專利名稱：熱傳導(dǎo)法傳感器及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種液位測量的傳感器，以及利用這種傳感器的測量方法。
背景技術(shù)：
目前普遍用于工業(yè)上的液位計(jì)有十多種。主要是浮球式壓力轉(zhuǎn)換法機(jī)械結(jié)構(gòu)的液位計(jì)。這種液位計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性都不能滿足工業(yè)自動(dòng)化的需要，精確度也比較低，長期使用，誤差常常為2-5％以上。在工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)成為當(dāng)前技術(shù)改造的主要目標(biāo)的今天，迫切需要一種能夠與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連的、穩(wěn)定性、可靠性、精確度符合要求的，性價(jià)比高的液位計(jì)替換老式的機(jī)械型液位計(jì)。
近年來從國外引進(jìn)了多種非接觸式液位測量儀，利用超聲波、雷達(dá)、激光、磁致伸縮等原理的液位計(jì)。量程大、精度高、應(yīng)用面寬是它們的優(yōu)點(diǎn)，但也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高的問題。
國內(nèi)近年發(fā)明的一種外置式智能報(bào)警超聲液位開關(guān)仍不能在普遍意義上替換機(jī)械浮球式液位計(jì)。
業(yè)內(nèi)專家指出，液位測量依然是令人頭痛的。
在我國存在著大量的大中小流程企業(yè)，大量的自來水、污水處理系統(tǒng)。這些行業(yè)普遍需要一種數(shù)字式的能夠與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連的、穩(wěn)定性、可靠性、精確度符合要求、價(jià)廉物美的液位測量儀。在家用方面，隨著電子技術(shù)日益滲透到家電中，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器同樣需要數(shù)字式的簡易液位傳感器。
本發(fā)明由單片機(jī)進(jìn)行控制，輸出全數(shù)字化，在能夠與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連、長時(shí)間穩(wěn)定性、可靠性、精確度符合要求等幾方面超過浮球式壓力轉(zhuǎn)換法機(jī)械結(jié)構(gòu)的液位計(jì)。性價(jià)比明顯好于某些進(jìn)口的機(jī)械結(jié)構(gòu)的浮球式的液位計(jì)，也瞄準(zhǔn)某些進(jìn)口的先進(jìn)的(例如超聲波、雷達(dá)、磁致伸縮)液位計(jì)，某些指標(biāo)應(yīng)達(dá)到這些液位計(jì)的水平。為我國流程工業(yè)的液位計(jì)選擇增添新的品種。
在家用上，也給洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器的液位控制電子化提供一個(gè)良好的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
一、熱傳導(dǎo)法液位變送器探頭的基本結(jié)構(gòu)本文所述的變送器、探頭、傳感器，在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，并沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，本文在敘述過程中也不加以嚴(yán)格區(qū)分。
一種內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，由鉑電阻或熱敏電阻、電熱絲或PTC等電熱器件及殼體組成，其特征是在殼體內(nèi)通過絕緣層密封電熱器，在殼體內(nèi)還密封著感溫電阻，電熱器和感溫電阻由隔熱材料隔開，殼體安裝在安裝座上。如圖1所示。將探頭在兩種情況下(浸入液體和離開液體)加熱，通過鉑電阻(或熱敏電阻)對(duì)兩種情況分別測其溫度，可知溫差極大，原理性實(shí)驗(yàn)見圖7。如果將探頭放進(jìn)容器的液面上加熱，交流電使探頭內(nèi)電熱絲的溫度迅速升高，再將液位升高越過探頭，液體的傳熱使探頭的溫度迅速下降。這個(gè)現(xiàn)象表明，可以通過對(duì)探頭的溫度監(jiān)控來判斷液位的升降。
由于液位并非突變，進(jìn)一步的研究表明，劃小時(shí)間區(qū)間，采用探頭局部溫度升降的速率來進(jìn)行監(jiān)測可以提高探頭對(duì)于液位變化進(jìn)行監(jiān)測的靈敏度。
另外，由電恒熱源、銅基座傳熱板、一組鉑電阻組成，其特征是電恒熱源設(shè)置在銅基座傳熱板的一端，在銅基座傳熱板體上間隔布置著鉑電阻的外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器(見圖15)，可進(jìn)行外置式熱傳導(dǎo)法液位測量。
探頭安裝在探頭座上的角度為垂直安裝或斜角安裝。
由于探頭的密封性及金屬材料(通常為不銹鋼)的耐高溫、耐腐蝕性，它可以用于高溫高壓及有腐蝕性液體的場合。


圖1是熱傳導(dǎo)式液位探頭的結(jié)構(gòu)圖，名稱及序號(hào)探頭1、電熱絲2、隔熱材料3、鉑電阻4、精密直流電壓線5、24-220V交流電線6、信號(hào)線7、信號(hào)地線8、探頭座9、銅導(dǎo)熱內(nèi)套10、分壓電阻11、探頭外殼12、絕緣層13；圖2是探頭升溫曲線示意圖；圖3是探頭降溫曲線示意圖；圖4是探頭升溫期間遇水的降溫曲線示意圖；圖5是探頭降溫期間遇水的降溫曲線示意圖；
圖6是探頭間斷加熱溫度曲線示意圖(基礎(chǔ)溫差法)；圖7是熱傳導(dǎo)法液位變送器基本原理實(shí)驗(yàn)圖(牛頓冷卻定律實(shí)驗(yàn))，其中(a)表示探頭的結(jié)構(gòu)圖，電熱絲2、探頭外殼12，(b)表示探頭未進(jìn)入水中，容器14、水面15，(c)表示探頭短時(shí)間進(jìn)入水中時(shí)的位置并保持加熱狀態(tài)，(d)表示探頭已離開水中時(shí)的位置及溫度迅速回升；圖8是帶高高位報(bào)警探頭的探頭座示意圖高高位探頭16、高位探頭17、探頭座18、液位控制探頭19、低位探頭20；圖9是超高容器分段安裝探頭示意圖上液位探頭座21、上液位22、容器23、下液位探頭座24、下液位25；圖10是錯(cuò)位并置式高壓容器液位測量探頭座示意圖高位探頭座26、低位探頭座27、下錯(cuò)位線28、探頭29、上錯(cuò)位線30、組合探頭座31；圖11是內(nèi)置外置混合式探頭座示意圖探頭32、內(nèi)置探頭座33、液位連續(xù)可測區(qū)34、外置銅基座35、電熱管36；圖12是計(jì)量容器的探頭位置安裝示意圖探頭37、下液位38、計(jì)量高度39、上液位40、探頭座41；圖13是高精度液體計(jì)量伺服探頭熱傳導(dǎo)法液位儀示意圖定滑輪42、固定校正棒43、容器44、液體45、重錘46、探頭座47、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線48、液位儀49、電纜輪50、電纜51、校準(zhǔn)信號(hào)線52、鋼索及鋼索輪53；圖14是非接觸式熱傳導(dǎo)法液位測量實(shí)驗(yàn)示意圖銅連接座54、鍍鋅鐵管55、堵頭56、水桶57、自來水58、液面59、開水60、電熱管61、鐵皮罐62；圖15是外置式熱傳導(dǎo)法液位探測器探頭座示意圖電熱管63、線纜護(hù)管64、銅基座延伸板65、鉑電阻66、銅導(dǎo)熱芯67、銅基座68；圖16是用于家電的三探頭座示意圖探頭座69、下限報(bào)警探頭70、液位控制探頭71、上限報(bào)警探頭72；圖17是單片機(jī)與探頭的連接線路示意圖探頭電熱絲區(qū)73、連接電纜74、單片機(jī)75、隔離放大器76、信號(hào)地線77、可控硅78、探頭熱電阻區(qū)79、信號(hào)線80至隔離放大器76、高精度電源(供鉑電阻用)82；圖18是伺服式液位測量原理實(shí)驗(yàn)示意圖(精確測量的內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法實(shí)驗(yàn)示意圖)a為探頭輕觸液面，b為探頭進(jìn)入液面，探頭83、探頭座84、液位85。
二、熱傳導(dǎo)法液位變送器原理通常使用的是內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位變送器，它的靈敏度較高。它利用的是由電熱器產(chǎn)生的溫差在熱電阻上的變化相對(duì)時(shí)間的變化率來判斷液位的狀況，也就是熱速率。例如在25℃的環(huán)境時(shí)，熱敏電阻為100KΩ。溫差從30℃變?yōu)?0℃，阻值的變化為27.63KΩ；溫差從100℃變?yōu)?10℃，阻值的變化為1.16KΩ。當(dāng)我們將溫差變化與相應(yīng)的變化時(shí)間相比，就可得到相應(yīng)的變化率，我們稱之為熱速率。我們用單片機(jī)對(duì)探頭內(nèi)熱電阻的電壓變化采樣，并記錄發(fā)生變化的時(shí)間區(qū)間，經(jīng)過計(jì)算可得到其熱速率。例如在20秒內(nèi)產(chǎn)生10℃的溫差，則熱速率為0.5℃/秒，(計(jì)算公式＝ΔT/Δt，其中ΔT為溫差，Δt為區(qū)間時(shí)間差)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在常溫常壓的條件下，溫差達(dá)到35℃～40℃比較合適。這個(gè)溫差可以彌補(bǔ)熱傳導(dǎo)法的時(shí)間常數(shù)較大的缺點(diǎn)。
當(dāng)有液體浸沒探頭，溫差就會(huì)極小，計(jì)算得到的熱速率也極小。反之熱速率則極大。這兩個(gè)速率存在著極大的不同，代表著液位未到及液位已過這兩種極端。以上對(duì)這兩種極端狀況的分析就是靜態(tài)的分析。
由此可見，當(dāng)我們對(duì)一個(gè)由電熱絲及感溫元件的探頭(由不銹鋼外殼對(duì)其密封保護(hù)并傳導(dǎo)熱量)加熱使其保持一定的溫差，在沒有液體的情況下，其溫度變化很??；使液體對(duì)其浸沒，其溫度變化很大。這種方法可以用來判斷液位是否存在，實(shí)驗(yàn)見圖7。這種方法稱為非恒溫式內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法。
然而在工業(yè)上液位一般是不會(huì)突變的。因此我們要做動(dòng)態(tài)分析。
對(duì)電熱器加熱使探頭溫度上升，經(jīng)過短暫的一段時(shí)間，從起始點(diǎn)達(dá)到溫差梯度的頂點(diǎn)，見圖2。停止加熱后，探頭溫度下降，回到起始點(diǎn)，同樣有一個(gè)溫差梯度，見圖3。在上升時(shí)間與下降時(shí)間相同時(shí)我們可以看作上升溫差與下降溫差是同等的。對(duì)于上升溫差，我們?cè)俜謨煞N情況進(jìn)行分析。當(dāng)液位未到，它的上升速率與靜態(tài)時(shí)的速率一致。如果在探頭溫度上升期間，受到液位的影響而下降，也就是說液位已到，探頭溫度就會(huì)停止上升，反而會(huì)迅速下降，由于液體的熱容量比較大，在溫差大的條件下，會(huì)對(duì)探頭的金屬殼體產(chǎn)生快速的降溫效應(yīng)。下降的速率取決于液位影響的程度，見圖4。
實(shí)際上，我們?yōu)榱司S持一定的靈敏度，應(yīng)采取提高基礎(chǔ)溫差的辦法。(基礎(chǔ)溫差就是熱傳導(dǎo)法液位計(jì)探頭加熱的最低溫差值。有了基礎(chǔ)溫差就可以提高靈敏度等性能，在常溫常壓下可定為+20℃)。不必如圖4的曲線關(guān)系，而只要降溫達(dá)到基礎(chǔ)溫差點(diǎn)時(shí)，即開始重新加熱，可得探頭溫差對(duì)于時(shí)間的曲線關(guān)系如下，見圖6(示意圖)。
圖6展示了本內(nèi)置式液位變送器探頭在無液位作用下的溫差曲線。
我們?cè)谔筋^溫度上升期間不斷對(duì)它進(jìn)行采樣，就可以計(jì)算出其熱速率，動(dòng)態(tài)地測出是否受到液位上升的影響及影響的程度，從而判斷出液位的狀態(tài)。單片機(jī)可以對(duì)此準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷，計(jì)算時(shí)可設(shè)定一個(gè)閥值與速率進(jìn)行比較。
同樣，我們也可以在探頭溫度下降區(qū)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，見圖5，結(jié)論基本一致，僅熱速率更大。分析略。
我們用一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明以上的推論。
做一個(gè)簡單的探頭，觀察其在水中溫度變化的情況。實(shí)驗(yàn)如圖7所示。
圖7中(a)為結(jié)構(gòu)7中(b)表示探頭未進(jìn)入水中時(shí)，加熱溫差至40℃。
圖7中(c)表示探頭短時(shí)間進(jìn)入水中時(shí)的位置并保持加熱狀態(tài)。
圖7中(d)表示探頭已離開水中時(shí)的位置及溫度迅速回升。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明在連續(xù)加熱的條件下，水可使探頭迅速降溫。在仍有20℃的溫差時(shí)離開水面，僅幾秒鐘，探頭溫差又恢復(fù)至40℃。這表明，氣體與液體的熱導(dǎo)率相差極大；還表明在有一定的基礎(chǔ)溫差時(shí)(也就意味著有一定的熱容量時(shí))，在電加熱器的作用下，溫差迅速變大，傳熱的速率就更大。為探頭提供了足夠的靈敏度。
由于工業(yè)上的液位不會(huì)突變，而對(duì)液位的精確度又有一定的要求，但探頭的直徑往往大于液面的控制精度。我們將對(duì)探頭溫度采樣的時(shí)間區(qū)間劃小，使探頭的一部分在這個(gè)微小的時(shí)間區(qū)間內(nèi)就能感觸到液體的降溫作用，從而作出液位已到的判斷。這就是內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法用于精確測量的方法，是由動(dòng)態(tài)分析得出的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)見圖18。圖18中a圖表示探頭底面與液面的接觸距離為S，此前探頭的溫度對(duì)于液面有40℃恒定的溫差。輕觸液面5秒鐘后，對(duì)探頭溫度采樣，溫度有所下降，但不明顯，說明熱速率變化不大。b圖表示探頭進(jìn)一步深入液面之下ΔS深度。對(duì)探頭溫度再次采樣，在相同時(shí)間內(nèi)溫度下降達(dá)10℃以上，這說明探頭已測得液位的存在。而工業(yè)上的液位在5秒鐘內(nèi)變化1mm的情況是很少的。
以上推論也證明了牛頓冷卻定律說明的傳熱量與熱容量、熱導(dǎo)率、傳熱面積、溫差有關(guān)的正確性。
牛頓冷卻定律公式流體加熱時(shí)dQ＝h·dA(tw-t)流體冷卻時(shí)dQ＝h·dA(t-tw)式中dA為微元傳熱面積，單位為平方米；dQ為通過傳熱面積dA的局部熱流量，單位為W；t為任一截面熱或冷流體的溫度，單位為℃；tw為任一截面處傳熱壁的溫度，單位為℃；h為比例系數(shù)，稱為對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或傳熱系數(shù)，單位為W·m-2·℃-1(-2，-1均為上標(biāo))。
上式引自(鄒華生、鐘理、伍欽主編的《流體力學(xué)與傳熱》P153頁，華南理工大學(xué)出版社出版)。
本文引用時(shí)，由于對(duì)探頭加熱，應(yīng)采用流體加熱時(shí)的公式，可以解釋為tw為高溫端溫度，t為低溫端溫度，dA為探頭與液體傳熱的接觸面的面積微元，h為探頭內(nèi)傳熱介質(zhì)的綜合熱導(dǎo)率，dQ是傳熱接觸面的熱流量微元。
現(xiàn)代熱傳導(dǎo)理論告訴我們，當(dāng)傳熱的熱阻一定時(shí)溫差越大，熱速率就越大。
必須有足夠大的熱速率才能使單片機(jī)分辨出熱速率是否受到液體的影響。足夠大的熱速率來自于足夠大的熱流量。在熱阻不變的的條件下，增大熱流量可以提高溫差，從而使單位時(shí)間內(nèi)的熱速率提高。
上述理論可以用公式表示如下一維熱傳導(dǎo)公式 上述公式為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一維平壁熱傳導(dǎo)的積分式。λm是t1、t2的算術(shù)平均值計(jì)算得出的。也可使用平均導(dǎo)熱系數(shù)λm＝0.5(λ1+λ2)求得。由上式可知，熱流量類似于電學(xué)中的歐姆定律，表達(dá)為推動(dòng)力除以阻力的形式，熱傳導(dǎo)推動(dòng)力為傳熱溫差，熱阻為b/(λm·A)。化工過程的傳遞速率均可表示為推動(dòng)力除以阻力的形式。引自(鄒華生、鐘理、伍欽主編的《流體力學(xué)與傳熱》P146頁，華南理工大學(xué)出版社出版)。
式中b為傳熱壁的壁厚，λm為傳熱介質(zhì)的綜合熱導(dǎo)率，A為傳熱面積。
一句話，提高溫差就可以提高熱速率。從實(shí)際來看，我們沒有必要無限提高溫差，僅僅滿足工程上的需要就可以了。達(dá)到這個(gè)溫差，單片機(jī)就能夠正確地進(jìn)行判斷，也可以提高器件的使用壽命。這個(gè)溫差點(diǎn)，我們稱之為基礎(chǔ)溫差。
在這個(gè)溫差點(diǎn)上，我們繼續(xù)加熱，就會(huì)產(chǎn)生我們所需要的上升溫差；停止加熱，就會(huì)產(chǎn)生我們所需要的下降溫差。
基礎(chǔ)溫差的選擇根據(jù)不同的情況在20℃-40℃之間即可。
如何利用這個(gè)結(jié)論，是本發(fā)明軟件控制的重要的理論基礎(chǔ)，通過對(duì)熱速率的監(jiān)測來判斷液位的狀態(tài)是本液位儀軟件編制的依據(jù)。對(duì)鉑電阻的溫差的測量需要一定的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔越短，而溫差值越大，測定的熱速率就越大，也就越有利于判斷液位對(duì)正常傳熱的影響，從而提高靈敏度、分辨率、抗干擾能力。
在熱流量一定的條件下，熱阻的特點(diǎn)是溫差越大，熱阻越大。但是溫差太小，熱速率也小，影響單片機(jī)的分辨率，易造成誤判。
我們將熱阻分為兩部分，也就是將溫差分為兩部分，一部分供上升溫區(qū)使用，一部分供下降溫區(qū)使用，相對(duì)來說既保留了溫差大的優(yōu)點(diǎn)，又避免了熱阻的增大，從而達(dá)到了提高熱速率(相當(dāng)于提高了一倍的熱速率)，提高靈敏度的目的。這時(shí)的溫差的中部就是我們所需要的基礎(chǔ)溫差。基礎(chǔ)溫差的確定還要有滿足分辨率、抗干擾性能的前提。工程上的應(yīng)用可以通過實(shí)驗(yàn)得出這個(gè)基礎(chǔ)溫差。
實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于20W的電加熱器在薄殼探頭內(nèi)的基礎(chǔ)溫差為溫差+20℃(常溫)。
實(shí)際上，容器內(nèi)的液溫和氣溫是會(huì)隨著時(shí)間而變化的一個(gè)量，因此基礎(chǔ)溫差也必須隨著液溫的升降而同步變化。通過定時(shí)對(duì)液溫采樣，再通過單片機(jī)對(duì)電加熱器的調(diào)節(jié)，維持基礎(chǔ)溫差相對(duì)于液溫的恒定性。才能保持探頭的靈敏度。
由于工業(yè)上的液位不會(huì)突變，而對(duì)液位的精確度又有一定的要求，但探頭的直徑往往大于液面的控制精度。
當(dāng)我們對(duì)一個(gè)由電熱絲及感溫元件組成的探頭(由不銹鋼外殼對(duì)其密封保護(hù)并傳導(dǎo)熱量，如圖1)通電加熱，使探頭對(duì)于液溫有一個(gè)基本恒定的溫差，在這個(gè)前提之下，雖然探頭直徑大于液位的控制精度，但并不意味著測量精度不能小于探頭直徑。
內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
否則就是干擾。
利用閥值，單片機(jī)可檢驗(yàn)探頭是否具備足夠的靈敏度。
利用閥值，單片機(jī)可判斷液位是否到達(dá)。
利用相鄰的一個(gè)或多個(gè)熱速率，可以提高液位計(jì)的判斷準(zhǔn)確性或者可用于篩選干擾因素(即可選相鄰的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)間的熱速率值。)基礎(chǔ)溫差指的是探頭相對(duì)液體的最小溫差。單片機(jī)能分辨出來的相鄰區(qū)間的熱速率的最低值，要受到基礎(chǔ)溫差的制約，提高基礎(chǔ)溫差值可以明顯地提高液位測量的靈敏度、分辨率、抗干擾能力。
當(dāng)探頭長期使用受污垢影響時(shí)，要對(duì)基礎(chǔ)溫差值進(jìn)行校正。(校正由軟件自動(dòng)進(jìn)行)利用這個(gè)方法，可以制成高分辨率的液位測量儀器。
這種方法通常用來測定精確的液位，例如化學(xué)反應(yīng)器、普通容器、壓力容器、貯罐，利用內(nèi)置式探頭耐酸、耐堿、耐高溫的特性，可以解決惡劣環(huán)境下的精確測量液位的問題。
三、熱傳導(dǎo)法液位變送器探頭座的結(jié)構(gòu)和使用實(shí)驗(yàn)表明，探頭降溫的速率與液位的波動(dòng)程度對(duì)探頭的影響關(guān)系很大，而不是突變的，有一個(gè)滯后時(shí)間，我們稱之為時(shí)間常數(shù)。我們維持的基礎(chǔ)溫差為+20℃，終溫溫差為+40℃，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，時(shí)間常數(shù)僅為數(shù)秒，因此，靈敏度是很高的。
我們只要監(jiān)測到熱速率的劇烈變動(dòng)，就可以判斷為液面已到達(dá)液位控制線。而不必等溫差消失才作此判斷。這樣，就可以在維持一定的基礎(chǔ)溫差條件下，保持對(duì)于液位測量的靈敏度。
也許有人會(huì)擔(dān)心這種方法的電費(fèi)會(huì)很高。我們對(duì)一個(gè)普通的這種探頭在常溫常壓下進(jìn)行長時(shí)間不間斷高精度測量的用電量進(jìn)行過測算，加熱功率為20W，每天24小時(shí)僅消耗1度多電量。用在家電上以小時(shí)來計(jì)，每小時(shí)不過幾分錢的電費(fèi)(每度電費(fèi)0.7元)，完全可以接受。而且在許多情況下，被測液體本身需要加熱，本探頭置于容器內(nèi)，使用的電能并不會(huì)白白消耗。電能的消耗量以實(shí)際產(chǎn)品為準(zhǔn))。
這種內(nèi)置式探頭一般一個(gè)就可勝任一個(gè)液位控制線的測控。但實(shí)際上對(duì)探頭的要求還要擔(dān)當(dāng)預(yù)警和報(bào)警的任務(wù)，在不同的場合，探頭的數(shù)量是不一樣的，但探頭處于容器中是密封狀態(tài)，各探頭與外界相連就要有一個(gè)管道，我們稱之為探頭座。為了敘述方便，按不同的應(yīng)用場合分為單探頭座、雙探頭座、三探頭座、四探頭座、多探頭座、活動(dòng)探頭座、分段探頭座、機(jī)動(dòng)探頭座、錯(cuò)位探頭座、伺服探頭座等A.單探頭座僅有一個(gè)探頭固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變；B.雙探頭座的兩個(gè)探頭并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變(如圖10、圖12所示)；C.三探頭座的三個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變(如圖16所示)；D.四探頭座四個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變(如圖8所示)；E.多探頭座各探頭并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變；F.活動(dòng)探頭座通過固定在容器頂部的動(dòng)密封裝置及鎖緊裝置，使探頭座在一定的垂直距離上下移動(dòng)，其特征是探頭與容器之間的位置可以調(diào)節(jié)；G.分段探頭座在容器內(nèi)設(shè)置兩組探頭，其中一組為上液位探頭，另一組為下液位探頭，將這兩組的探頭座按照液位控制線上下分置在容器內(nèi)，其特征是探頭座之間沒有關(guān)聯(lián)，且兩探頭座分別與容器之間的位置固定不變(如圖9所示)；H.機(jī)動(dòng)探頭座在一定距離內(nèi)，設(shè)置兩個(gè)探頭，測一下這兩個(gè)探頭之間液位上升的速率，便可估算出液位到達(dá)下一個(gè)液位的時(shí)間，其特征是探頭不在液位控制線上且與容器之間的位置固定不變；I.錯(cuò)位探頭座在容器內(nèi)設(shè)置兩組探頭，其中一組為主控探頭，另一組為輔助探頭，其特征是兩組探頭的水平位置有一個(gè)固定的偏差，形成錯(cuò)位狀態(tài)，當(dāng)液位變化還未完全覆蓋輔助探頭靈敏區(qū)時(shí)，同時(shí)會(huì)對(duì)主控探頭(此探頭作為液位實(shí)際控制探頭)產(chǎn)生影響(如圖10所示)；J.伺服探頭座將探頭座的下端連接一個(gè)重錘，上端通過鋼絲繩與步進(jìn)電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)相連，其特征是探頭可在容器內(nèi)上下自由移動(dòng)(如圖13所示)。
這些探頭具有耐酸耐堿，耐高溫高壓的共同特點(diǎn)。
外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，由電恒熱源、銅基座傳熱板、一組鉑電阻組成，其特征是電恒熱源設(shè)置在銅基座傳熱板的一端，在銅基座傳熱板體上間隔布置著鉑電阻。這是外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭座(如圖15所示)。
混合式探頭座，見圖11?；旌鲜教筋^座將內(nèi)置、外置兩種探頭座的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，適合在化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上使用，它具有耐酸耐堿，耐高溫高壓的性能。它的優(yōu)點(diǎn)是無需挪動(dòng)探桿的位置，僅通過軟件的調(diào)試，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)的標(biāo)定，即能夠完成新的液位的設(shè)定。適用于小范圍頻繁變動(dòng)液位控制線的工業(yè)試驗(yàn)場合。
探頭座的組合應(yīng)用并非如上所述固定不變，而是可以根據(jù)實(shí)際情況和需要進(jìn)行定義和選擇?？傊?，探頭座的形式多種多樣，如何選擇如何應(yīng)用根據(jù)實(shí)際情況來做決定。
當(dāng)這個(gè)探頭做得很小(目前的技術(shù)可以做到外徑在6mm以下)，我們就可以判斷出比6mm小的多的液位變化(液位線在探頭底部向上1mm處)。這種液位變送器的精度可達(dá)±3mm，如果液面波動(dòng)極小，液位測量精度還可以更高，可達(dá)±1.5mm。對(duì)于相對(duì)靜止液位的測量精度可達(dá)±1mm。這里的計(jì)算不是以百分?jǐn)?shù)法，而是一種絕對(duì)誤差，無論液位是50cm，還是5m，10m，甚至是50m，它都可以達(dá)到這個(gè)精度，因此液位差小時(shí)精度就低，液位差大時(shí)精度就高，是本液位變送器的一大特點(diǎn)。
上述探頭座(不包括錯(cuò)位探頭座和外置式熱傳導(dǎo)法液位計(jì)探頭座)，一般只能適應(yīng)壓強(qiáng)為1Mpa至10Mpa，溫度在5℃-150℃以下的液體。高溫高壓時(shí)應(yīng)采用鈦合金或其他合金做探頭外殼，及對(duì)探頭外殼進(jìn)行涂料處理，對(duì)于不同的應(yīng)用場合對(duì)探頭的材質(zhì)應(yīng)進(jìn)行選配，以又薄又耐用不易沾污為好，一般情況通用不銹鋼。工業(yè)上應(yīng)采用鉑電阻作感溫元件。
四、熱傳導(dǎo)法液位變送器在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用四探頭座四個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變，四探頭座可用于工業(yè)上高溫高壓場合，如鍋爐等，它具有耐酸耐堿，耐高溫高壓的性能，見圖8。
由于鍋爐水位沒有精確計(jì)量的要求，本探頭為節(jié)省能源及消除水垢影響，使用了非恒溫式內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法。當(dāng)我們對(duì)一個(gè)由電熱絲及感溫元件的探頭(由不銹鋼外殼對(duì)其密封保護(hù)并傳導(dǎo)熱量)加熱使其保持一定的溫差，在沒有液體的情況下，其溫度變化很?。皇挂后w對(duì)其浸沒，其溫度變化很大。這種方法可以用來判斷液位是否存在，實(shí)驗(yàn)見圖7。這種方法稱為非恒溫式內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法。
四探頭座的任一個(gè)探頭進(jìn)行液位監(jiān)測的過程是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線(見圖6)；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
這種方法具有節(jié)能和抗水垢的特點(diǎn)。
這種方法通常用來測定不太精確的液位，例如鍋爐、水池、水塔、太陽能熱水器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等的水位。
需要說明的是，并非四個(gè)探頭同時(shí)工作，而是由單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況作決定。一般同時(shí)工作的不超過兩個(gè)。
下面談一下水垢問題。
水垢是鍋爐，特別是沒有軟化水處理裝置的小鍋爐的不可忽視的問題，水垢的熱導(dǎo)率系數(shù)很低，僅為鋼材的幾十分之一(估計(jì)值)，它使鍋爐消耗的燃料大大增加，還導(dǎo)致了一些機(jī)械式的液位計(jì)失靈。以目前的技術(shù)還不能完全消除水垢的影響。因此，我們要對(duì)水垢的影響給出我們的措施。
水垢導(dǎo)致傳熱的時(shí)滯加大，導(dǎo)致探頭的熱速率降低，也就是探頭的靈敏度降低，這就會(huì)造成測量的誤差。由于我們測溫只是手段，目的是根據(jù)熱速率來判斷液位。需要采取可消除這種誤差的措施。
分析這種情況，我們可以采取一種隨機(jī)測試，跟進(jìn)變溫的方法，就可以克服這種情況帶來的問題。具體如下探頭在水位測量中處于完全浸沒狀態(tài)，其原理可以用靜態(tài)分析的方法。即圖7的實(shí)驗(yàn)和圖6的曲線，在測量前利用單片機(jī)計(jì)算閥值，當(dāng)水垢令探頭閥值改變時(shí)，由單片機(jī)增加探頭電熱絲的加熱時(shí)間，使新的閥值接近初始閥值，新的閥值保證了探頭的長久如新的靈敏度。
這種決定熱量的參數(shù)設(shè)置操作，一般是每天進(jìn)行一次，而結(jié)垢是不可能在一天內(nèi)突變的。
除了軟件的解決辦法外，可以選擇一些抗水垢不銹鋼材料做探頭殼，還可對(duì)探頭材料進(jìn)行特殊處理，例如用“特富隆”這類涂層或其它材料涂覆或電鍍鎳、鉻在探頭表面，使結(jié)垢速率大大降低。
隨著長時(shí)間的使用，水垢的厚度會(huì)嚴(yán)重地影響水位的測量(探頭加熱的時(shí)間太長)時(shí)，就要對(duì)水垢進(jìn)行清理(一般可以和鍋爐清水垢同時(shí)進(jìn)行)。這個(gè)周期是很長的，因?yàn)槲覀兊挠昧鲜悄退傅牟讳P鋼，而一般鍋爐容器材料必先嚴(yán)重結(jié)垢。由于探頭完全密封，可以與鍋爐容器同時(shí)用酸液清洗。這也是區(qū)別于其它液位變送器的一大優(yōu)點(diǎn)。酸液清洗使探頭恢復(fù)其初始狀態(tài)，軟件也將自動(dòng)調(diào)整參數(shù)。這意味著維護(hù)不需要拆除探頭，使這種探頭具有極大的實(shí)用價(jià)值。
本液位變送器由于使用了這種方法而成為一種自適應(yīng)的變送器，也可以說，本變送器基本上智能化地解決了水垢對(duì)探頭靈敏度影響的問題。
五、熱傳導(dǎo)法液位變送器在化學(xué)反應(yīng)器中的應(yīng)用四探頭座四個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變，四探頭座可用于工業(yè)上高溫高壓場合，例如各種化學(xué)反應(yīng)器，它具有耐酸耐堿，耐高溫高壓的性能，見圖8。當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際情況采用多探頭座。
四探頭座的任一個(gè)探頭進(jìn)行液位監(jiān)測的過程是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線(見圖6)；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
需要說明的是，并非四個(gè)探頭同時(shí)工作，而是由單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況作決定。一般同時(shí)工作的不超過兩個(gè)。
由于工業(yè)上的液位不會(huì)突變，而對(duì)液位的精確度又有一定的要求，但探頭的直徑往往大于液面的控制精度。我們將對(duì)探頭溫度采樣的時(shí)間區(qū)間劃小，使探頭的一部分在這個(gè)微小的時(shí)間區(qū)間內(nèi)就能感觸到液體的降溫作用，從而作出液位已到的判斷。這就是內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法用于精確測量的方法，是由動(dòng)態(tài)分析得出的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)見圖18。圖18中a圖表示探頭底面與液面的接觸距離為S，此前探頭的溫度對(duì)于液面有40℃恒定的溫差。輕觸液面5秒鐘后，對(duì)探頭溫度采樣，溫度有所下降，但不明顯，說明熱速率變化不大。b圖表示探頭進(jìn)一步深入液面之下ΔS深度。對(duì)探頭溫度再次采樣，在相同時(shí)間內(nèi)溫度下降達(dá)10℃以上，這說明探頭已測得液位的存在。
這個(gè)方法使用了恒定的基礎(chǔ)溫差和熱速率來進(jìn)行液位測量，稱為內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法。
由于化學(xué)反應(yīng)器通常有幾種物料需要混合，為了精確測量，本探頭使用了內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法?；A(chǔ)溫差根據(jù)實(shí)際情況在20℃-40℃之間選擇。以測量誤差最小、最經(jīng)久耐用為準(zhǔn)。
當(dāng)這種探頭用于化學(xué)反應(yīng)器時(shí)，由于探頭的全密封、無動(dòng)作部件和耐高溫高壓，耐酸堿等腐蝕性液體，再加上它可以在容器內(nèi)全密封地長期無故障地進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)，尤顯合適。
不過由于各反應(yīng)器的反應(yīng)溫區(qū)不一致，也有必要采用自適應(yīng)的辦法。因此會(huì)對(duì)本變送器提出更高的要求。由于反應(yīng)器內(nèi)不同的介質(zhì)在不同的溫度壓強(qiáng)下熱導(dǎo)率發(fā)生非線性變化的可能性大大增加，同時(shí)，長時(shí)間使用，也會(huì)在探頭表面積淀污垢，有可能影響基礎(chǔ)溫差。自適應(yīng)的方法就是用當(dāng)前的數(shù)據(jù)與最初的原始數(shù)據(jù)對(duì)比，依據(jù)原始數(shù)據(jù)修改新的數(shù)據(jù)，實(shí)際措施就是確定新的加熱時(shí)間，使溫差保持在35℃～40℃(根據(jù)實(shí)際情況決定)，這樣一來探頭就會(huì)有足夠的靈敏度。單片機(jī)對(duì)這種情況的處理與用于鍋爐上相同，區(qū)別是在這里修改更頻繁。這個(gè)工作由單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。
六、熱傳導(dǎo)法液位變送器在液體計(jì)量中的應(yīng)用我們采用雙探頭座用于工業(yè)上大容量容器的計(jì)量，雙探頭座的兩個(gè)探頭并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變。
重復(fù)做圖7的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩個(gè)探頭的參數(shù)完全一致時(shí)，液位對(duì)探頭的降溫作用也完全一致。我們令液位對(duì)上下兩個(gè)探頭的浸漬位置相同(此時(shí)探頭與液溫仍應(yīng)有20℃左右的溫差)，如圖12所示由此可見，液體從上液位下降至下液位之間的長度能夠由精確的探頭間的距離確定，可以按需定制。如果容器的形狀很規(guī)范，就能達(dá)到對(duì)液體進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量的目的。
雙探頭座的任一個(gè)探頭進(jìn)行液位監(jiān)測的過程是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線(見圖6)；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；
E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
由于工業(yè)上的液位不會(huì)突變，而對(duì)液位的精確度又有一定的要求，但探頭的直徑往往大于液面的控制精度。我們將對(duì)探頭溫度采樣的時(shí)間區(qū)間劃小，使探頭的一部分在這個(gè)微小的時(shí)間區(qū)間內(nèi)就能感觸到液體的降溫作用，從而作出液位已到的判斷。這就是內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法用于精確測量的方法，是由動(dòng)態(tài)分析得出的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)見圖18。圖18中a圖表示探頭底面與液面的接觸距離為S，此前探頭的溫度對(duì)于液面有40℃恒定的溫差。輕觸液面5秒鐘后，對(duì)探頭溫度采樣，溫度有所下降，但不明顯，說明熱速率變化不大。b圖表示探頭進(jìn)一步深入液面之下ΔS深度。對(duì)探頭溫度再次采樣，在相同時(shí)間內(nèi)溫度下降達(dá)10℃以上，這說明探頭已測得液位的存在。
這個(gè)方法使用了恒定的基礎(chǔ)溫差和熱速率來進(jìn)行液位測量，稱為內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法。
為了精確計(jì)量，本探頭使用了內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法?；A(chǔ)溫差根據(jù)實(shí)際情況在20℃-40℃之間選擇。以計(jì)量誤差最小、最經(jīng)久耐用為準(zhǔn)。
除此以外，要對(duì)進(jìn)料泵實(shí)行變頻控制，以便準(zhǔn)確進(jìn)入上液位線。向外排出液體時(shí)，又要求在接近下液位線時(shí)，控制電磁閥的開度，使液位緩慢下降到下液位線。目前，單片機(jī)已能進(jìn)行變頻控制和調(diào)節(jié)電磁閥，是成熟技術(shù)。而在進(jìn)入上液位線和下液位線時(shí)，探頭都可以通過監(jiān)測熱速率來將液位信息及時(shí)送到上位機(jī)，使上位機(jī)及時(shí)調(diào)控進(jìn)料泵和電磁閥。最終達(dá)到對(duì)液體流出計(jì)量的目的。
上液位和下液位之間的距離越大，計(jì)量的精確度就越高。當(dāng)高度在3米以上，探頭的控制精度為1mm時(shí)，計(jì)量誤差不超過0.05％。對(duì)于直徑大的貯罐尤為明顯。那么，本變送器探頭是否可以達(dá)到1mm的測量精度呢？如果液面明顯波動(dòng)或蕩漾，必然達(dá)不到。然而液面緩慢升降時(shí)不會(huì)產(chǎn)生超過0.5mm的波動(dòng)(前提條件是液面緩慢升降，特別是接近上下液位控制線時(shí)。要達(dá)此目的只需略微延長進(jìn)料出料的時(shí)間)。有了這個(gè)前提計(jì)量精度就可以控制在1mm，計(jì)量誤差不超過0.05％。
這種計(jì)量方法適合于裝車外運(yùn)，也可以用于來料計(jì)量。但對(duì)容器的形狀要求比較嚴(yán)格，否則誤差會(huì)加大。
若某容器以計(jì)量為主要用途，形狀卻又不太規(guī)范，這時(shí)就要借助于精密的其它流量計(jì)來標(biāo)定(或其他方式)。
對(duì)于鉑電阻及精工制作的電加熱器來說，重復(fù)精度是很高的。為了不影響重復(fù)精度，不可用于粘度較高的液體。此種計(jì)量方法在某些場合可取代流量計(jì)，降低成本。特別是大量的液體的進(jìn)出廠的計(jì)量。
七、熱傳導(dǎo)法伺服式液位跟蹤儀在貯罐計(jì)量中的應(yīng)用這里介紹的方法適合貯罐計(jì)量，且更具有普遍性。
貯罐計(jì)量是石油、化工、食品等行業(yè)的重要應(yīng)用之一。也是各式液位儀器大顯身手的場合。貯罐基本上屬于常壓范圍，在這種情況下，計(jì)量精度則顯得十分重要。浮球式液位儀大量應(yīng)用在這種場合。
我們采用伺服探頭座用于工業(yè)上大容量貯罐的計(jì)量，它具有耐酸耐堿的性能。伺服探頭座的每個(gè)探頭在這里均為獨(dú)立工作。
將探頭座的下端連接一個(gè)重錘，上端通過鋼絲繩與步進(jìn)電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)相連，其特征是探頭可在容器內(nèi)上下自由移動(dòng)，這就是伺服探頭座。
本發(fā)明用可對(duì)液面升降隨動(dòng)的伺服探頭座代替?zhèn)鹘y(tǒng)的浮球，可以達(dá)到更好的效果。精確度高、可靠性高，適用于粘度低的任何液體。結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)、單片機(jī)數(shù)字式控制。
伺服探頭座的任一個(gè)探頭進(jìn)行液位監(jiān)測的過程是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線(見圖6)；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
由于工業(yè)上的液位不會(huì)突變，而對(duì)液位的精確度又有一定的要求，但探頭的直徑往往大于液面的控制精度。我們將對(duì)探頭溫度采樣的時(shí)間區(qū)間劃小，使探頭的一部分在這個(gè)微小的時(shí)間區(qū)間內(nèi)就能感觸到液體的降溫作用，從而作出液位已到的判斷。這就是內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法用于精確測量的方法，是由動(dòng)態(tài)分析得出的結(jié)論，為了更直觀地了解內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭是如何用于伺服式液體的計(jì)量，我們來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)見圖18。圖18中a表示探頭底面與液面的接觸距離為S，此前探頭的溫度對(duì)于液面有40℃恒定的溫差。輕觸液面5秒鐘后，對(duì)探頭溫度采樣，溫度有所下降，但不明顯，說明熱速率變化不大。圖18中b表示探頭進(jìn)一步深入液面之下ΔS深度。對(duì)探頭溫度再次采樣，在相同時(shí)間內(nèi)溫度下降達(dá)10℃以上，這說明探頭已測得液位的存在。
這個(gè)方法使用了恒定的基礎(chǔ)溫差和熱速率來進(jìn)行液位測量，稱為內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)，我們可以看出伺服式液位計(jì)的探頭運(yùn)動(dòng)也存在著同樣的現(xiàn)象。詳述如下探頭通過鋼絲繩在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下降的過程中輕觸液面，如圖18中a所示。液面的波動(dòng)會(huì)引起探頭溫度的降低，但不明顯，因?yàn)榻佑|面小，且有波動(dòng)。當(dāng)探頭繼續(xù)向下降ΔS的距離，如圖18中b所示。探頭溫度受到液位的明顯影響，可測得在5秒內(nèi)溫度下降10℃以上。圖18a、圖18b中探頭的連續(xù)兩次降溫一次比一次大，也就是熱速率變化相當(dāng)大，經(jīng)過閥值的計(jì)算就可以定位液位的實(shí)際位置。上述過程說明，伺服式探頭可大大提高測量的靈敏度。當(dāng)ΔS為1mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明，液面對(duì)探頭溫度的影響在10℃以上，因此液位是完全可以被分辨的。因此更證明了對(duì)貯罐的液位測量可精確到1mm。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)以及伺服式探頭測量液位的演繹，更進(jìn)一步證明了內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法所依據(jù)的基礎(chǔ)溫差和熱速率法可以在貯罐計(jì)量中達(dá)到較高的精度，具備了工程上的實(shí)用性。實(shí)際應(yīng)用到不同液體時(shí)，須對(duì)圖18中a的S的值進(jìn)行測定。
伺服式液位跟蹤儀的結(jié)構(gòu)如13圖所示結(jié)構(gòu)說明伺服探頭座上有三個(gè)探頭，可以輪換工作，減少污垢對(duì)長期使用的精確度的影響。
校正桿用于對(duì)探頭位置精確度的校正。排除鋼索和機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)間隙的影響。采用干簧管或其它器件。
探頭的動(dòng)態(tài)位移由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
校正工作原理校正桿頭部裝有干簧管，另一根則裝永久磁體。校正桿固定于罐頂上，在安裝時(shí)確定其精確位置。探頭動(dòng)作前，先進(jìn)行位置確認(rèn)校正，由單片機(jī)將其參數(shù)保存。
正式測液位時(shí)，由探頭內(nèi)電加熱器對(duì)第一探頭恒溫加熱，使其保持對(duì)周圍環(huán)境有35℃-40℃的溫差。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭不斷向下，直到液位引起探頭溫差突變。在這個(gè)過程中，探頭運(yùn)動(dòng)速度可快一些，減少等待時(shí)間。到達(dá)液位時(shí)，需經(jīng)過幾次上下振蕩，通過單片機(jī)的控制才可使探頭底部輕觸液面。進(jìn)入液體、離開液體、半浸漬狀態(tài)、輕觸狀態(tài)的探頭熱速率是不同的。通過軟件進(jìn)行判斷。
探頭輕觸狀態(tài)將維持熱速率在一個(gè)利于分辨的靈敏度，使探頭對(duì)溫度變化的靈敏度最高。以1步/秒，每0.2mm/步來上下移動(dòng)探頭。以2-4秒的時(shí)間段來檢測探頭的熱速率(在此期間探頭內(nèi)電加熱器始終保持相對(duì)探頭殼的一定的溫差)。并通過軟件計(jì)算給出反饋信號(hào)令步進(jìn)電機(jī)跟進(jìn)，就可以達(dá)到探頭跟蹤液面升降的目的。單片機(jī)根據(jù)此期間步進(jìn)電機(jī)正反步進(jìn)數(shù)據(jù)加上校正值就可以計(jì)算出液面的實(shí)際位置。由于是反饋控制，必有一點(diǎn)誤差，可用減少移動(dòng)探頭的速率來解決。
誤差校正可以每天做一次，防止長期運(yùn)轉(zhuǎn)造成的累積誤差，做到智能化。
各個(gè)探頭可輪流工作，防止被加熱的液體在探頭壁上產(chǎn)生污垢，可以做到長期免維護(hù)。
八、外置非接觸式熱傳導(dǎo)法液位變送器的原理與應(yīng)用外置式熱傳導(dǎo)法液位變送器所用到的探頭與前面所提到的各種探頭座有明顯的結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，但它們所用到的基本原理是一樣的，都是利用了熱傳導(dǎo)法，對(duì)探頭進(jìn)行加熱，沒有加熱，就無所謂測量，這是本文提到的各種探頭的共性。
眾所周知，熱傳遞有三種方式傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。我們來回顧它的內(nèi)容。
熱總是從高溫處往低溫處傳遞。溫差越大，導(dǎo)熱體熱導(dǎo)率越大，熱傳導(dǎo)越快；熱導(dǎo)率對(duì)于不同的介質(zhì)有著極大的不同，銅比鐵大幾倍，鐵比水大幾倍，水比氣體又大幾倍。
熱傳導(dǎo)僅在相鄰介質(zhì)間進(jìn)行，當(dāng)相鄰的介質(zhì)有氣體或液體，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)流。被加熱的液體或空氣或其他蒸汽就會(huì)上升，使熱交換連續(xù)進(jìn)行。
高溫物體會(huì)直接向外進(jìn)行熱輻射。
熱傳遞會(huì)在物體間溫度達(dá)到平衡時(shí)停止。
我們利用這些基本原理做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，目的是模擬非接觸式熱傳導(dǎo)法液位傳感器(外置式熱傳導(dǎo)法液位變送器)在實(shí)際中的應(yīng)用，從而尋找它的熱傳導(dǎo)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)所需器材不多，有塑料水桶、鐵皮罐、銅水管件一套、鍍鋅鐵管一根(約30cm)、600W電加熱器一個(gè)、100℃溫度計(jì)一個(gè)。如圖14所示實(shí)驗(yàn)分為兩次，第一次取液位在銅水管件以下17cm處，第二次將液位升高7cm，重復(fù)再做一次。
實(shí)驗(yàn)步驟如下1.先將各種器材按圖示連接好，將水桶注入水并使液位到達(dá)17cm處。
2.將鐵皮罐注滿水，并通電加熱。
3.水沸騰后維持10分鐘，使熱交換進(jìn)入穩(wěn)態(tài)(物質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量的平方、溫差成正比，再加上三種熱傳遞方式都需要一定的傳遞時(shí)間)。
4.記錄鍍鋅管垂直各處的溫度及其與液面的對(duì)應(yīng)距離。
5.記錄液面溫、水內(nèi)溫、氣溫?cái)?shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過對(duì)液面以上各點(diǎn)的溫度與其對(duì)應(yīng)的鐵管的長度對(duì)應(yīng)點(diǎn)作圖并連線，我們發(fā)現(xiàn)，在液面以上的10cm區(qū)間，溫度呈線性變化，溫差約7℃。
將液位升高7cm，再次做以上實(shí)驗(yàn)，我們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)雖然溫度均有所下降，溫度仍呈線性變化，只是縮短至7cm，溫差約8.5℃，可看出斜率發(fā)生明顯變化。
結(jié)果分析熱傳遞在開始10分鐘呈現(xiàn)復(fù)雜變化，多種因素以三種熱交換形式交互作用，無規(guī)律可言，此后到達(dá)穩(wěn)態(tài)。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，我們從測得數(shù)據(jù)可以看出，水桶的水溫及恒熱源的溫度是不變的，一個(gè)最低，一個(gè)最高，我們將水溫稱為低溫區(qū)，將恒熱源稱為高溫區(qū)。液面以上有一個(gè)7cm-10cm的升溫區(qū)，溫度呈線性變化，稱為線性溫區(qū)。在液面處約1cm上下，溫度是不確定的，我們稱為不定溫區(qū)。這4個(gè)溫區(qū)構(gòu)成了一個(gè)完整的整體，盡管有時(shí)不定溫區(qū)小到可以忽略不計(jì)，但我們?nèi)詫⑵淞腥肫渲校驗(yàn)檫@是工程實(shí)際必須面對(duì)的。以上4個(gè)分區(qū)及恒熱源熱傳導(dǎo)法就構(gòu)成了我們這個(gè)外置式熱傳導(dǎo)法液位變送器的液位測量方法。
在這個(gè)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析線性溫區(qū)，得出結(jié)論為當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，線性溫區(qū)各點(diǎn)溫度也會(huì)發(fā)生變化，建立液面上的距離與溫度變化的函數(shù)關(guān)系，可以看出，這是個(gè)線性函數(shù)，其斜率將隨著液面的變化而變化。根據(jù)這個(gè)斜率的變化，在斜率與液位關(guān)系對(duì)照表的指示下，即可確定液位的位置。
線性溫區(qū)范圍的確定，它位于液面1cm以上處(以液面溫度微升為準(zhǔn))；高端與低端之間的距離依據(jù)現(xiàn)場情況在7cm-17cm之間確定(常溫條件下)。
線性溫區(qū)的使用方法在選定的線性溫區(qū)內(nèi)的某個(gè)區(qū)段確定4個(gè)點(diǎn)，首先是液位控制線，距液位一定距離的下方為液位控制下限，其上一定距離就是液位控制上限，而最高位為超限報(bào)警位。具體位置由實(shí)際情況分析而定。
我們不僅對(duì)線性溫區(qū)采樣控制，作為配套，還需對(duì)恒熱源、液位上方空氣區(qū)、液面、液下進(jìn)行溫度采樣。
恒熱源是一個(gè)可由單片機(jī)控制的電熱裝置，發(fā)熱量根據(jù)現(xiàn)場條件(如金屬容器的壁厚、銅基座的熱容量、線性溫區(qū)的長短、現(xiàn)場溫度的大小)而確定，并保持對(duì)液位上方空氣區(qū)溫度有一個(gè)恒定溫差。
在工程現(xiàn)場內(nèi)，上述所有器件，都必須隔熱處理，特別是隔絕外界氣溫的影響。
依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)出的方法，可制作出在某些特殊場合使用的液位變送器。
實(shí)驗(yàn)確定的線性溫區(qū)可為我們解決工程上的一部分實(shí)際問題。我們可以利用鉑電阻準(zhǔn)確地記錄下其變化情況并利用單片機(jī)來建立對(duì)應(yīng)的斜率并分析其與液面的關(guān)系，從而確定液位。
液面上升會(huì)引起線性溫區(qū)各點(diǎn)溫度的下降，并且會(huì)令線性度變陡，進(jìn)入高溫差區(qū)。換句話說，斜率會(huì)出現(xiàn)變化，且液位變化越大，斜率變化也會(huì)越大。這就是在線性溫區(qū)內(nèi)液位與斜率之間的關(guān)系。
上述試驗(yàn)是在完全暴露于空氣中，并令水的熱容量遠(yuǎn)大于鍍鋅鐵管的條件下進(jìn)行的，并且液面平穩(wěn)。實(shí)際情況會(huì)復(fù)雜的多。特別一些反應(yīng)器內(nèi)的溫度劇烈變化的同時(shí)，液位也在變化，用這種方法顯然是不行的，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)需要一個(gè)滯后的時(shí)間?？傊?，我們是利用溫度的變化來測算液位，如果容器內(nèi)的溫度變化速率無法操控，是一個(gè)變量，就不能用這種方法。
由這個(gè)實(shí)驗(yàn)我們可以導(dǎo)出，當(dāng)恒熱源安置在容器外液位上方，它發(fā)出的熱量就能在它與液位之間形成一個(gè)線性溫區(qū)。我們?cè)谌萜魍獾木€性溫區(qū)設(shè)置一串鉑電阻，當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，線性溫區(qū)的溫度也會(huì)發(fā)生變化，通過鉑電阻串可以監(jiān)視溫度的變化，從而可以計(jì)算出其斜率的變化情況，繼而確定液位。
干擾因素分析環(huán)境溫度的變化也會(huì)使線性溫區(qū)的溫度發(fā)生變化，但同時(shí)它也會(huì)引起整個(gè)容器頂部金屬層、空氣層溫度發(fā)生大范圍變化(而液位的變化不會(huì)引起相應(yīng)的變化)，空氣的熱導(dǎo)率比起液體及金屬材料來要小得多，在實(shí)際中它的熱容量比起液體及金屬材料來也要小得多。而且由于這個(gè)變化率不大，同時(shí)氣體與液面大面積交換熱量，因此這個(gè)變化是非常緩慢的。通過相應(yīng)各點(diǎn)的溫度采樣，可以分辨出這個(gè)因素的影響，可以用校正系數(shù)將其過濾，可以使恒熱源快速地跟蹤這個(gè)變化。同樣道理，容器頂部的金屬受外界環(huán)境的影響而溫度發(fā)生變化，它的影響也是全面的、可以分辨的，環(huán)境因素引起容器上部溫度的變化率在短時(shí)間內(nèi)始終會(huì)遠(yuǎn)低于恒熱源產(chǎn)生的溫差梯度。恒熱源產(chǎn)生的溫差梯度遠(yuǎn)大于這些因素的影響，只要恒熱源產(chǎn)生的溫差梯度不變，熱量從高溫處向低溫處所形成的熱流方向就不變。相反，液面波動(dòng)相對(duì)這些因素令線性溫區(qū)更敏感，只要通過軟件使恒熱源快速地跟蹤干擾，就可以保持線性溫區(qū)的穩(wěn)定，保持有足夠的線性溫區(qū)對(duì)液面變化的跟蹤。從而保持相對(duì)的靈敏度。
當(dāng)我們對(duì)現(xiàn)場容器采用此種方法測量液位時(shí)，我們還需要用精密的標(biāo)準(zhǔn)的液位計(jì)來進(jìn)行標(biāo)定。并定期校準(zhǔn)。
另外我們看一下不定溫區(qū)。不定溫區(qū)是指液面上下±1cm范圍的溫度?，F(xiàn)場實(shí)際往往不是一個(gè)沒有波動(dòng)的液面，而且恒熱源長時(shí)間工作也會(huì)造成液面升溫，只要我們將它判別出來，就不會(huì)影響我們對(duì)液位的判斷。因?yàn)槲覀兯傅木€性溫區(qū)是由5-10個(gè)以上鉑電阻指示的，液位上下±1cm范圍的溫度如果被判斷出與線性區(qū)有矛盾，我們就將它列入不定溫區(qū)。同時(shí)，判斷斜率是否發(fā)生變化，就可確定液位的狀況了。這一切都可以由軟件自動(dòng)完成。
恒熱源問題。恒熱源的理論依據(jù)來自強(qiáng)制傳熱法。恒熱源可提供一個(gè)穩(wěn)定的線性溫區(qū)，條件是它必須隨著容器內(nèi)空氣區(qū)的溫度的變化而變化。這個(gè)變化可能是環(huán)境氣溫的影響，也可能是容器內(nèi)物料的化學(xué)反應(yīng)所至，還可能包括其它能量轉(zhuǎn)化而成的熱量對(duì)壁溫的影響。恒熱源對(duì)溫度的變化通常應(yīng)該跟隨，始終間接保持對(duì)容器內(nèi)空氣區(qū)的不變的溫度梯度。由單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)進(jìn)行。只要有了穩(wěn)定的線性溫區(qū)，就可以可靠地判斷液位變化的情況。
恒熱源降低溫度梯度后依然可以維持一個(gè)穩(wěn)定的線性溫區(qū)，只是會(huì)影響到測量的靈敏度。但我們可以利用這一點(diǎn)降低能耗，某些場合并不需要連續(xù)測液位。
以上我們說明的是外置式熱傳導(dǎo)法液位變送器原理，下面我們說明實(shí)現(xiàn)它的方法。
首先我們采用外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，由電恒熱源、銅基座傳熱板、一組鉑電阻組成，其特征是電恒熱源設(shè)置在銅基座傳熱板的一端，在銅基座傳熱板體上間隔布置著鉑電阻。如圖15所示變送器的功能是數(shù)據(jù)采集，歸結(jié)為一次儀表。單片機(jī)處理的是變送器采集來的各種數(shù)據(jù)，歸結(jié)為二次儀表。通過傳輸線及電線連接。
補(bǔ)充一點(diǎn)銅基座板與容器表面應(yīng)盡量吻合，底部弧度應(yīng)與容器表面弧度一致。減少熱阻，利于傳熱。銅基座傳熱板的厚度、寬度、長度需要根據(jù)璧厚及容器內(nèi)部溫度、生產(chǎn)的需要決定，一般可取1cm以下。
工作流程我們用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和對(duì)恒熱源的控制以及液位狀態(tài)信息的傳輸。首先將恒熱源加熱并使其進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。將鉑電阻傳來的隨溫度變化的電信號(hào)直接送入二次儀表的隔離放大器輸入端。經(jīng)過多路開關(guān)選通、A/D轉(zhuǎn)換器變換、單片機(jī)處理后，從而得到液位數(shù)據(jù)，它可以直觀地在顯示屏上觀察液位的現(xiàn)狀，也可以將液位信息通過RS-232或RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)送入上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)液位信息處理后，可得到液面距控制線的偏差情況，再進(jìn)行控制。還可以以單片機(jī)為控制中心控制閥門的開度、泵類的開停、容器的電加熱器等而形成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。
這種變送器的優(yōu)點(diǎn)是可以用在工業(yè)上一些環(huán)境比較惡劣的場合，其余優(yōu)缺點(diǎn)在本節(jié)尾部說明。
如何將“防爆抗干擾型非接觸式熱傳導(dǎo)法液位變送器”用在生產(chǎn)實(shí)際中？下面說明一下注意事項(xiàng)1.首先確認(rèn)現(xiàn)場情況是否適合本儀器。
2.在容器的適當(dāng)位置安裝標(biāo)準(zhǔn)液位傳感器探頭(非本探頭)，并與其配套儀器連接好。
3.再將本變送器探頭座(見圖15)安裝好并與配套儀器連接好。
4.使容器進(jìn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)，由標(biāo)準(zhǔn)液位儀對(duì)其液面的變化進(jìn)行測試和監(jiān)控。
5.在標(biāo)準(zhǔn)液位儀正常工作后，再將本變送器投入調(diào)試(非監(jiān)控)，在調(diào)試的過程中，要解決恒熱源穩(wěn)定性、線性溫區(qū)的大小、線性溫區(qū)的斜率數(shù)據(jù)、斜率數(shù)據(jù)與液位的對(duì)應(yīng)關(guān)系、不定溫區(qū)、液位正常變動(dòng)區(qū)、液位非正常變動(dòng)區(qū)、超限報(bào)警、液位測量精確度及可靠性、可重復(fù)性等問題。以上均可由軟件自動(dòng)進(jìn)行。
6.經(jīng)過24小時(shí)的并行運(yùn)行，如無異常，可將本液位變送器獨(dú)立投入使用。標(biāo)準(zhǔn)液位儀在監(jiān)控期滿后可拆除，一般需保留探頭或探頭位。以便定期校準(zhǔn)。
外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器的安裝調(diào)試方法，其特征是當(dāng)外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器安裝在容器外壁以后，開始調(diào)試的具體步驟如下A.首先要建立一個(gè)線性溫區(qū)及維持這個(gè)線性溫區(qū)持續(xù)存在，這就是通過調(diào)試恒熱源～要根據(jù)容器的壁厚來進(jìn)行調(diào)試，確定加熱功率，并通過單片機(jī)觀察，使線性溫區(qū)的工作長度足以滿足現(xiàn)場的要求；B.通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)建立數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)；C.通過單片機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)建立一個(gè)有一定分辨率的“液位與斜率對(duì)照表”；D.利用探頭座的最靠下一個(gè)鉑電阻測液溫，該鉑電阻遠(yuǎn)離液位控制線，液體對(duì)其可形成穩(wěn)定的溫度影響；E.利用液位控制線下方的較近的鉑電阻測溫，其數(shù)據(jù)作為下一步工作的預(yù)啟動(dòng)信號(hào)；F.當(dāng)液位已被確定接近液位控制線時(shí)，開始對(duì)線性溫區(qū)內(nèi)各鉑電阻進(jìn)行掃描溫度采樣；G.通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)的溫度數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)計(jì)算斜率；H.用最新計(jì)算出來的斜率數(shù)據(jù)與“液位與斜率對(duì)照表”進(jìn)行對(duì)比，查出液位數(shù)據(jù)；I.將此數(shù)據(jù)在本機(jī)顯示及向上位機(jī)傳送或作為控制信號(hào)；J.持續(xù)上述過程，直至液位被控。
當(dāng)以上工作完成以后，即可以正式投入使用，使用方法如下A.利用探頭座的最靠下一個(gè)鉑電阻測液溫，該鉑電阻遠(yuǎn)離液位控制線，液體對(duì)其可形成穩(wěn)定的溫度影響；B.利用液位控制線下方的較近的鉑電阻測溫，其數(shù)據(jù)作為下一步工作的預(yù)啟動(dòng)信號(hào)；C.當(dāng)液位已被確定接近液位控制線時(shí)，開始對(duì)線性溫區(qū)內(nèi)各鉑電阻進(jìn)行掃描溫度采樣；D.通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)的溫度數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)計(jì)算斜率；E.用最新計(jì)算出來的斜率數(shù)據(jù)與“液位與斜率對(duì)照表”進(jìn)行對(duì)比，查出液位數(shù)據(jù)；F.將此數(shù)據(jù)在本機(jī)顯示及向上位機(jī)傳送或作為控制信號(hào)；G.持續(xù)上述過程，直至液位被控。
本液位變送器的缺點(diǎn)是對(duì)液位的變化反應(yīng)不夠靈敏，這是由于熱傳導(dǎo)受熱阻的影響在容器壁上有一個(gè)滯后的時(shí)間。所以不適應(yīng)液位變化率較高的場合。另外由于恒熱源長期維持電加熱將增大運(yùn)行成本，也不適合不需加熱的場合(可以斷續(xù)測液位的情形除外)。利用線性溫區(qū)的方法在測量范圍上的局限較大，只能測小范圍液面的變動(dòng)。
線性溫區(qū)的大小決定了液位變化可控的范圍，增大恒熱源的溫度可以加大線性溫區(qū)的長度，但也會(huì)造成更大的非線性溫區(qū)，引起熱輻射、對(duì)流的加劇，增大使用成本，所以對(duì)線性溫區(qū)加大是有限制的。
盡管有這么多的缺陷，但由于它不與液體接觸，長期工作可靠性好，穩(wěn)定性較高，抗干擾能力強(qiáng)(特別是不受壓力變化的影響一在容器內(nèi)一切能量的轉(zhuǎn)換都會(huì)歸結(jié)為溫度的增減)，結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，無機(jī)械部件，可被單片機(jī)控制，可與中央控制計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，調(diào)試與維護(hù)簡單，不受腐蝕性液體或其他惡劣環(huán)境的影響，可以用在常溫常壓、中溫中壓和一些高溫中壓場合，它可以解決一些特殊的需求，性價(jià)比較高。它可以用于一些不需要大范圍連續(xù)性測量液位并且對(duì)測量精度要求不太高、其他液位傳感器易損壞或費(fèi)用高昂的場合。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)常會(huì)要求液面有一定的調(diào)節(jié)余地，如將探頭位固定，無法達(dá)到這種效果。根據(jù)內(nèi)置、外置探頭座的優(yōu)點(diǎn)，將它們組合起來，形成混合式探頭座，可以有8cm-15cm的調(diào)節(jié)范圍?？梢越M成小范圍連續(xù)測量液位的系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是無需挪動(dòng)探桿的位置，僅通過軟件的調(diào)試，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)的標(biāo)定，即能夠完成新的液位的設(shè)定。適用于小范圍頻繁變動(dòng)液位控制線的工業(yè)試驗(yàn)場合。如圖11所示這是外置式探頭座內(nèi)置以后的又一個(gè)新用法。
九、熱傳導(dǎo)法液位變送器在家電中的應(yīng)用三探頭座的三個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，其特征是探頭與容器之間的位置固定不變，三探頭座在家電上可用于太陽能熱水器進(jìn)水的液位監(jiān)控，在熱水器上三探頭的作用分別是上限報(bào)警位、液位控制、下限報(bào)警位。如圖16所示由于水位沒有精確計(jì)量的要求，本探頭為節(jié)省能源及消除水垢影響，使用了非恒溫式內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法。當(dāng)我們對(duì)一個(gè)由電熱絲及感溫元件的探頭(由不銹鋼外殼對(duì)其密封保護(hù)并傳導(dǎo)熱量)通電加熱使其保持一定的溫差，在沒有液體的情況下，其溫度變化很??；使液體對(duì)其浸沒，其溫度變化很大。這種方法可以用來判斷液位是否存在，實(shí)驗(yàn)見圖7。這種方法稱為非恒溫式內(nèi)置式探頭熱傳導(dǎo)法。
三探頭座的任一個(gè)探頭進(jìn)行液位監(jiān)測的過程是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線(見圖6)；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；
E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
對(duì)于太陽能熱水器這類探頭常常處于高溫硬水環(huán)境下易結(jié)垢而影響長期測量穩(wěn)定性的問題，本液位變送器由于探頭全密封、無動(dòng)作部件而可以采取在探頭表面涂敷“特富隆”這一類涂層的措施，效果會(huì)更好。當(dāng)然也可以采用智能式軟件處理方法。這種方法是一種隨機(jī)測試，跟進(jìn)變溫的方法，它可以克服水垢帶來的問題。具體如下探頭在水位測量中處于完全浸沒狀態(tài)，其原理可以用靜態(tài)分析的方法。即圖7的實(shí)驗(yàn)和圖6的曲線，在測量前利用單片機(jī)計(jì)算閥值，當(dāng)水垢令探頭閥值改變時(shí)，由單片機(jī)增加探頭電熱絲的加熱時(shí)間，使新的閥值接近初始閥值，新的閥值保證了探頭的長久如新的靈敏度。
這種決定熱量的參數(shù)設(shè)置操作，一般可以每天進(jìn)行一次，由單片機(jī)通過軟件自動(dòng)完成。而結(jié)垢是不可能在一天內(nèi)突變的。
對(duì)于象洗碗機(jī)這類盛水容器小，液位變化速率很大的家電，可以采用簡易的雙探頭座，其探頭運(yùn)作原理與本節(jié)“太陽能熱水器”是一致的，由軟件解決，不再敷述。這是因?yàn)榧译妼?duì)液位控制要求不高。
上限報(bào)警意味著進(jìn)液通道不受控，下限報(bào)警意味著出液通道不受控。體現(xiàn)了這種液位變送器的良好的綜合性能。用簡易的方法就可以實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)控及故障報(bào)警是這種液位變送器的一大優(yōu)勢，大大提高了家電的智能化水平，而實(shí)現(xiàn)成本并不高。家電的成本決定了它不可能選擇一些高精度的液位測量儀，而且它在家庭環(huán)境下無需考慮抗干擾、高精度的問題，探頭結(jié)構(gòu)和控制電路都可以簡化。而普遍采用的壓力轉(zhuǎn)換式液位變送器由于各種原因都難以達(dá)到長期無故障(指傳感器本身)的目標(biāo)。本液位變送器原理及結(jié)構(gòu)都證明它可勝任洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器的需求，它將克服這些家電電子控制化的一個(gè)瓶頸，徹底解決機(jī)械式液位傳感器不耐用的弊病，實(shí)現(xiàn)家電液位控制電子化、免維護(hù)、高性價(jià)比的目標(biāo)。
十、單片機(jī)在熱傳導(dǎo)法液位測量儀的應(yīng)用上面我們說明了內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位變送器的原理以及它在工業(yè)上各種條件下的應(yīng)用方法。尤其是在普通鍋爐及一般的化學(xué)反應(yīng)器上所采取的措施，同樣適用于其他行業(yè)的類似應(yīng)用。還說明了在家用洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器的簡化用法以及用于計(jì)量的兩種方法。本液位變送器只能與單片機(jī)配套使用，下面概要說明其設(shè)計(jì)要求。
我們用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭溫度的采集、到判斷液位和每一個(gè)探頭電加熱器的控制以及液位狀態(tài)信息的傳輸。在貯罐計(jì)量中伺服式液位跟蹤儀還通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)探頭座的伺服控制。
變送器的功能是數(shù)據(jù)采集，并提供鉑電阻和電加熱器的電源。而各電加熱器的控制由二次儀表中單片機(jī)決定，歸結(jié)為一次儀表。
為什么要對(duì)電加熱器的供電時(shí)間進(jìn)行控制？維持工作探頭(我們將處于工作狀態(tài)的探頭稱為工作探頭)的基礎(chǔ)溫差就需要不斷測量探頭溫度、液體溫度，并對(duì)這兩個(gè)數(shù)值求差，只要差值小于或等于基礎(chǔ)溫差，就要對(duì)工作探頭的電加熱器進(jìn)行加熱。加熱的時(shí)間由軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而定。這種加熱是快速的，也是間斷的，因而是節(jié)能的。
是否通電加熱還受液位計(jì)對(duì)某探頭的功能的定位。例如，“當(dāng)前工作探頭”是上限探頭，則其他探頭不一定需要加熱，或?qū)嵤╅L間隔時(shí)間加熱。當(dāng)液位開始下降，“當(dāng)前工作探頭”轉(zhuǎn)移到下限探頭，則僅對(duì)下限探頭進(jìn)行加熱。達(dá)到既節(jié)能又可監(jiān)測液位的目的。
通電加熱的時(shí)間還受到水垢的影響。探頭在水位測量中處于完全浸沒狀態(tài)，其原理可以用靜態(tài)分析的方法。即圖7的實(shí)驗(yàn)和圖6的曲線，在測量前利用單片機(jī)計(jì)算閥值，當(dāng)水垢令探頭閥值改變時(shí)，由單片機(jī)增加探頭電熱絲的加熱時(shí)間，使新的閥值接近初始閥值，新的閥值保證了探頭的長久如新的靈敏度。
二次儀表中的單片機(jī)還處理變送器采集來的各種數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成液位狀態(tài)信號(hào)傳遞給上位機(jī)。并接受上位機(jī)的控制。二次儀表與上位機(jī)之間的傳輸線為電纜或光纖，信號(hào)全部是數(shù)字式的。這種實(shí)現(xiàn)方案最簡，也是通常使用的。
電路結(jié)構(gòu)為探頭為一次儀表的傳感器部分，其余電路集中置于二次儀表內(nèi)。單片機(jī)與探頭的電路關(guān)系示意圖見圖17二次儀表內(nèi)包括每一個(gè)探頭電加熱器對(duì)應(yīng)的雙向可控硅控制電路、高精度電源(供鉑電阻用)、鉑電阻輸入信號(hào)線及輸出到探頭電加熱器電源線、多路開關(guān)、信號(hào)輸入隔離放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及周邊電子器件、光電耦合編碼器、光電信號(hào)發(fā)射器件、顯示屏、控制面板、傳輸接口器件等。
以上是內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位變送器的與二次儀表組成為熱傳導(dǎo)法液位測量儀的原理及實(shí)現(xiàn)電路的功能、結(jié)構(gòu)。
本液位測量儀除了有采集信號(hào)的功能外，還有對(duì)各探頭的電加熱器進(jìn)行控制的功能，以及其他通常為二次儀表的功能。既接受遠(yuǎn)程上位機(jī)的控制信號(hào)，也可以在上位機(jī)出現(xiàn)故障的情況下根據(jù)手工設(shè)定值進(jìn)行獨(dú)立測量的智能式液位測量儀。
十一、活動(dòng)探頭桿在靈活變動(dòng)測量液位中的應(yīng)用通常，本發(fā)明的探頭座通過探桿固定在容器中，液位變化而探頭座位置不變。在某些情況下，工藝流程變了，必然要求被控液位發(fā)生變化。我們采用活動(dòng)探頭座，通過固定在容器頂部的動(dòng)密封裝置及鎖緊裝置，使探頭座在一定的垂直距離上下移動(dòng)，其特征是探頭與容器之間的位置可以調(diào)節(jié)。并且不會(huì)因此泄漏(在中低壓條件下已是成熟技術(shù))。探頭依照工況要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)變?yōu)榭赡埽蟠笤黾恿吮疽何挥?jì)的靈活性。它可用于常壓中低溫的化學(xué)反應(yīng)器中，它與固定探頭座的結(jié)合可用于容器的精確計(jì)量中。
十二、熱傳導(dǎo)法液位測量儀室外安裝的空調(diào)機(jī)箱在某些情況下，需要在室外安裝熱傳導(dǎo)法液位測量儀。室外氣候環(huán)境有風(fēng)、雨、雪、冰、嚴(yán)寒和高溫、霧氣、塵埃等不利于電子設(shè)備的環(huán)境，必須將本液位測量儀置于空調(diào)機(jī)箱內(nèi)?？照{(diào)機(jī)箱的設(shè)計(jì)方案如下工作原理液位測量儀安裝在室外，有利于各種信號(hào)電纜的縮短，是一個(gè)實(shí)用的選擇。但由于室外環(huán)境惡劣，必須置于一個(gè)空調(diào)機(jī)箱內(nèi)，以確保自身的溫濕度等的要求。空調(diào)機(jī)箱也采用單片機(jī)進(jìn)行控制。空調(diào)機(jī)箱對(duì)溫度的控制范圍在18℃-28℃之間，對(duì)濕度的控制范圍在80％以下。在正常環(huán)境條件下由通風(fēng)解決，并具備防雷、防塵措施。
空調(diào)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)空調(diào)機(jī)箱由箱體、壓縮機(jī)、電熱管、儀表風(fēng)扇及相關(guān)電路組成。
當(dāng)液位測量儀安裝在室外并要求不間斷監(jiān)測液位時(shí)，應(yīng)取雙機(jī)自動(dòng)切換形式。單臺(tái)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換到備份機(jī)，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。
對(duì)于故障發(fā)生時(shí)可以停止液位監(jiān)測的場合，可取消雙機(jī)備份形式。簡化結(jié)構(gòu)。
十三、發(fā)明效果本發(fā)明成功地利用了熱傳導(dǎo)法的原理，使用傳統(tǒng)的鉑電阻或熱敏電阻作為傳感器的敏感元件，制作出一種可廣泛用于工業(yè)、家電等各個(gè)領(lǐng)域的新型液位測量儀。這些領(lǐng)域包括普通容器、壓力容器、化學(xué)反應(yīng)器、鍋爐、貯罐、水塔、水池、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器等。它與單片機(jī)緊密結(jié)合，適應(yīng)了當(dāng)前各相關(guān)行業(yè)的自動(dòng)化改造熱潮，它具有高性價(jià)比、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、可靠性高、耐高溫高壓、耐酸堿、自適應(yīng)調(diào)節(jié)、適用范圍大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于相關(guān)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造自動(dòng)化改造提供了一個(gè)新的選擇。
它的測量精度較高，不易受干擾，是本液位變送器、測量儀的一大優(yōu)點(diǎn)。
它能夠用于常溫到高溫，常壓到高壓容器中酸堿等腐蝕性液體及其它液體的液位測量。也可用于易燃易爆的場合。它的測量精度在常溫常壓下可達(dá)到±3mm。
它可以應(yīng)用在多種鍋爐中，基本解決了傳感器受水垢影響的問題。特別是解除了小型鍋爐的后顧之憂，它的可靠性及它的多功能性解除了人們對(duì)于壓力容器由于傳感器失靈而造成事故的隱憂。極其利于普通鍋爐的電子化改造，最大限度地減少維護(hù)量。
它在液體的計(jì)量領(lǐng)域，在精度及量程上(對(duì)罐類常壓容器)基本達(dá)到國外先進(jìn)的磁致伸縮、超聲波、導(dǎo)波雷達(dá)、激光類液位計(jì)在這類應(yīng)用的水平。更大大地超過了目前普遍使用的浮子鋼帶式液位計(jì)。
在家電的應(yīng)用上，它可以使用低成本的簡易探頭及熱敏電阻，以軟件的方式實(shí)現(xiàn)智能化測控?？刂齐娐芬部梢院喕?，目的是降低成本，但并不影響它的長期使用的穩(wěn)定可靠免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。它可以以極高的性價(jià)比應(yīng)用到采用單片機(jī)控制的洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器上。尤其是太陽能熱水器探頭工作環(huán)境十分惡劣，溫度達(dá)100多度，普通探頭極易結(jié)垢，成為一個(gè)老大難問題，采用本發(fā)明后，這個(gè)問題迎刃而解。
由于它的全密封、無動(dòng)作部件的優(yōu)點(diǎn)，它可以在普遍意義上替代傳統(tǒng)的機(jī)械浮球式液位計(jì)用于自動(dòng)化改造的各種場合，以實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢進(jìn)入相關(guān)行業(yè)。
非接觸式外置熱傳導(dǎo)法液位測量儀在一般的應(yīng)用中優(yōu)勢不大，只適合用在一些特殊的場合。它測量靈敏度不高，且需要標(biāo)定。它的優(yōu)點(diǎn)是不受容器內(nèi)極端條件的影響，有自適應(yīng)功能，在安全要求很高的場合，其它液位計(jì)不易適應(yīng)時(shí)，它可以發(fā)揮出獨(dú)特的作用。
本發(fā)明的不足是不能在壓力容器內(nèi)大范圍連續(xù)高精度跟蹤液位變化。另外，不適合于粘度高的液體。因此，選用時(shí)應(yīng)加以注意。
盡管如此，它的優(yōu)勢還是很強(qiáng)的，它的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于它的不足。它依然在工業(yè)上、市政上、家用上有著廣闊的市場。它是一種可用單片機(jī)控制的、數(shù)字式的、穩(wěn)定可靠、物美價(jià)廉、性價(jià)比高的新型液位計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，由鉑電阻或熱敏電阻(4)、電熱絲或PTC等電熱器件(2)及殼體(12)組成，其特征是在殼體內(nèi)通過絕緣層(13)密封電熱器，在殼體內(nèi)還密封著感溫電阻，電熱器和感溫電阻由隔熱材料(3)隔開，殼體安裝在安裝座(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，其特征是探頭安裝在探頭座上的角度為垂直安裝或斜角安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，其特征是按應(yīng)用場合分為單探頭座、雙探頭座、三探頭座、四探頭座、多探頭座、活動(dòng)探頭座、分段探頭座、機(jī)動(dòng)探頭座、錯(cuò)位探頭座、伺服探頭座等A.單探頭座僅有一個(gè)探頭固定在探頭座上，探頭與容器之間的位置固定不變；B.雙探頭座的兩個(gè)探頭并列固定在探頭座上，探頭與容器之間的位置固定不變；C.三探頭座的三個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，探頭與容器之間的位置固定不變；D.四探頭座四個(gè)探頭以等距或不等距方式并列固定在探頭座上，探頭與容器之間的位置固定不變；E.多探頭座各探頭并列固定在探頭座上，探頭與容器之間的位置固定不變；F.活動(dòng)探頭座通過固定在容器頂部的動(dòng)密封裝置及鎖緊裝置，使探頭座在一定的垂直距離上下移動(dòng)，探頭與容器之間的位置可以調(diào)節(jié)；G.分段探頭座在容器內(nèi)設(shè)置兩組探頭，其中一組為上液位探頭，另一組為下液位探頭，將這兩組的探頭座按照液位控制線上下分置在容器內(nèi)，探頭座之間沒有關(guān)聯(lián)，且兩探頭座分別與容器之間的位置固定不變；H.機(jī)動(dòng)探頭座在一定距離內(nèi)，設(shè)置兩個(gè)探頭，測一下這兩個(gè)探頭之間液位上升的速率，便可估算出液位到達(dá)下一個(gè)液位的時(shí)間，探頭與容器之間的位置固定不變；I.錯(cuò)位探頭座在容器內(nèi)設(shè)置兩組探頭，其中一組為主控探頭，另一組為輔助探頭，兩組探頭的水平位置有一個(gè)固定的偏差，形成錯(cuò)位狀態(tài)，當(dāng)液位變化還未完全覆蓋輔助探頭靈敏區(qū)時(shí)，同時(shí)會(huì)對(duì)主控探頭(此探頭作為液位實(shí)際控制探頭)產(chǎn)生影響；J.伺服探頭座將探頭座的下端連接一個(gè)重錘，上端通過鋼絲繩與步進(jìn)電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)相連，探頭可在容器內(nèi)上下自由移動(dòng)。
4.一種外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器，由電恒熱源(63)、銅基座傳熱板(68、65)、一組鉑電阻(66)組成，其特征是電恒熱源設(shè)置在銅基座傳熱板的一端，在銅基座傳熱板體上間隔布置著鉑電阻。
5.一種內(nèi)置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器探頭的測量方法，其特征是A.由單片機(jī)通過探頭的鉑電阻對(duì)容器及液體測溫；B.由單片機(jī)根據(jù)液體的溫度或容器的溫度確定基礎(chǔ)溫差以及對(duì)探頭電熱絲加熱時(shí)間，并維持探頭恒定的或有一定波動(dòng)的溫差曲線；C.由單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)探頭的溫差進(jìn)行連續(xù)采樣，并按細(xì)分的各單位時(shí)間區(qū)間分別計(jì)算出熱速率，進(jìn)行比較，找出最大的熱速率，將它定為閥值；D.使單片機(jī)處于對(duì)探頭的溫度連續(xù)采樣的狀態(tài)，并將采樣結(jié)果不斷地與閥值進(jìn)行對(duì)比，記錄下超過閥值的單位時(shí)間區(qū)間；E.單片機(jī)將根據(jù)已記錄的各熱速率值進(jìn)行判斷，如果為相鄰的單位時(shí)間區(qū)間連續(xù)降溫，則證明液位已經(jīng)到達(dá)。
6.一種外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器的安裝調(diào)試方法，其特征是當(dāng)外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器安裝在容器外壁以后，開始調(diào)試的具體步驟如下A.首先要建立一個(gè)線性溫區(qū)及維持這個(gè)線性溫區(qū)持續(xù)存在，這就是通過調(diào)試恒熱源---要根據(jù)容器的壁厚來進(jìn)行調(diào)試，確定加熱功率，并通過單片機(jī)觀察，使線性溫區(qū)的工作長度足以滿足現(xiàn)場的要求；B.通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)建立數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)；C.通過單片機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)建立一個(gè)有一定分辨率的“液位與斜率對(duì)照表”；D.利用探頭座的最靠下一個(gè)鉑電阻測液溫，該鉑電阻遠(yuǎn)離液位控制線，液體對(duì)其可形成穩(wěn)定的溫度影響；E.利用液位控制線下方的較近的鉑電阻測溫，其數(shù)據(jù)作為下一步工作的預(yù)啟動(dòng)信號(hào)；F.當(dāng)液位已被確定接近液位控制線時(shí)，開始對(duì)線性溫區(qū)內(nèi)各鉑電阻進(jìn)行掃描溫度采樣；G通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)的溫度數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)計(jì)算斜率；H.用最新計(jì)算出來的斜率數(shù)據(jù)與“液位與斜率對(duì)照表”進(jìn)行對(duì)比，查出液位數(shù)據(jù)；I.將此數(shù)據(jù)在本機(jī)顯示及向上位機(jī)傳送或作為控制信號(hào)；J.持續(xù)上述過程，直至液位被控。
7.一種外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器的測量方法，其特征是當(dāng)外置式熱傳導(dǎo)法液位傳感器安裝調(diào)試完成以后，正常工作的具體方法如下A.利用探頭座的最下一個(gè)鉑電阻測液溫，該鉑電阻遠(yuǎn)離液位控制線，液體對(duì)其可形成穩(wěn)定的溫度影響；B.利用液位控制線下方的較近的鉑電阻測溫，其數(shù)據(jù)作為下一步工作的預(yù)啟動(dòng)信號(hào)；C.當(dāng)液位已被確定接近液位控制線時(shí)，開始對(duì)線性溫區(qū)內(nèi)各鉑電阻進(jìn)行掃描溫度采樣；D.通過單片機(jī)對(duì)線性溫區(qū)的溫度數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型(一元一次方程)計(jì)算斜率；E.用最新計(jì)算出來的斜率數(shù)據(jù)與“液位與斜率對(duì)照表”進(jìn)行對(duì)比，查出液位數(shù)據(jù)；F.將此數(shù)據(jù)在本機(jī)顯示及向上位機(jī)傳送或作為控制信號(hào)；G.持續(xù)上述過程，直至液位被控。
全文摘要
本發(fā)明是一種熱傳導(dǎo)法液位傳感器及其測量方法，傳感器與單片機(jī)組成液位測量儀，或稱液位計(jì)。它的原理與目前普遍使用的各類液位計(jì)不同。它通過對(duì)內(nèi)有電加熱器及熱電阻組成的全封閉式探頭進(jìn)行通電加熱，通過測量熱電阻阻值的變化并通過單片機(jī)一系列計(jì)算來達(dá)到測量液位的目的。這就是熱傳導(dǎo)法液位計(jì)的方法及原理。另外，對(duì)熱傳導(dǎo)法液位傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行變動(dòng)，還可以用于容器外進(jìn)行非接觸式測量液位。本發(fā)明可應(yīng)用在工業(yè)上、家用上的各個(gè)領(lǐng)域，例如普通容器、壓力容器、化學(xué)反應(yīng)器、鍋爐、貯罐、家用電器等方面，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高、安全性好、可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、耐高溫高壓、耐酸耐堿、全數(shù)字自適應(yīng)控制，適用范圍大。
文檔編號(hào)G01F23/24GK1800792SQ20051003472
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者郭豫生 申請(qǐng)人:郭豫生