投入式液位变送器在液位测量中的应用

发布日期:2016-07-12 09:17 来源: 点击:


昆山双桥传感器测控技术有限公司   销售部


摘要液位变送器常用于容器液位测量,以及河道、水库、水井、大坝的水位测量及水情监测。在现代水文水利信息化中的作用越来越重要,因此本文根据双桥公司液位变送器在投放水文水利、水资源领域市场多年来的客户情况反馈并结合实际使用工况特点对液位变送器在现代水文水利中的液位测量应用情况加以阐述。其中包括了液位变送器的选型以及安装使用注意事项。

关键词:液位变送器  产品选型  安装维护  故障分析

第一章:工作原理及应用领域

1.1 液位变送器工作原理

液位变送器是对压力变送器技术的延伸和发展,根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理,实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。

变送器的测量元件是一个压阻式传感器。它利用半导体硅材料的压阻效应,实现压力与电信号的转换。被测压力作用到不锈钢膜片上,通过不锈钢膜片与敏感芯片之间注入的硅油,把压力传递到敏感芯片上。敏感芯片通过导线与变送器专用放大电路连接。由于敏感芯片上的惠斯通电桥输出的电信号与作用压力有着良好的线性关系,所以可以实现对压力的准确测量。

   液位变送器对液位测量的基本原理,就是把与液体深度成正比的液体静压力,通过变送器转换成电流信号输出,从而建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系,实现对液位、即液体深度的测量,有如下公式:

P=ρghS/S0

由于在压力测量过程中,S为与变送器直径相等的水柱的横截面积,S0为受力面积,即感压膜片的面积。所以S=S0,所以有:

P=ρgh

式中:P为变送器在测量点受到的静态压强;

ρ为液体的密度;g为重力加速度;

h 为测量点至液面的深度,即液位深度。

以10米水深液位为例:水的密度为1.0×103 ㎏/m3,重力加速度g取9.8N/㎏。那么在该点处的压强为98kPa。

1.2 液位变送器应用领域

CYG2300系列采用静力学原理测量液位(水深),是压力传感器的一种重要应用。采用微机械加工的高灵敏度硅压阻压力敏感元件作为水位计的核心测量元件。通过精密的温度补偿技术,水密封技术及专用导气电缆保证了投入式水位计的测量稳定、准确。通过对接触介质的各种材料包括敏感元件、壳体、电缆、护管等材料的选择、试验与设计,产品应用于不同介质工况的投入式或插入式液位测量中。液位变送器广泛应用于工业现场液位测量与控制、城市供水及污水处理石油、化工、电厂、水文监测、水库、大坝、水电建设等领域的液位的测量与控制。

第二章:解决方案及产品选型

2.1 多雷、多低空雷、山区水文水利监测

   

(注:上图来自于网络)

在多雷、多低空雷的南方河网地区以及山区的水利水文监测过程中,由于经常会出线感应雷对变送器造成破坏。因此双桥公司专门为这类地区的客户设计了一款强抗雷击型液位变送器,CYG2316,国家专利产品,国内独家通过防雷认证,发明专利授权号:200510037980.3,产品通过国家防雷中心认证,证书号(2004)量认(沪)字(L0343)号。采用了稳定性和耐用性最好的进口敏感元件、高档变送电路制造。一体化变送器尾部设有小型三级防雷器。产品按照GB/T1762.5-1999国家标准电器耐雷击试验严酷度最高的3级和4级,分别在多次输入输出线上加载仿雷电载荷2KV/1KA和4KV/2KA均安全通过试验。并按照GB18802.1-2002/IEC61643.1:1998电源设备产品极限抗冲击强度试验,通过了10KV/5KA试验?煽5米距离以外的强感应雷击。


CYG2316强抗雷击型液位变送器技术资料:

(1)压力量程:0~1、2、3、5、10~200 mH2O或以kPa计量

(2)材     料:外壳为标准不锈钢1Cr18Ni9Ti,感压膜片材料为316L不锈钢,微腐蚀性水介质可以适用

(3)输出信号及电源:4~20mA    24VDC (18~36V)

(4)精度等级:

  指标

档级

精度等级

%FS

零位、灵敏度温度系数×10-4/.FS

零位时漂%FS/24h

零位及灵敏度长期

漂移误差

%FS/1

变送器预设

零位偏差

%FS

JA

0.25

12

0.05

0.10.2

1.0

JB

0.5

23

0.1

0.150.3

1.0

 注 :括号为13m低量程产品的指标,按国际惯例放宽;

J级均为一体化产品,为保证防雷性能,不承接分体变送器式;

若只需要传感器,另行协商性能与价格。

(5)配套仪表

产品特点及用途:由一台强抗雷击CYG2316液位变送器和一台专门设计的

具有防雷功能的数字显示仪表构成,解决了液位变送抗雷击后,数字显示仪表成为薄弱环节,屡被雷击的问题。

测量精度与数显位数:0.5%精度或0.25%精度,满四位显示。

  

                 图6                         图7

图6为防雷型液位变送器的发明专利证书,图7为防雷液位变送器检测报告。

2.2水源井、水池及水库液位测量

中国目前已经在各个行业开始进入信息化时代,水资源同样不例外,以前对于水库、水池、水源井的监测全靠人工管理来完成,这种模式造成了巨大的资源浪费以及产生了高额的人工成本。因此,在现代化进程中,一些自动化方案开始进入人们的视野。例如唐山平升电子技术开发有限公司的水源井远程监控系统、水厂远程监控系统、水位监测系统这一类的自动化方案为水资源自动化、信息化带来了便利。在节省了大量的人力、交通等成本之外,同时大幅度的提高了供水生产的效率和故障响应速度,确保了安全稳定的供水,这种信息化的模式也改变了原来的人工管理模式,全面提高了水资源的管理水平。

基于以上内容,水资源信息化即对液位、压力、流量、水质等相关指标进行全面连续监测。在连续监测的同时,相关的一些传感器便发挥出了作用。以昆山双桥CYG2314通用型液位变送器(温压复合,温度、压力两路输出)为例。CYG2314 JA与JB级适用于北方地区水利水文测量,采用进口原装元件及工业级精密仪放电路,并配有可抗50米外,强度不超过2kV/1kA的一般感应雷瞬态高压高能脉冲破坏的简化防雷电路。它在测量精度上不逊于CYG2316,仅在抗雷能力,温度漂移附加误差和时间漂移附加误差上略逊。

2.3 海水、地热水、酸碱液等复杂条件下的液位测量

2.3.1CYG2315 抗海水腐蚀投入液位变送器

(1)产品特点及用途:该产品专为海洋油气资源开发及海洋工程研究而设计,

由于工作环境恶劣及其重要性,采用了最优秀的压力敏感元件,所以接触海水介

质的部件均考虑了抗海水的强腐蚀、点蚀和电化学腐蚀作用、及进水导流设计上

考虑了抗海洋浮游生物附着寄生的问题,在接出电缆上考虑了介质兼容与抗拉。

采用了专门设计的电缆,配置长度由用户订货选定。

(2)量    程:0~2mH2O~200mH2O

(3)精度档级:

 

指标档级

精度等级

%FS

零位及灵敏度温度系数×10-4/.FS

零位预设偏差

%FS

零位时漂

%FS/24h

零位及灵敏度度长期漂移误差%FS/1

CYG2315

JA

0.5

1.5

1.0

0.1

0.5

JB

0.25

1

1.0

0.1

0.25

2.3.2CYG2312地热水深井液位变送器

(1)产品特点及用途:该产品专为开发地下热水资源管理而专门设计,一体化

变送器由于与水泵同时潜入深井下工作,更换及提出检查极为不易,因而在选材

设计上考虑了高耐久性、耐高温水工况及高温矿物质水的老化影响、腐蚀影响等

特种工况因素,并考虑了工作地点特殊性,加进了安全性的防雷设计并兼顾用户

要求设计为水温复合型传感器,在水温不高于110℃时采用一体化设计,在水温

为110~130℃时采用传感器在水中、变送器出水在井筒空气中的分体设计,电

缆采用高温电缆与抗拉电缆配合使用原则,配置方案和长度由用户订货选定。

(2)量  程:0~5m~200mH2O

(3)精度档级:


 

指标档级

精度等级

%FS

零位及灵敏度温度系数×10-4/.FS

零位预设偏差

%FS

零位时漂

%FS/24h

零位及灵敏度度长期漂移误差%FS/1

CYG2312

JA

0.5

2

1.0

0.1

0.5

JB

0.25

1

1.0

0.1

0.25


2.3.3CYG2313 抗强酸腐蚀液位变送器

(1)产品特点及用途:该产品为适用于电厂或化工厂强酸液液位测量而开发,考虑了各种工况下接触被测介质材料的适用兼容性,外壳及密封材料均选用了特氟隆系列材料与特殊工艺。电缆选用4号水深电缆。使用时有些特殊要求和注意事项见特殊产品使用方法指导。

(2)量     程:0~2、3、5、10mH2O或以kpa计量

(3)精度档级:

 

指标档级

精度等级

%FS

零位及灵敏度温度系数×10-4/.FS

零位预设偏差

%FS

零位时漂

%FS/24h

零位及灵敏度度长期漂移误差%FS/1

CYG2303

JA

0.5

3

2.0

0.3

0.5

JB

0.25

2

2.0

0.3

0.5


专用电缆配置

       投入式液位传感器的专用导气电缆及其密封件对产品性能极为重要,尤其是介质兼容性和工况适用度。公司先后开发配备了适用各种介质工况的数十种液位电缆,供用户选型选用。简介如下:

1号水深电缆: 抗水性良、柔软易密封、较耐磨,常用型

2号水深电缆:抗水性优、不耐磨、性硬脆

3号水深电缆:抗水性优、耐磨、抗拉、耐油、耐醛、酮类外的大多数试剂、耐海水、弱抗蚀性

4号水深电缆:抗强腐蚀、耐中温(120℃以下)、耐化学试剂

5号水深电缆:抗强腐蚀、耐高温(200℃)、耐化学试剂

6号水深电缆:除有3号电缆全部优点外,抗拉伸变形(内有钢丝2根),适用于长线垂吊工况

7号水深电缆:比6号电缆有更强抗拉力,适用重吊坠及海洋工程

8号水深电缆:7号的改进型   强适应海洋工程应用工况

9号水深电缆:除有3号电缆全部优点外,耐温可达(90℃以下)

10号水深电缆:除有3号电缆全部优点外,耐温可达(110℃以下)

11号水深电缆:除有9号电缆全部优点外,抗拉伸变形(内含2根钢丝),适用于长线垂吊

12号水深电缆:除有10号电缆全部优点外,抗拉伸变形(内含2根钢丝),适用于长线垂吊

13号水深电缆:除有3号电缆全部优点外,内加阻水带,可防止外皮破损漏水


2.4 液位变送器选型注意事项

液位变送器选型的时候客户需要提供的信息是:介质种类、液位深度范围、浑浊度、是否具有酸碱性、酸碱性程度、防护等级、电缆长度(长于需要测量液位深度的1~2或更长、可提供的供电电压、对综合精度的要求、输出信号方式、现场信号噪声干扰大小。双桥公司在了解以上所有情况之后会为您推荐出最合适的产品。


第三章:投入式液位变送器安装及使用

3.1变送器安装方式

工业敞口容器安装方式:在敞口的大型工业容器中测量液位时,把液位变送器直接投入到容器底部(距离底部有一定的距离),在容器开口处将电缆线(接线盒)进行固定即可。

水井、水池、地热水等非流动性的介质中安装:在测量液位不深的情况下,可以直接投入到介质中,或将变送器固定在相应高度的壁面支架上。在测量液位比较深的情况下,一般在将变送器投入过程中,先在电缆线上套上PVC护线管,防止在投入的过程中,由于电缆线与壁面摩擦使电缆线保护皮破裂导致进水,进而损坏变送器,造成不必要的损失。

江河、海水、水库等流动性较强的介质中安装:在这些工况中使用投入式液位变送器,由于介质流动性较大,会从一定程度上影响液位测量的精度,因此在安装的过程中需要插入一根管径合适的钢管,管径根据变送器最大外径而定,并在钢管的不同高度的管壁上开孔,使测量液体介质可以流入管内,类似模拟成深水井的安装。另外为了防止变送器壳体与钢管内壁在投入的过程中因为发生碰撞而造成变送器损坏的情况,可以在变送器投入之前在壳体上缠绕或增套防护器材。如果介质中含有泥沙以及杂物等可能会对变送器感压膜片造成损坏的东西,可在变送器的感压端根据泥沙颗粒度增加一层滤网来对泥沙、杂质进行过滤。或者订购双桥公司特殊设计的防堵型液位变送器保护变送器感压端不被泥沙堵塞,从而不影响变送器正常测量。在介质流动性较大,导气电缆线很长的情况下,对探头应采用套筒将其固定,以防探头摆动而影响测量精度。

接线方式:接供电电源时应严格按照产品说明书接线说明进行电气连接,投入式液位变送器接地端子应可靠接地,电源屏蔽线应与其相连。

另外导气管一定要做好防护,一般对导气管的防护有三种措施。第一种方法是在高出测量液位1~2处绕个弯,可以让冷凝水留在弯道处。第二种方法是采用接线盒子(防水),内置干燥剂,从而不会对变送器造成损坏。第三种就是将导气管的裸露端固定在干燥的配电柜或者干燥的环境中。总之,只要能防止水、水汽、冷凝水进入导气管的措施均能对变送器进行有效的保护。

在正式投入运行前,必须参照即时水位标尺或者其它可知的有效参考值,对二次仪表的测量值进行矫正,以确保采样数据的准确性。

3.2液位变送器维护保养

   关于投入式的液位变送器的维护和保养这方面问题,首先我们知道人是要定期进行体检的,那么变送器也不例外,也要进行定期检查。通常是每隔一个月(或两个月)取出来进行清洗,但是注意在清洗的过程中,做好对感压膜片的保护,感压膜片一旦受损,变送器即可宣布报废。清洗变送器膜片的时候,用无水乙醇对膜片进行浸泡,然后用棉签轻轻擦洗。最后再对变送器进行气密性检查,如果气密性检查发现不好,那么很有可能是因为腐蚀破坏防护层、电缆线破皮、导气管进水等原因造成的。清洗完毕后将液位传感器慢慢的放回铁管中,感觉已放置钢管的底部,然后对顶部的电缆进行固定即可。在卸下清洗后重新安装,因安装深度会有一定的变动,必须再次参照即时水位标尺或者其它可知的有效参考值,对二次仪表的测量值进行矫正,以确保采样数据的准确性。

众所周知,根据压阻原理制作的变送器长时间工作之后由于外界因素以及感压膜片长时间受压会导致变送器发生漂移,那么对变送器重新进行校验标定是非常有必要的。双桥公司建议每隔一年进行一次校验标定。
3.3其它注意事项:
       变送器如果在使用中发现信号输出异常,应及时关闭电源,停止使用,并对变送器进行检查或者与双桥公司售后服务部进行联系。另外液位变送器在运输、储存时应该做好保护措施,存放在干燥阴凉通风的地方。

3.4液位变送器简易故障解决办法:

(1)变送器无输出  

首先应该确认的是变送器的电源是否接线正确,然后再测量变送器的供电是否是产品说明书上规定的直流供电电压。如果是带显示仪表的,那么还应该检查仪表表头是否损坏,如未损坏则将万用表串联到回路中,检查电流是否正常,如果变送器跟仪表的电流都显示正常,那么再检查回路中的其他仪表。另外,如果液位变送器进水,变送器损坏,不会有输出。

(2)变送器输出>20mA  

确认实际量程是否超过液位变送器的所选量程,在允许过载的范围内会出现输出偏大。然后再确认感压膜片是否损坏,因为超出允许过载范围的过载会导致变送器损坏,损坏也会导致输出偏大。

(3)变送器输出<4mA  

    传感器在零位出现漂移,建议返厂重新标定。

(4) 变送器信号输出不稳定

首先确认液位大幅变化的快慢,如果变化过快则属正常。如果液位变化稳定,信号输出不稳定,那么应该确认使用现场是否存在较强的信号干扰源,如果存在较强的信号干扰源,那么应该检查屏蔽线是否接好。如果信号还是不能稳定下来,那么就是传感器本身的抗干扰能力比较差,建议返厂加强抗干扰措施。双桥公司的产品经过多年的实际使用,变送器抗干扰能力在庞大客户群体中是非常认可的。


   

                        昆山双桥传感器测控技术有限公司    2016.07.08

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