水位传感器结构、原理及应用
1、水位传感器组成及工作原理
水位传感器是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。
分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。
静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、 0～5v、 0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。
利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。
是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。
工作原理：
用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po式中：
P ：变送器迎液面所受压力
ρ：被测液体密度
g ：当地重力加速度
Po ：液面上大气压
H ：变送器投入液体的深度
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，
使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。
功能特点：
◆稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.１%FS/ 年。在补偿温度 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 0.１%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.３%FS 。
◆具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。
◆固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。
◆安装方便、结构简单、经济耐用。
主要技术参数：
工艺: 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选，量程: 0---0.5---200米，输出: 4---20mA (2线制)供电: 7.5---36VDC 推荐24VDCCBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量。
投入分体式液位传感器
适用于：水库大坝、城市地下水监测、供水系统、水文水利、石油化工、工业现场等液位测量与控制
投入分体式液位变送器
⊙选用美国进口的高精度、隔离式敏感组件，性能可靠
⊙表压或绝压测量
⊙量程宽：1mH2O～200mH2O
⊙输出：4～20mA或0～5V
⊙电源电压：24VDC(12～36VDC)，mV 输出型为恒流1.5mADC 或恒压12VDC 供电
⊙精度高，优于0.2%F.S
⊙100%防水防潮，防护等级IP68
⊙完备的电路功能，调校方便
2、作用及用途
投入式水位传感器适用于石油化工、水利、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的水位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。
3、工作原理
采用水压压力与该水的高度成比例的原理，当水位传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po
式中： P ：变送器迎液面所受压力
ρ：被测液体密度
g ：当地重力加速度
Po ：液面上大气压
H ：变送器投入液体的深度
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位高度。
4、功能特点
●稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.１%FS/ 年。在补偿温度 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 0.１%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.３%FS 。
●具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。
●固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。
●直接投入、安装方便、结构简单、经济耐用。
5、技术指标
本技术指标参考HDP601S
结构配置：采用扩散硅压阻芯体,316全不锈钢封焊,带三位半数字显示，可直接显示现场水位
测量范围: 100mmH2O～100mH2O、500mmH2O～500mH2O (水位高/深度)
综合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
输出信号(通讯输出)： 4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)、RS485、RS232 现场显示: HDP601--无; HDP601S--LED三位半，0000 - 1999
供电电压: 24DCV(9～36DCV)
介质温度: 0～85℃
环境温度: 常温(-20～85℃)
负载电阻: 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ
绝缘电阻: 大于2000MΩ (100VDC
密封等级: IP68
长期稳定性能: 0.1%FS/年
振动影响: 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS
电气接口(信号接口): 紧线防水螺母与五芯通气电缆连接。
测量方式: 投入式,潜入式
6、应用范围
●主要适用于水处理厂、工业水塔及储水容器等的液位测量与控制.
●重型探头，采用齐平式膜片易于清洗，可使用于河流、地下水位、水库等特殊环境.
性能和优点
●其机械结构对过载及腐蚀性介质具有高抵抗性
●高精度、长期稳定的陶瓷电容和进口扩散硅测量单元
●密封的电子模块及双滤波压力补偿系统可抵抗气候现场变化的影响
●电子模块可输出4...20mA信号并同时带有过压保护的模块
●选择集成的温度传感器Pt100可同时进行物位及温度的测量
7、目前的难题
下面我们从多个方面探讨一下这些问题：
一、耐高温问题：
传感器要长期工作在热水器水箱之中，因为真空管的得热量大，传给热水器水箱很多热量，使水箱温度能长时间达到１００℃左右，短时间能达到１３０℃，甚至１５０℃，这就对传感器带来了耐高温问题，从太阳能界用的第一个水温水位传感器一直到近期，传感器的材料在耐高温方面一直存在缺陷，在长期的空晒过程中、在长期的水煮过程中、在长期的汽蒸过程中，不管是电子器件还是其他的传感器材料都很容易老化、损坏。 突破这一难题，必须使进入水箱的传感器部分能够耐高温，在科学快速发展的今天，我国已经研制出了一种能够绝缘的、耐高温的抗高温聚丙烯材料，它能够在１５０℃的环境中正常使用，短时间能耐１７０℃高温，导电的电极部分使用优质不锈钢材料ＳＵＳ３１６Ｌ，既能满足耐高温，又能满足耐腐蚀的要求；而不耐高温的电路部分，可以选取远离高温水箱的结构。这样传感器的耐高温问题就解决了。
二、密封问题：
对太阳热水器水箱里的水温水位探测，一般将感温探头和水位探头都直接接触水源，而一些感光的器件做成探测水位的传感器成本又过高，作为一个热水器配件的成本占整个热水器成本很大一部分也很不合理，同时也超过了人们的购买能力，还有一些压力传感器又难逃水垢的影响，使压力传感器的寿命大打折扣，所以电极式传感器一直是太阳热水器传感器的主流，但是电极、信号线和感温器件的密封问题一直困扰着众多传感器研究者们，又因为信号线的呼吸毛细现象，使得信号线被水汽腐蚀，电阻增大甚至腐蚀断信号线，直接导致控制部件失灵。突破这一难题，就必须选取一种结构，使得信号线、电子器件等元件远离高温的水箱，而进入水箱的部分仅仅是耐腐蚀、耐高温的优质不锈钢材料ＳＵＳ３１６Ｌ和抗高温聚丙烯材料，而不锈钢材料部分和纳米材料部分之间是用硅胶圈进行密封的，用硅胶密封圈进行密封，密封容易且简单高效。信号线和电路部分都在水箱外边和不锈钢材料部分连接，能保证电路部分感受到水箱里面的水温和水位，电路部分将感受到的水温水位准确转变成电信号。传感器的密封问题得以解决。
三、耐水垢问题：
我国水质不一，很多地区的水质问题很严重，水垢给传感器带来很多麻烦，水垢附着在电极和感温块上，造成传感器感知水位水温不准确。突破这一难题，就必须从电路上找突破口，在连续的模拟电路作用下，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等离子受到一个固定方向的电磁力作用，有利于传感器金属探头上水垢的形成，且钢铁等金属物质本身都极易形成水垢，当水的温度升高时，他们之间的分子势能会增大，就是说分子间距增大，当分子间距大到一定程度的时候，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等离子就会附着在金属的表面，时间长了就会形成一层水垢膜，水垢膜的分子间隙较大，所以形成水垢膜后，水垢生成速度加快，最终导致传感器电路部分感受不到准确的水温和水位，电路部分再转变成错误的电信号输出，即传感器失灵，而电路部分采用小信号触发原理的数字电路能大大克服这一缺点，小信号触发原理能有效减小Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等离子受到的电磁力。 而数字信号使水分子受到很小的电磁力不连续——时有时无，能有效减少因电路导致水垢的形成；再解决金属本身形成水垢，可以使用一种导电的硅胶材料作为优质不锈钢材料的保护体，硅胶材料不易形成水垢，这是硅胶等高分子材料的一大特点，因Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等离子不容易渗透进硅胶高分子连，所以水垢难以形成即不能附着在硅胶表面。而不锈钢探头同样能够准确的感受水位，能保证传感器正常的工作，水垢问题解决了。
四：抗干扰问题：
当今社会信息纵横，高压线、低压线、信号塔等电磁干扰源更是多的令人难以想象，这对传感器的信号传输带来很大的影响，以前大多使用电子模拟信号，虽然有滤波电路的保护，但还是不能达到理想的效果。突破这一难题，必须采用数字信号传输，数字信号传输具有抗干扰性强，数据传输准确的优点。将上述多套解决方案组合安装在一起，就组成了新结构的传感器，经过多年的研究和多次的改进，结合了多项专利技术水平，现在皇明公司已经完全成功的研制出了一种新结构的传感器，引领传感器设计潮流，采用新结构、新材料、数字电路，完全能够解决困扰太阳能热水器行业多年的传感器难题，经有关部门检验认可开始准备全面上市，愿此技术能在太阳能热水器的升级换代中发挥作用，能对太阳能的智能化应用有所促进。
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