CN100535612C - 热传导法液位传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种热传导法液位传感器及其测量方法，传感器与单片机组成液位测量仪，或称液位计。它的原理与目前普遍使用的各类液位计不同。它通过对内有电加热器及热电阻组成的全封闭式探头进行通电加热，通过测量热电阻阻值的变化并通过单片机一系列计算来达到测量液位的目的。这就是热传导法液位计的方法及原理。另外，对热传导法液位传感器的结构进行变动，还可以用于容器外进行非接触式测量液位。本发明可应用在工业上、家用上的各个领域，例如普通容器、压力容器、化学反应器、锅炉、贮罐、家用电器等方面，本发明的优点是性价比高、安全性好、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、耐高温高压、耐酸耐碱、全数字自适应控制，适用范围大。

Description

热传导法液位传感器及测量方法

技术领域

本发明属于一种液位测量的传感器，以及利用这种传感器的测量方法。

背景技术

目前普遍用于工业上的液位计有十多种。主要是浮球式压力转换法机械结构的液位计。这种液位计的稳定性、可靠性都不能满足工业自动化的需要，精确度也比较低，长期使用，误差常常为2-5％以上。在工业自动化已经成为当前技术改造的主要目标的今天，迫切需要一种能够与计算机网络相连的、稳定性、可靠性、精确度符合要求的，性价比高的液位计替换老式的机械型液位计。

近年来从国外引进了多种非接触式液位测量仪，利用超声波、雷达、激光、磁致伸缩等原理的液位计。量程大、精度高、应用面宽是它们的优点，但也有结构复杂、价格高的问题。

国内近年发明的一种外置式智能报警超声液位开关仍不能在普遍意义上替换机械浮球式液位计。

业内专家指出，液位测量依然是令人头痛的。

在我国存在着大量的大中小流程企业，大量的自来水、污水处理系统。这些行业普遍需要一种数字式的能够与计算机网络相连的、稳定性、可靠性、精确度符合要求、价廉物美的液位测量仪。在家用方面，随着电子技术日益渗透到家电中，洗衣机、洗碗机、太阳能热水器同样需要数字式的简易液位传感器。

本发明由单片机进行控制，输出全数字化，在能够与计算机网络相连、长时间稳定性、可靠性、精确度符合要求等几方面超过浮球式压力转换法机械结构的液位计。性价比明显好于某些进口的机械结构的浮球式的液位计，也瞄准某些进口的先进的(例如超声波、雷达、磁致伸缩)液位计，某些指标应达到这些液位计的水平。为我国流程工业的液位计选择增添新的品种。

在家用上，也给洗衣机、洗碗机、太阳能热水器的液位控制电子化提供一个良好的选择。

发明内容

一、热传导法液位变送器探头的基本结构

本文所述的变送器、探头、传感器，在工业自动控制领域，并没有实质性的区别，本文在叙述过程中也不加以严格区分。

一种内置式热传导法液位传感器，由铂电阻或热敏电阻、电热丝或PTC等电热器件及壳体组成，其特征是在壳体内通过绝缘层密封电热器，在壳体内还密封着感温电阻，电热器和感温电阻由隔热材料隔开，壳体安装在安装座上。如图1所示。将探头在两种情况下(浸入液体和离开液体)加热，通过铂电阻(或热敏电阻)对两种情况分别测其温度，可知温差极大，原理性实验见图7。如果将探头放进容器的液面上加热，交流电使探头内电热丝的温度迅速升高，再将液位升高越过探头，液体的传热使探头的温度迅速下降。这个现象表明，可以通过对探头的温度监控来判断液位的升降。

由于液位并非突变，进一步的研究表明，划小时间区间，采用探头局部温度升降的速率来进行监测可以提高探头对于液位变化进行监测的灵敏度。

另外，由电恒热源、铜基座传热板、一组铂电阻组成，其特征是电恒热源设置在铜基座传热板的一端，在铜基座传热板体上间隔布置着铂电阻的外置式热传导法液位传感器(见图15)，可进行外置式热传导法液位测量。

探头安装在探头座上的角度为垂直安装或斜角安装。

由于探头的密封性及金属材料(通常为不锈钢)的耐高温、耐腐蚀性，它可以用于高温高压及有腐蚀性液体的场合。

附图说明

图1是热传导式液位探头的结构图，名称及序号：探头1、电热丝2、隔热材料3、铂电阻4、精密直流电压线5、24-220V交流电线6、信号线7、信号地线8、探头座9、铜导热内套10、分压电阻11、探头外壳12、绝缘层13；

图2是探头升温曲线示意图；

图3是探头降温曲线示意图；

图4是探头升温期间遇水的降温曲线示意图；

图5是探头降温期间遇水的降温曲线示意图；

图6是探头间断加热温度曲线示意图(基础温差法)；

图7是热传导法液位变送器基本原理实验图(牛顿冷却定律实验)，其中(a)表示探头的结构图，电热丝2、探头外壳12，(b)表示探头未进入水中，容器14、水面15，(c)表示探头短时间进入水中时的位置并保持加热状态，(d)表示探头已离开水中时的位置及温度迅速回升；

图8是带高高位报警探头的探头座示意图：高高位探头16、高位探头17、探头座18、液位控制探头19、低位探头20；

图9是超高容器分段安装探头示意图：上液位探头座21、上液位22、容器23、下液位探头座24、下液位25；

图10是错位并置式高压容器液位测量探头座示意图：高位探头座26、低位探头座27、下错位线28、探头29、上错位线30、组合探头座31；

图11是内置外置混合式探头座示意图：探头32、内置探头座33、液位连续可测区34、外置铜基座35、电热管36；

图12是计量容器的探头位置安装示意图：探头37、下液位38、计量高度39、上液位40、探头座41；

图13是高精度液体计量伺服探头热传导法液位仪示意图：定滑轮42、固定校正棒43、容器44、液体45、重锤46、探头座47、步进电机驱动线48、液位仪49、电缆轮50、电缆51、校准信号线52、钢索及钢索轮53；

图14是非接触式热传导法液位测量实验示意图：铜连接座54、镀锌铁管55、堵头56、水桶57、自来水58、液面59、开水60、电热管61、铁皮罐62；

图15是外置式热传导法液位探测器探头座示意图：电热管63、线缆护管64、铜基座延伸板65、铂电阻66、铜导热芯67、铜基座68；

图16是用于家电的三探头座示意图：探头座69、下限报警探头70、液位控制探头71、上限报警探头72；

图17是单片机与探头的连接线路示意图：探头电热丝区73、连接电缆74、单片机75、隔离放大器76、信号地线77、可控硅78、探头热电阻区79、信号线80至隔离放大器76、高精度电源(供铂电阻用)82；

图18是伺服式液位测量原理实验示意图(精确测量的内置式探头热传导法实验示意图)：a为探头轻触液面，b为探头进入液面，探头83、探头座84、液位85。

二、热传导法液位变送器原理

通常使用的是内置式热传导法液位变送器，它的灵敏度较高。它利用的是由电热器产生的温差在热电阻上的变化相对时间的变化率来判断液位的状况，也就是热速率。例如在25℃的环境时，热敏电阻为100KΩ。温差从30℃变为40℃，阻值的变化为27.63KΩ；温差从100℃变为110℃，阻值的变化为1.16KΩ。当我们将温差变化与相应的变化时间相比，就可得到相应的变化率，我们称之为热速率。我们用单片机对探头内热电阻的电压变化采样，并记录发生变化的时间区间，经过计算可得到其热速率。例如：在20秒内产生10℃的温差，则热速率为0.5℃/秒，(计算公式＝ΔT/Δt，其中ΔT为温差，Δt为区间时间差)。经过实验，在常温常压的条件下，温差达到35℃～40℃比较合适。这个温差可以弥补热传导法的时间常数较大的缺点。

当有液体浸没探头，温差就会极小，计算得到的热速率也极小。反之热速率则极大。这两个速率存在着极大的不同，代表着液位未到及液位已过这两种极端。以上对这两种极端状况的分析就是静态的分析。

由此可见，当我们对一个由电热丝及感温元件的探头(由不锈钢外壳对其密封保护并传导热量)加热使其保持一定的温差，在没有液体的情况下，其温度变化很小；使液体对其浸没，其温度变化很大。这种方法可以用来判断液位是否存在，实验见图7。这种方法称为非恒温式内置式探头热传导法。

然而在工业上液位一般是不会突变的。因此我们要做动态分析。

对电热器加热使探头温度上升，经过短暂的一段时间，从起始点达到温差梯度的顶点，见图2。停止加热后，探头温度下降，回到起始点，同样有一个温差梯度，见图3。在上升时间与下降时间相同时我们可以看作上升温差与下降温差是同等的。对于上升温差，我们再分两种情况进行分析。当液位未到，它的上升速率与静态时的速率一致。如果在探头温度上升期间，受到液位的影响而下降，也就是说液位已到，探头温度就会停止上升，反而会迅速下降，由于液体的热容量比较大，在温差大的条件下，会对探头的金属壳体产生快速的降温效应。下降的速率取决于液位影响的程度，见图4。

实际上，我们为了维持一定的灵敏度，应采取提高基础温差的办法。(基础温差就是热传导法液位计探头加热的最低温差值。有了基础温差就可以提高灵敏度等性能，在常温常压下可定为+20℃)。不必如图4的曲线关系，而只要降温达到基础温差点时，即开始重新加热，可得探头温差对于时间的曲线关系如下，见图6(示意图)。

图6展示了本内置式液位变送器探头在无液位作用下的温差曲线。

我们在探头温度上升期间不断对它进行采样，就可以计算出其热速率，动态地测出是否受到液位上升的影响及影响的程度，从而判断出液位的状态。单片机可以对此准确地进行判断，计算时可设定一个阀值与速率进行比较。

同样，我们也可以在探头温度下降区间进行动态分析，见图5，结论基本一致，仅热速率更大。分析略。

我们用一个实验证明以上的推论。

做一个简单的探头，观察其在水中温度变化的情况。实验如图7所示。

图7中(a)为结构图

图7中(b)表示探头未进入水中时，加热温差至40℃。

图7中(c)表示探头短时间进入水中时的位置并保持加热状态。

图7中(d)表示探头已离开水中时的位置及温度迅速回升。

这个实验表明在连续加热的条件下，水可使探头迅速降温。在仍有20℃的温差时离开水面，仅几秒钟，探头温差又恢复至40℃。这表明，气体与液体的热导率相差极大；还表明在有一定的基础温差时(也就意味着有一定的热容量时)，在电加热器的作用下，温差迅速变大，传热的速率就更大。为探头提供了足够的灵敏度。

由于工业上的液位不会突变，而对液位的精确度又有一定的要求，但探头的直径往往大于液面的控制精度。我们将对探头温度采样的时间区间划小，使探头的一部分在这个微小的时间区间内就能感触到液体的降温作用，从而作出液位已到的判断。这就是内置式探头热传导法用于精确测量的方法，是由动态分析得出的结论，实验见图18。图18中a图表示探头底面与液面的接触距离为S，此前探头的温度对于液面有40℃恒定的温差。轻触液面5秒钟后，对探头温度采样，温度有所下降，但不明显，说明热速率变化不大。b图表示探头进一步深入液面之下ΔS深度。对探头温度再次采样，在相同时间内温度下降达10℃以上，这说明探头已测得液位的存在。而工业上的液位在5秒钟内变化1mm的情况是很少的。

以上推论也证明了牛顿冷却定律说明的传热量与热容量、热导率、传热面积、温差有关的正确性。

牛顿冷却定律公式：

流体加热时：d Q＝h·d A(tw-t)

流体冷却时：d Q＝h·d A(t-tw)

式中：d A为微元传热面积，单位为平方米；d Q为通过传热面积dA的局部热流量，单位为W；t为任一截面热或冷流体的温度，单位为℃；tw为任一截面处传热壁的温度，单位为℃；h为比例系数，称为对流表面传热系数或传热系数，单位为W·m-2·℃-1(-2，-1均为上标)。

上式引自(邹华生、钟理、伍钦主编的《流体力学与传热》P153页，华南理工大学出版社出版)。

本文引用时，由于对探头加热，应采用流体加热时的公式，可以解释为tw为高温端温度，t为低温端温度，d A为探头与液体传热的接触面的面积微元，h为探头内传热介质的综合热导率，d Q是传热接触面的热流量微元。

现代热传导理论告诉我们，当传热的热阻一定时温差越大，热速率就越大。

必须有足够大的热速率才能使单片机分辨出热速率是否受到液体的影响。足够大的热速率来自于足够大的热流量。在热阻不变的的条件下，增大热流量可以提高温差，从而使单位时间内的热速率提高。

上述理论可以用公式表示如下：

一维热传导公式：

上述公式为稳态时，一维平壁热传导的积分式。λm是t1、t2的算术平均值计算得出的。也可使用平均导热系数λm＝0.5(λ1+λ2)求得。由上式可知，热流量类似于电学中的欧姆定律，表达为推动力除以阻力的形式，热传导推动力为传热温差，热阻为b/(λm·A)。化工过程的传递速率均可表示为推动力除以阻力的形式。引自(邹华生、钟理、伍钦主编的《流体力学与传热》P146页，华南理工大学出版社出版)。

式中b为传热壁的壁厚，λm为传热介质的综合热导率，A为传热面积。

一句话，提高温差就可以提高热速率。从实际来看，我们没有必要无限提高温差，仅仅满足工程上的需要就可以了。达到这个温差，单片机就能够正确地进行判断，也可以提高器件的使用寿命。这个温差点，我们称之为基础温差。

在这个温差点上，我们继续加热，就会产生我们所需要的上升温差；停止加热，就会产生我们所需要的下降温差。

基础温差的选择根据不同的情况在20℃-40℃之间即可。

如何利用这个结论，是本发明软件控制的重要的理论基础，通过对热速率的监测来判断液位的状态是本液位仪软件编制的依据。对铂电阻的温差的测量需要一定的时间间隔，这个时间间隔越短，而温差值越大，测定的热速率就越大，也就越有利于判断液位对正常传热的影响，从而提高灵敏度、分辨率、抗干扰能力。

在热流量一定的条件下，热阻的特点是温差越大，热阻越大。但是温差太小，热速率也小，影响单片机的分辨率，易造成误判。

我们将热阻分为两部分，也就是将温差分为两部分，一部分供上升温区使用，一部分供下降温区使用，相对来说既保留了温差大的优点，又避免了热阻的增大，从而达到了提高热速率(相当于提高了一倍的热速率)，提高灵敏度的目的。这时的温差的中部就是我们所需要的基础温差。基础温差的确定还要有满足分辨率、抗干扰性能的前提。工程上的应用可以通过实验得出这个基础温差。

实验指出，对于20W的电加热器在薄壳探头内的基础温差为温差+20℃(常温)。

实际上，容器内的液温和气温是会随着时间而变化的一个量，因此基础温差也必须随着液温的升降而同步变化。通过定时对液温采样，再通过单片机对电加热器的调节，维持基础温差相对于液温的恒定性。才能保持探头的灵敏度。

由于工业上的液位不会突变，而对液位的精确度又有一定的要求，但探头的直径往往大于液面的控制精度。

当我们对一个由电热丝及感温元件组成的探头(由不锈钢外壳对其密封保护并传导热量，如图1)通电加热，使探头对于液温有一个基本恒定的温差，在这个前提之下，虽然探头直径大于液位的控制精度，但并不意味着测量精度不能小于探头直径。

内置式热传导法液位传感器探头的测量方法：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

否则就是干扰。

利用阀值，单片机可检验探头是否具备足够的灵敏度。

利用阀值，单片机可判断液位是否到达。

利用相邻的一个或多个热速率，可以提高液位计的判断准确性或者可用于筛选干扰因素(即可选相邻的两个或更多个区间的热速率值。)

基础温差指的是探头相对液体的最小温差。单片机能分辨出来的相邻区间的热速率的最低值，要受到基础温差的制约，提高基础温差值可以明显地提高液位测量的灵敏度、分辨率、抗干扰能力。

当探头长期使用受污垢影响时，要对基础温差值进行校正。(校正由软件自动进行)

利用这个方法，可以制成高分辨率的液位测量仪器。

这种方法通常用来测定精确的液位，例如化学反应器、普通容器、压力容器、贮罐，利用内置式探头耐酸、耐碱、耐高温的特性，可以解决恶劣环境下的精确测量液位的问题。

三、热传导法液位变送器探头座的结构和使用

实验表明，探头降温的速率与液位的波动程度对探头的影响关系很大，而不是突变的，有一个滞后时间，我们称之为时间常数。我们维持的基础温差为+20℃，终温温差为+40℃，在这个温度区间内，时间常数仅为数秒，因此，灵敏度是很高的。

我们只要监测到热速率的剧烈变动，就可以判断为液面已到达液位控制线。而不必等温差消失才作此判断。这样，就可以在维持一定的基础温差条件下，保持对于液位测量的灵敏度。

也许有人会担心这种方法的电费会很高。我们对一个普通的这种探头在常温常压下进行长时间不间断高精度测量的用电量进行过测算，加热功率为20W，每天24小时仅消耗1度多电量。用在家电上以小时来计，每小时不过几分钱的电费(每度电费0.7元)，完全可以接受。而且在许多情况下，被测液体本身需要加热，本探头置于容器内，使用的电能并不会白白消耗。电能的消耗量以实际产品为准)。

这种内置式探头一般一个就可胜任一个液位控制线的测控。但实际上对探头的要求还要担当预警和报警的任务，在不同的场合，探头的数量是不一样的，但探头处于容器中是密封状态，各探头与外界相连就要有一个管道，我们称之为探头座。为了叙述方便，按不同的应用场合分为：单探头座、双探头座、三探头座、四探头座、多探头座、活动探头座、分段探头座、机动探头座、错位探头座、伺服探头座等：

A.单探头座仅有一个探头固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变；

B.双探头座的两个探头并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变(如图10、图12所示)；

C.三探头座的三个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变(如图16所示)；

D.四探头座四个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变(如图8所示)；

E.多探头座各探头并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变；

F.活动探头座通过固定在容器顶部的动密封装置及锁紧装置，使探头座在一定的垂直距离上下移动，其特征是探头与容器之间的位置可以调节；

G.分段探头座：在容器内设置两组探头，其中一组为上液位探头，另一组为下液位探头，将这两组的探头座按照液位控制线上下分置在容器内，其特征是探头座之间没有关联，且两探头座分别与容器之间的位置固定不变(如图9所示)；

H.机动探头座：在一定距离内，设置两个探头，测一下这两个探头之间液位上升的速率，便可估算出液位到达下一个液位的时间，其特征是探头不在液位控制线上且与容器之间的位置固定不变；

I.错位探头座：在容器内设置两组探头，其中一组为主控探头，另一组为辅助探头，其特征是两组探头的水平位置有一个固定的偏差，形成错位状态，当液位变化还未完全覆盖辅助探头灵敏区时，同时会对主控探头(此探头作为液位实际控制探头)产生影响(如图10所示)；

J.伺服探头座：将探头座的下端连接一个重锤，上端通过钢丝绳与步进电机伺服机构相连，其特征是探头可在容器内上下自由移动(如图13所示)。

这些探头具有耐酸耐碱，耐高温高压的共同特点。

外置式热传导法液位传感器，由电恒热源、铜基座传热板、一组铂电阻组成，其特征是电恒热源设置在铜基座传热板的一端，在铜基座传热板体上间隔布置着铂电阻。这是外置式热传导法液位传感器探头座(如图15所示)。

混合式探头座，见图11。混合式探头座将内置、外置两种探头座的优点结合起来，适合在化学实验装置上使用，它具有耐酸耐碱，耐高温高压的性能。它的优点是无需挪动探杆的位置，仅通过软件的调试，结合标准液位计的标定，即能够完成新的液位的设定。适用于小范围频繁变动液位控制线的工业试验场合。

探头座的组合应用并非如上所述固定不变，而是可以根据实际情况和需要进行定义和选择。总之，探头座的形式多种多样，如何选择如何应用根据实际情况来做决定。

当这个探头做得很小(目前的技术可以做到外径在6mm以下)，我们就可以判断出比6mm小的多的液位变化(液位线在探头底部向上1mm处)。这种液位变送器的精度可达±3mm，如果液面波动极小，液位测量精度还可以更高，可达±1.5mm。对于相对静止液位的测量精度可达±1mm。这里的计算不是以百分数法，而是一种绝对误差，无论液位是50cm，还是5m，10m，甚至是50m，它都可以达到这个精度，因此液位差小时精度就低，液位差大时精度就高，是本液位变送器的一大特点。

上述探头座(不包括错位探头座和外置式热传导法液位计探头座)，一般只能适应压强为1Mpa至10Mpa，温度在5℃-150℃以下的液体。高温高压时应采用钛合金或其他合金做探头外壳，及对探头外壳进行涂料处理，对于不同的应用场合对探头的材质应进行选配，以又薄又耐用不易沾污为好，一般情况通用不锈钢。工业上应采用铂电阻作感温元件。

四、热传导法液位变送器在锅炉系统中的应用

四探头座四个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变，四探头座可用于工业上高温高压场合，如锅炉等，它具有耐酸耐碱，耐高温高压的性能，见图8。

由于锅炉水位没有精确计量的要求，本探头为节省能源及消除水垢影响，使用了非恒温式内置式探头热传导法。当我们对一个由电热丝及感温元件的探头(由不锈钢外壳对其密封保护并传导热量)加热使其保持一定的温差，在没有液体的情况下，其温度变化很小；使液体对其浸没，其温度变化很大。这种方法可以用来判断液位是否存在，实验见图7。这种方法称为非恒温式内置式探头热传导法。

四探头座的任一个探头进行液位监测的过程是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线(见图6)；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

这种方法具有节能和抗水垢的特点。

这种方法通常用来测定不太精确的液位，例如锅炉、水池、水塔、太阳能热水器、洗衣机、洗碗机等的水位。

需要说明的是，并非四个探头同时工作，而是由单片机根据实际情况作决定。一般同时工作的不超过两个。

下面谈一下水垢问题。

水垢是锅炉，特别是没有软化水处理装置的小锅炉的不可忽视的问题，水垢的热导率系数很低，仅为钢材的几十分之一(估计值)，它使锅炉消耗的燃料大大增加，还导致了一些机械式的液位计失灵。以目前的技术还不能完全消除水垢的影响。因此，我们要对水垢的影响给出我们的措施。

水垢导致传热的时滞加大，导致探头的热速率降低，也就是探头的灵敏度降低，这就会造成测量的误差。由于我们测温只是手段，目的是根据热速率来判断液位。需要采取可消除这种误差的措施。

分析这种情况，我们可以采取一种随机测试，跟进变温的方法，就可以克服这种情况带来的问题。具体如下：

探头在水位测量中处于完全浸没状态，其原理可以用静态分析的方法。即图7的实验和图6的曲线，在测量前利用单片机计算阀值，当水垢令探头阀值改变时，由单片机增加探头电热丝的加热时间，使新的阀值接近初始阀值，新的阀值保证了探头的长久如新的灵敏度。

这种决定热量的参数设置操作，一般是每天进行一次，而结垢是不可能在一天内突变的。

除了软件的解决办法外，可以选择一些抗水垢不锈钢材料做探头壳，还可对探头材料进行特殊处理，例如用“特富隆”这类涂层或其它材料涂覆或电镀镍、铬在探头表面，使结垢速率大大降低。

随着长时间的使用，水垢的厚度会严重地影响水位的测量(探头加热的时间太长)时，就要对水垢进行清理(一般可以和锅炉清水垢同时进行)。这个周期是很长的，因为我们的用料是耐水垢的不锈钢，而一般锅炉容器材料必先严重结垢。由于探头完全密封，可以与锅炉容器同时用酸液清洗。这也是区别于其它液位变送器的一大优点。酸液清洗使探头恢复其初始状态，软件也将自动调整参数。这意味着维护不需要拆除探头，使这种探头具有极大的实用价值。

本液位变送器由于使用了这种方法而成为一种自适应的变送器，也可以说，本变送器基本上智能化地解决了水垢对探头灵敏度影响的问题。

五、热传导法液位变送器在化学反应器中的应用

四探头座四个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变，四探头座可用于工业上高温高压场合，例如各种化学反应器，它具有耐酸耐碱，耐高温高压的性能，见图8。当然也可以根据实际情况采用多探头座。

四探头座的任一个探头进行液位监测的过程是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线(见图6)；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

需要说明的是，并非四个探头同时工作，而是由单片机根据实际情况作决定。一般同时工作的不超过两个。

由于工业上的液位不会突变，而对液位的精确度又有一定的要求，但探头的直径往往大于液面的控制精度。我们将对探头温度采样的时间区间划小，使探头的一部分在这个微小的时间区间内就能感触到液体的降温作用，从而作出液位已到的判断。这就是内置式探头热传导法用于精确测量的方法，是由动态分析得出的结论，实验见图18。图18中a图表示探头底面与液面的接触距离为S，此前探头的温度对于液面有40℃恒定的温差。轻触液面5秒钟后，对探头温度采样，温度有所下降，但不明显，说明热速率变化不大。b图表示探头进一步深入液面之下ΔS深度。对探头温度再次采样，在相同时间内温度下降达10℃以上，这说明探头已测得液位的存在。

这个方法使用了恒定的基础温差和热速率来进行液位测量，称为内置式热传导法液位传感器探头的测量方法。

由于化学反应器通常有几种物料需要混合，为了精确测量，本探头使用了内置式热传导法液位传感器探头的测量方法。基础温差根据实际情况在20℃-40℃之间选择。以测量误差最小、最经久耐用为准。

当这种探头用于化学反应器时，由于探头的全密封、无动作部件和耐高温高压，耐酸碱等腐蚀性液体，再加上它可以在容器内全密封地长期无故障地进行测量的优点，尤显合适。

不过由于各反应器的反应温区不一致，也有必要采用自适应的办法。因此会对本变送器提出更高的要求。由于反应器内不同的介质在不同的温度压强下热导率发生非线性变化的可能性大大增加，同时，长时间使用，也会在探头表面积淀污垢，有可能影响基础温差。自适应的方法就是用当前的数据与最初的原始数据对比，依据原始数据修改新的数据，实际措施就是确定新的加热时间，使温差保持在35℃～40℃(根据实际情况决定)，这样一来探头就会有足够的灵敏度。单片机对这种情况的处理与用于锅炉上相同，区别是在这里修改更频繁。这个工作由单片机自动进行。

六、热传导法液位变送器在液体计量中的应用

我们采用双探头座用于工业上大容量容器的计量，双探头座的两个探头并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变。

重复做图7的实验表明，当两个探头的参数完全一致时，液位对探头的降温作用也完全一致。我们令液位对上下两个探头的浸渍位置相同(此时探头与液温仍应有20℃左右的温差)，如图12所示：

由此可见，液体从上液位下降至下液位之间的长度能够由精确的探头间的距离确定，可以按需定制。如果容器的形状很规范，就能达到对液体进行准确计量的目的。

双探头座的任一个探头进行液位监测的过程是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线(见图6)；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

由于工业上的液位不会突变，而对液位的精确度又有一定的要求，但探头的直径往往大于液面的控制精度。我们将对探头温度采样的时间区间划小，使探头的一部分在这个微小的时间区间内就能感触到液体的降温作用，从而作出液位已到的判断。这就是内置式探头热传导法用于精确测量的方法，是由动态分析得出的结论，实验见图18。图18中a图表示探头底面与液面的接触距离为S，此前探头的温度对于液面有40℃恒定的温差。轻触液面5秒钟后，对探头温度采样，温度有所下降，但不明显，说明热速率变化不大。b图表示探头进一步深入液面之下ΔS深度。对探头温度再次采样，在相同时间内温度下降达10℃以上，这说明探头已测得液位的存在。

这个方法使用了恒定的基础温差和热速率来进行液位测量，称为内置式热传导法液位传感器探头的测量方法。

为了精确计量，本探头使用了内置式热传导法液位传感器探头的测量方法。基础温差根据实际情况在20℃-40℃之间选择。以计量误差最小、最经久耐用为准。

除此以外，要对进料泵实行变频控制，以便准确进入上液位线。向外排出液体时，又要求在接近下液位线时，控制电磁阀的开度，使液位缓慢下降到下液位线。目前，单片机已能进行变频控制和调节电磁阀，是成熟技术。而在进入上液位线和下液位线时，探头都可以通过监测热速率来将液位信息及时送到上位机，使上位机及时调控进料泵和电磁阀。最终达到对液体流出计量的目的。

上液位和下液位之间的距离越大，计量的精确度就越高。当高度在3米以上，探头的控制精度为1mm时，计量误差不超过0.05％。对于直径大的贮罐尤为明显。那么，本变送器探头是否可以达到1mm的测量精度呢？如果液面明显波动或荡漾，必然达不到。然而液面缓慢升降时不会产生超过0.5mm的波动(前提条件是液面缓慢升降，特别是接近上下液位控制线时。要达此目的只需略微延长进料出料的时间)。有了这个前提计量精度就可以控制在1mm，计量误差不超过0.05％。

这种计量方法适合于装车外运，也可以用于来料计量。但对容器的形状要求比较严格，否则误差会加大。

若某容器以计量为主要用途，形状却又不太规范，这时就要借助于精密的其它流量计来标定(或其他方式)。

对于铂电阻及精工制作的电加热器来说，重复精度是很高的。为了不影响重复精度，不可用于粘度较高的液体。此种计量方法在某些场合可取代流量计，降低成本。特别是大量的液体的进出厂的计量。

七、热传导法伺服式液位跟踪仪在贮罐计量中的应用

这里介绍的方法适合贮罐计量，且更具有普遍性。

贮罐计量是石油、化工、食品等行业的重要应用之一。也是各式液位仪器大显身手的场合。贮罐基本上属于常压范围，在这种情况下，计量精度则显得十分重要。浮球式液位仪大量应用在这种场合。

我们采用伺服探头座用于工业上大容量贮罐的计量，它具有耐酸耐碱的性能。伺服探头座的每个探头在这里均为独立工作。

将探头座的下端连接一个重锤，上端通过钢丝绳与步进电机伺服机构相连，其特征是探头可在容器内上下自由移动，这就是伺服探头座。

本发明用可对液面升降随动的伺服探头座代替传统的浮球，可以达到更好的效果。精确度高、可靠性高，适用于粘度低的任何液体。结构简单、免维护、单片机数字式控制。

伺服探头座的任一个探头进行液位监测的过程是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线(见图6)；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

由于工业上的液位不会突变，而对液位的精确度又有一定的要求，但探头的直径往往大于液面的控制精度。我们将对探头温度采样的时间区间划小，使探头的一部分在这个微小的时间区间内就能感触到液体的降温作用，从而作出液位已到的判断。这就是内置式探头热传导法用于精确测量的方法，是由动态分析得出的结论，为了更直观地了解内置式热传导法液位传感器探头是如何用于伺服式液体的计量，我们来看一个实验，实验见图18。图18中a表示探头底面与液面的接触距离为S，此前探头的温度对于液面有40℃恒定的温差。轻触液面5秒钟后，对探头温度采样，温度有所下降，但不明显，说明热速率变化不大。图18中b表示探头进一步深入液面之下ΔS深度。对探头温度再次采样，在相同时间内温度下降达10℃以上，这说明探头已测得液位的存在。

这个方法使用了恒定的基础温差和热速率来进行液位测量，称为内置式热传导法液位传感器探头的测量方法。

根据实验，我们可以看出伺服式液位计的探头运动也存在着同样的现象。详述如下：

探头通过钢丝绳在步进电机驱动下降的过程中轻触液面，如图18中a所示。液面的波动会引起探头温度的降低，但不明显，因为接触面小，且有波动。当探头继续向下降ΔS的距离，如图18中b所示。探头温度受到液位的明显影响，可测得在5秒内温度下降10℃以上。图18a、图18b中探头的连续两次降温一次比一次大，也就是热速率变化相当大，经过阀值的计算就可以定位液位的实际位置。上述过程说明，伺服式探头可大大提高测量的灵敏度。当ΔS为1mm时，实验证明，液面对探头温度的影响在10℃以上，因此液位是完全可以被分辨的。因此更证明了对贮罐的液位测量可精确到1mm。

这个实验以及伺服式探头测量液位的演绎，更进一步证明了内置式热传导法所依据的基础温差和热速率法可以在贮罐计量中达到较高的精度，具备了工程上的实用性。实际应用到不同液体时，须对图18中a的S的值进行测定。

伺服式液位跟踪仪的结构如13图所示：

结构说明：伺服探头座上有三个探头，可以轮换工作，减少污垢对长期使用的精确度的影响。

校正杆用于对探头位置精确度的校正。排除钢索和机械传动结构间隙的影响。采用干簧管或其它器件。

探头的动态位移由步进电机驱动。

校正工作原理：校正杆头部装有干簧管，另一根则装永久磁体。校正杆固定于罐顶上，在安装时确定其精确位置。探头动作前，先进行位置确认校正，由单片机将其参数保存。

正式测液位时，由探头内电加热器对第一探头恒温加热，使其保持对周围环境有35℃-40℃的温差。同时步进电机驱动探头不断向下，直到液位引起探头温差突变。在这个过程中，探头运动速度可快一些，减少等待时间。到达液位时，需经过几次上下振荡，通过单片机的控制才可使探头底部轻触液面。进入液体、离开液体、半浸渍状态、轻触状态的探头热速率是不同的。通过软件进行判断。

探头轻触状态将维持热速率在一个利于分辨的灵敏度，使探头对温度变化的灵敏度最高。以1步/秒，每0.2mm/步来上下移动探头。以2-4秒的时间段来检测探头的热速率(在此期间探头内电加热器始终保持相对探头壳的一定的温差)。并通过软件计算给出反馈信号令步进电机跟进，就可以达到探头跟踪液面升降的目的。单片机根据此期间步进电机正反步进数据加上校正值就可以计算出液面的实际位置。由于是反馈控制，必有一点误差，可用减少移动探头的速率来解决。

误差校正可以每天做一次，防止长期运转造成的累积误差，做到智能化。

各个探头可轮流工作，防止被加热的液体在探头壁上产生污垢，可以做到长期免维护。

八、外置非接触式热传导法液位变送器的原理与应用

外置式热传导法液位变送器所用到的探头与前面所提到的各种探头座有明显的结构上的区别，但它们所用到的基本原理是一样的，都是利用了热传导法，对探头进行加热，没有加热，就无所谓测量，这是本文提到的各种探头的共性。

众所周知，热传递有三种方式：传导、对流、辐射。我们来回顾它的内容。

热总是从高温处往低温处传递。温差越大，导热体热导率越大，热传导越快；热导率对于不同的介质有着极大的不同，铜比铁大几倍，铁比水大几倍，水比气体又大几倍。

热传导仅在相邻介质间进行，当相邻的介质有气体或液体，就会产生对流。被加热的液体或空气或其他蒸汽就会上升，使热交换连续进行。

高温物体会直接向外进行热辐射。

热传递会在物体间温度达到平衡时停止。

我们利用这些基本原理做一个实验，目的是模拟非接触式热传导法液位传感器(外置式热传导法液位变送器)在实际中的应用，从而寻找它的热传导规律。实验所需器材不多，有塑料水桶、铁皮罐、铜水管件一套、镀锌铁管一根(约30cm)、600W电加热器一个、100℃温度计一个。如图14所示：

实验分为两次，第一次取液位在铜水管件以下17cm处，第二次将液位升高7cm，重复再做一次。

实验步骤如下：

1.先将各种器材按图示连接好，将水桶注入水并使液位到达17cm处。

2.将铁皮罐注满水，并通电加热。

3.水沸腾后维持10分钟，使热交换进入稳态(物质的热传导系数与物质的质量的平方、温差成正比，再加上三种热传递方式都需要一定的传递时间)。

4.记录镀锌管垂直各处的温度及其与液面的对应距离。

5.记录液面温、水内温、气温数据。

实验结果：

通过对液面以上各点的温度与其对应的铁管的长度对应点作图并连线，我们发现，在液面以上的10cm区间，温度呈线性变化，温差约7℃。

将液位升高7cm，再次做以上实验，我们再次发现虽然温度均有所下降，温度仍呈线性变化，只是缩短至7cm，温差约8.5℃，可看出斜率发生明显变化。

结果分析：

热传递在开始10分钟呈现复杂变化，多种因素以三种热交换形式交互作用，无规律可言，此后到达稳态。到达稳态后，我们从测得数据可以看出，水桶的水温及恒热源的温度是不变的，一个最低，一个最高，我们将水温称为低温区，将恒热源称为高温区。液面以上有一个7cm-10cm的升温区，温度呈线性变化，称为线性温区。在液面处约1cm上下，温度是不确定的，我们称为不定温区。这4个温区构成了一个完整的整体，尽管有时不定温区小到可以忽略不计，但我们仍将其列入其中，因为这是工程实际必须面对的。以上4个分区及恒热源热传导法就构成了我们这个外置式热传导法液位变送器的液位测量方法。

在这个基础上，重点分析线性温区，得出结论为：当液位发生变化时，线性温区各点温度也会发生变化，建立液面上的距离与温度变化的函数关系，可以看出，这是个线性函数，其斜率将随着液面的变化而变化。根据这个斜率的变化，在斜率与液位关系对照表的指示下，即可确定液位的位置。

线性温区范围的确定，它位于液面1cm以上处(以液面温度微升为准)；高端与低端之间的距离依据现场情况在7cm-17cm之间确定(常温条件下)。

线性温区的使用方法：在选定的线性温区内的某个区段确定4个点，首先是液位控制线，距液位一定距离的下方为液位控制下限，其上一定距离就是液位控制上限，而最高位为超限报警位。具体位置由实际情况分析而定。

我们不仅对线性温区采样控制，作为配套，还需对恒热源、液位上方空气区、液面、液下进行温度采样。

恒热源是一个可由单片机控制的电热装置，发热量根据现场条件(如金属容器的壁厚、铜基座的热容量、线性温区的长短、现场温度的大小)而确定，并保持对液位上方空气区温度有一个恒定温差。

在工程现场内，上述所有器件，都必须隔热处理，特别是隔绝外界气温的影响。

依据实验结果导出的方法，可制作出在某些特殊场合使用的液位变送器。

实验确定的线性温区可为我们解决工程上的一部分实际问题。我们可以利用铂电阻准确地记录下其变化情况并利用单片机来建立对应的斜率并分析其与液面的关系，从而确定液位。

液面上升会引起线性温区各点温度的下降，并且会令线性度变陡，进入高温差区。换句话说，斜率会出现变化，且液位变化越大，斜率变化也会越大。这就是在线性温区内液位与斜率之间的关系。

上述试验是在完全暴露于空气中，并令水的热容量远大于镀锌铁管的条件下进行的，并且液面平稳。实际情况会复杂的多。特别一些反应器内的温度剧烈变化的同时，液位也在变化，用这种方法显然是不行的，因为热传导需要一个滞后的时间。总之，我们是利用温度的变化来测算液位，如果容器内的温度变化速率无法操控，是一个变量，就不能用这种方法。

由这个实验我们可以导出，当恒热源安置在容器外液位上方，它发出的热量就能在它与液位之间形成一个线性温区。我们在容器外的线性温区设置一串铂电阻，当液位发生变化时，线性温区的温度也会发生变化，通过铂电阻串可以监视温度的变化，从而可以计算出其斜率的变化情况，继而确定液位。

干扰因素分析：环境温度的变化也会使线性温区的温度发生变化，但同时它也会引起整个容器顶部金属层、空气层温度发生大范围变化(而液位的变化不会引起相应的变化)，空气的热导率比起液体及金属材料来要小得多，在实际中它的热容量比起液体及金属材料来也要小得多。而且由于这个变化率不大，同时气体与液面大面积交换热量，因此这个变化是非常缓慢的。通过相应各点的温度采样，可以分辨出这个因素的影响，可以用校正系数将其过滤，可以使恒热源快速地跟踪这个变化。同样道理，容器顶部的金属受外界环境的影响而温度发生变化，它的影响也是全面的、可以分辨的，环境因素引起容器上部温度的变化率在短时间内始终会远低于恒热源产生的温差梯度。恒热源产生的温差梯度远大于这些因素的影响，只要恒热源产生的温差梯度不变，热量从高温处向低温处所形成的热流方向就不变。相反，液面波动相对这些因素令线性温区更敏感，只要通过软件使恒热源快速地跟踪干扰，就可以保持线性温区的稳定，保持有足够的线性温区对液面变化的跟踪。从而保持相对的灵敏度。

当我们对现场容器采用此种方法测量液位时，我们还需要用精密的标准的液位计来进行标定。并定期校准。

另外我们看一下不定温区。不定温区是指液面上下±1cm范围的温度。现场实际往往不是一个没有波动的液面，而且恒热源长时间工作也会造成液面升温，只要我们将它判别出来，就不会影响我们对液位的判断。因为我们所指的线性温区是由5-10个以上铂电阻指示的，液位上下±1cm范围的温度如果被判断出与线性区有矛盾，我们就将它列入不定温区。同时，判断斜率是否发生变化，就可确定液位的状况了。这一切都可以由软件自动完成。

恒热源问题。恒热源的理论依据来自强制传热法。恒热源可提供一个稳定的线性温区，条件是它必须随着容器内空气区的温度的变化而变化。这个变化可能是环境气温的影响，也可能是容器内物料的化学反应所至，还可能包括其它能量转化而成的热量对壁温的影响。恒热源对温度的变化通常应该跟随，始终间接保持对容器内空气区的不变的温度梯度。由单片机根据实际情况自动进行。只要有了稳定的线性温区，就可以可靠地判断液位变化的情况。

恒热源降低温度梯度后依然可以维持一个稳定的线性温区，只是会影响到测量的灵敏度。但我们可以利用这一点降低能耗，某些场合并不需要连续测液位。

以上我们说明的是外置式热传导法液位变送器原理，下面我们说明实现它的方法。

首先我们采用外置式热传导法液位传感器，由电恒热源、铜基座传热板、一组铂电阻组成，其特征是电恒热源设置在铜基座传热板的一端，在铜基座传热板体上间隔布置着铂电阻。如图15所示：

变送器的功能是数据采集，归结为一次仪表。单片机处理的是变送器采集来的各种数据，归结为二次仪表。通过传输线及电线连接。

补充一点：铜基座板与容器表面应尽量吻合，底部弧度应与容器表面弧度一致。减少热阻，利于传热。铜基座传热板的厚度、宽度、长度需要根据璧厚及容器内部温度、生产的需要决定，一般可取1cm以下。

工作流程：我们用单片机来实现对温度的采集和对恒热源的控制以及液位状态信息的传输。首先将恒热源加热并使其进入稳定状态。将铂电阻传来的随温度变化的电信号直接送入二次仪表的隔离放大器输入端。经过多路开关选通、A/D转换器变换、单片机处理后，从而得到液位数据，它可以直观地在显示屏上观察液位的现状，也可以将液位信息通过RS-232或RS-485标准接口经过网络送入上位机。上位机对液位信息处理后，可得到液面距控制线的偏差情况，再进行控制。还可以以单片机为控制中心控制阀门的开度、泵类的开停、容器的电加热器等而形成一个独立的控制系统。

这种变送器的优点是可以用在工业上一些环境比较恶劣的场合，其余优缺点在本节尾部说明。

如何将“防爆抗干扰型非接触式热传导法液位变送器”用在生产实际中？下面说明一下注意事项：

1.首先确认现场情况是否适合本仪器。

2.在容器的适当位置安装标准液位传感器探头(非本探头)，并与其配套仪器连接好。

3.再将本变送器探头座(见图15)安装好并与配套仪器连接好。

4.使容器进入正常生产状态，由标准液位仪对其液面的变化进行测试和监控。

5.在标准液位仪正常工作后，再将本变送器投入调试(非监控)，在调试的过程中，要解决恒热源稳定性、线性温区的大小、线性温区的斜率数据、斜率数据与液位的对应关系、不定温区、液位正常变动区、液位非正常变动区、超限报警、液位测量精确度及可靠性、可重复性等问题。以上均可由软件自动进行。

6.经过24小时的并行运行，如无异常，可将本液位变送器独立投入使用。标准液位仪在监控期满后可拆除，一般需保留探头或探头位。以便定期校准。

外置式热传导法液位传感器的安装调试方法，其特征是当外置式热传导法液位传感器安装在容器外壁以后，开始调试的具体步骤如下：

A.首先要建立一个线性温区及维持这个线性温区持续存在，这就是通过调试恒热源---要根据容器的壁厚来进行调试，确定加热功率，并通过单片机观察，使线性温区的工作长度足以满足现场的要求；

B.通过单片机对线性温区建立数学模型(一元一次方程)；

C.通过单片机及标准液位计建立一个有一定分辨率的“液位与斜率对照表”；

D.利用探头座的最靠下一个铂电阻测液温，该铂电阻远离液位控制线，液体对其可形成稳定的温度影响；

E.利用液位控制线下方的较近的铂电阻测温，其数据作为下一步工作的预启动信号；

F.当液位已被确定接近液位控制线时，开始对线性温区内各铂电阻进行扫描温度采样；

G.通过单片机对线性温区的温度数据利用数学模型(一元一次方程)计算斜率；

H.用最新计算出来的斜率数据与“液位与斜率对照表”进行对比，查出液位数据；

I.将此数据在本机显示及向上位机传送或作为控制信号；

J.持续上述过程，直至液位被控。

当以上工作完成以后，即可以正式投入使用，使用方法如下：

A.利用探头座的最靠下一个铂电阻测液温，该铂电阻远离液位控制线，液体对其可形成稳定的温度影响；

B.利用液位控制线下方的较近的铂电阻测温，其数据作为下一步工作的预启动信号；

C.当液位已被确定接近液位控制线时，开始对线性温区内各铂电阻进行扫描温度采样；

D.通过单片机对线性温区的温度数据利用数学模型(一元一次方程)计算斜率；

E.用最新计算出来的斜率数据与“液位与斜率对照表”进行对比，查出液位数据；

F.将此数据在本机显示及向上位机传送或作为控制信号；

G.持续上述过程，直至液位被控。

本液位变送器的缺点是对液位的变化反应不够灵敏，这是由于热传导受热阻的影响在容器壁上有一个滞后的时间。所以不适应液位变化率较高的场合。另外由于恒热源长期维持电加热将增大运行成本，也不适合不需加热的场合(可以断续测液位的情形除外)。利用线性温区的方法在测量范围上的局限较大，只能测小范围液面的变动。

线性温区的大小决定了液位变化可控的范围，增大恒热源的温度可以加大线性温区的长度，但也会造成更大的非线性温区，引起热辐射、对流的加剧，增大使用成本，所以对线性温区加大是有限制的。

尽管有这么多的缺陷，但由于它不与液体接触，长期工作可靠性好，稳定性较高，抗干扰能力强(特别是不受压力变化的影响-在容器内一切能量的转换都会归结为温度的增减)，结构简单，制作容易，无机械部件，可被单片机控制，可与中央控制计算机联网，调试与维护简单，不受腐蚀性液体或其他恶劣环境的影响，可以用在常温常压、中温中压和一些高温中压场合，它可以解决一些特殊的需求，性价比较高。它可以用于一些不需要大范围连续性测量液位并且对测量精度要求不太高、其他液位传感器易损坏或费用高昂的场合。

化学实验装置时常会要求液面有一定的调节余地，如将探头位固定，无法达到这种效果。根据内置、外置探头座的优点，将它们组合起来，形成混合式探头座，可以有8cm-15cm的调节范围。可以组成小范围连续测量液位的系统。它的优点是无需挪动探杆的位置，仅通过软件的调试，结合标准液位计的标定，即能够完成新的液位的设定。适用于小范围频繁变动液位控制线的工业试验场合。如图11所示：这是外置式探头座内置以后的又一个新用法。

九、热传导法液位变送器在家电中的应用

三探头座的三个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，其特征是探头与容器之间的位置固定不变，三探头座在家电上可用于太阳能热水器进水的液位监控，在热水器上三探头的作用分别是上限报警位、液位控制、下限报警位。如图16所示：

由于水位没有精确计量的要求，本探头为节省能源及消除水垢影响，使用了非恒温式内置式探头热传导法。当我们对一个由电热丝及感温元件的探头(由不锈钢外壳对其密封保护并传导热量)通电加热使其保持一定的温差，在没有液体的情况下，其温度变化很小；使液体对其浸没，其温度变化很大。这种方法可以用来判断液位是否存在，实验见图7。这种方法称为非恒温式内置式探头热传导法。

三探头座的任一个探头进行液位监测的过程是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线(见图6)；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

对于太阳能热水器这类探头常常处于高温硬水环境下易结垢而影响长期测量稳定性的问题，本液位变送器由于探头全密封、无动作部件而可以采取在探头表面涂敷“特富隆”这一类涂层的措施，效果会更好。当然也可以采用智能式软件处理方法。这种方法是一种随机测试，跟进变温的方法，它可以克服水垢带来的问题。具体如下：

探头在水位测量中处于完全浸没状态，其原理可以用静态分析的方法。即图7的实验和图6的曲线，在测量前利用单片机计算阀值，当水垢令探头阀值改变时，由单片机增加探头电热丝的加热时间，使新的阀值接近初始阀值，新的阀值保证了探头的长久如新的灵敏度。

这种决定热量的参数设置操作，一般可以每天进行一次，由单片机通过软件自动完成。而结垢是不可能在一天内突变的。

对于象洗碗机这类盛水容器小，液位变化速率很大的家电，可以采用简易的双探头座，其探头运作原理与本节“太阳能热水器”是一致的，由软件解决，不再敷述。这是因为家电对液位控制要求不高。

上限报警意味着进液通道不受控，下限报警意味着出液通道不受控。体现了这种液位变送器的良好的综合性能。用简易的方法就可以实现液位监控及故障报警是这种液位变送器的一大优势，大大提高了家电的智能化水平，而实现成本并不高。家电的成本决定了它不可能选择一些高精度的液位测量仪，而且它在家庭环境下无需考虑抗干扰、高精度的问题，探头结构和控制电路都可以简化。而普遍采用的压力转换式液位变送器由于各种原因都难以达到长期无故障(指传感器本身)的目标。本液位变送器原理及结构都证明它可胜任洗衣机、洗碗机、太阳能热水器的需求，它将克服这些家电电子控制化的一个瓶颈，彻底解决机械式液位传感器不耐用的弊病，实现家电液位控制电子化、免维护、高性价比的目标。

十、单片机在热传导法液位测量仪的应用

上面我们说明了内置式热传导法液位变送器的原理以及它在工业上各种条件下的应用方法。尤其是在普通锅炉及一般的化学反应器上所采取的措施，同样适用于其他行业的类似应用。还说明了在家用洗衣机、洗碗机、太阳能热水器的简化用法以及用于计量的两种方法。本液位变送器只能与单片机配套使用，下面概要说明其设计要求。

我们用单片机来实现对探头温度的采集、到判断液位和每一个探头电加热器的控制以及液位状态信息的传输。在贮罐计量中伺服式液位跟踪仪还通过单片机来实现探头座的伺服控制。

变送器的功能是数据采集，并提供铂电阻和电加热器的电源。而各电加热器的控制由二次仪表中单片机决定，归结为一次仪表。

为什么要对电加热器的供电时间进行控制？

维持工作探头(我们将处于工作状态的探头称为工作探头)的基础温差就需要不断测量探头温度、液体温度，并对这两个数值求差，只要差值小于或等于基础温差，就要对工作探头的电加热器进行加热。加热的时间由软件根据实验数据而定。这种加热是快速的，也是间断的，因而是节能的。

是否通电加热还受液位计对某探头的功能的定位。例如，“当前工作探头”是上限探头，则其他探头不一定需要加热，或实施长间隔时间加热。当液位开始下降，“当前工作探头”转移到下限探头，则仅对下限探头进行加热。达到既节能又可监测液位的目的。

通电加热的时间还受到水垢的影响。探头在水位测量中处于完全浸没状态，其原理可以用静态分析的方法。即图7的实验和图6的曲线，在测量前利用单片机计算阀值，当水垢令探头阀值改变时，由单片机增加探头电热丝的加热时间，使新的阀值接近初始阀值，新的阀值保证了探头的长久如新的灵敏度。

二次仪表中的单片机还处理变送器采集来的各种数据，转换成液位状态信号传递给上位机。并接受上位机的控制。二次仪表与上位机之间的传输线为电缆或光纤，信号全部是数字式的。这种实现方案最简，也是通常使用的。

电路结构为：探头为一次仪表的传感器部分，其余电路集中置于二次仪表内。单片机与探头的电路关系示意图见图17：

二次仪表内包括每一个探头电加热器对应的双向可控硅控制电路、高精度电源(供铂电阻用)、铂电阻输入信号线及输出到探头电加热器电源线、多路开关、信号输入隔离放大器、A/D转换器、单片机及周边电子器件、光电耦合编码器、光电信号发射器件、显示屏、控制面板、传输接口器件等。

以上是内置式热传导法液位变送器的与二次仪表组成为热传导法液位测量仪的原理及实现电路的功能、结构。

本液位测量仪除了有采集信号的功能外，还有对各探头的电加热器进行控制的功能，以及其他通常为二次仪表的功能。既接受远程上位机的控制信号，也可以在上位机出现故障的情况下根据手工设定值进行独立测量的智能式液位测量仪。

十一、活动探头杆在灵活变动测量液位中的应用

通常，本发明的探头座通过探杆固定在容器中，液位变化而探头座位置不变。在某些情况下，工艺流程变了，必然要求被控液位发生变化。我们采用活动探头座，通过固定在容器顶部的动密封装置及锁紧装置，使探头座在一定的垂直距离上下移动，其特征是探头与容器之间的位置可以调节。并且不会因此泄漏(在中低压条件下已是成熟技术)。探头依照工况要求在一定的范围内进行位置调节变为可能，大大增加了本液位计的灵活性。它可用于常压中低温的化学反应器中，它与固定探头座的结合可用于容器的精确计量中。

十二、热传导法液位测量仪室外安装的空调机箱

在某些情况下，需要在室外安装热传导法液位测量仪。室外气候环境有风、雨、雪、冰、严寒和高温、雾气、尘埃等不利于电子设备的环境，必须将本液位测量仪置于空调机箱内。空调机箱的设计方案如下：

工作原理：液位测量仪安装在室外，有利于各种信号电缆的缩短，是一个实用的选择。但由于室外环境恶劣，必须置于一个空调机箱内，以确保自身的温湿度等的要求。空调机箱也采用单片机进行控制。空调机箱对温度的控制范围在18℃-28℃之间，对湿度的控制范围在80％以下。在正常环境条件下由通风解决，并具备防雷、防尘措施。

空调机箱的结构：空调机箱由箱体、压缩机、电热管、仪表风扇及相关电路组成。

当液位测量仪安装在室外并要求不间断监测液位时，应取双机自动切换形式。单台机出现故障时自动切换到备份机，同时发出故障报警信号。

对于故障发生时可以停止液位监测的场合，可取消双机备份形式。简化结构。

十三、发明效果

本发明成功地利用了热传导法的原理，使用传统的铂电阻或热敏电阻作为传感器的敏感元件，制作出一种可广泛用于工业、家电等各个领域的新型液位测量仪。这些领域包括普通容器、压力容器、化学反应器、锅炉、贮罐、水塔、水池、洗衣机、洗碗机、太阳能热水器等。它与单片机紧密结合，适应了当前各相关行业的自动化改造热潮，它具有高性价比、抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高、耐高温高压、耐酸碱、自适应调节、适用范围大的优点。对于相关行业进行技术改造自动化改造提供了一个新的选择。

它的测量精度较高，不易受干扰，是本液位变送器、测量仪的一大优点。

它能够用于常温到高温，常压到高压容器中酸碱等腐蚀性液体及其它液体的液位测量。也可用于易燃易爆的场合。它的测量精度在常温常压下可达到±3mm。

它可以应用在多种锅炉中，基本解决了传感器受水垢影响的问题。特别是解除了小型锅炉的后顾之忧，它的可靠性及它的多功能性解除了人们对于压力容器由于传感器失灵而造成事故的隐忧。极其利于普通锅炉的电子化改造，最大限度地减少维护量。

它在液体的计量领域，在精度及量程上(对罐类常压容器)基本达到国外先进的磁致伸缩、超声波、导波雷达、激光类液位计在这类应用的水平。更大大地超过了目前普遍使用的浮子钢带式液位计。

在家电的应用上，它可以使用低成本的简易探头及热敏电阻，以软件的方式实现智能化测控。控制电路也可以简化，目的是降低成本，但并不影响它的长期使用的稳定可靠免维护的优点。它可以以极高的性价比应用到采用单片机控制的洗衣机、洗碗机、太阳能热水器上。尤其是太阳能热水器探头工作环境十分恶劣，温度达100多度，普通探头极易结垢，成为一个老大难问题，采用本发明后，这个问题迎刃而解。

由于它的全密封、无动作部件的优点，它可以在普遍意义上替代传统的机械浮球式液位计用于自动化改造的各种场合，以实用性、安全性、经济性的优势进入相关行业。

非接触式外置热传导法液位测量仪在一般的应用中优势不大，只适合用在一些特殊的场合。它测量灵敏度不高，且需要标定。它的优点是不受容器内极端条件的影响，有自适应功能，在安全要求很高的场合，其它液位计不易适应时，它可以发挥出独特的作用。

本发明的不足是不能在压力容器内大范围连续高精度跟踪液位变化。另外，不适合于粘度高的液体。因此，选用时应加以注意。

尽管如此，它的优势还是很强的，它的优点远大于它的不足。它依然在工业上、市政上、家用上有着广阔的市场。它是一种可用单片机控制的、数字式的、稳定可靠、物美价廉、性价比高的新型液位计。

Claims (2)

1、一种内置式热传导法液位传感器，由铂电阻或热敏电阻(4)、电热丝或PTC电热器件(2)及壳体(12)组成，在壳体内通过绝缘层(13)密封电热器，在壳体内还密封着感温电阻，电热器和感温电阻由隔热材料(3)隔开，壳体安装在安装座(9)上；按应用场合分为：双探头座、三探头座、四探头座、活动探头座、分段探头座、机动探头座、错位探头座、伺服探头座，其特征是：

A.双探头座的两个探头并列固定在探头座上，探头与容器之间的位置固定不变；

B.三探头座的三个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，探头与容器之间的位置固定不变；

C.四探头座四个探头以等距或不等距方式并列固定在探头座上，探头与容器之间的位置固定不变；

D.活动探头座通过固定在容器顶部的动密封装置及锁紧装置，使探头座在一定的垂直距离上下移动，探头与容器之间的位置可以调节；

E.分段探头座：在容器内设置两组探头，其中一组为上液位探头，另一组为下液位探头，将这两组的探头座按照液位控制线上下分置在容器内，探头座之间没有关联，且两探头座分别与容器之间的位置固定不变；

F.机动探头座：在一定距离内，设置两个探头，测一下这两个探头之间液位上升的速率，便可估算出液位到达下一个液位的时间，探头与容器之间的位置固定不变；

G.错位探头座：在容器内设置两组探头，其中一组为主控探头，另一组为辅助探头，两组探头的水平位置有一个固定的偏差，形成错位状态，当液位变化还未完全覆盖辅助探头灵敏区时，同时会对主控探头产生影响；

H.伺服探头座：将探头座的下端连接一个重锤，上端通过钢丝绳与步进电机伺服机构相连，探头可在容器内上下自由移动。

2、根据权利要求1所述的内置式热传导法液位传感器的测量方法，其特征是：

A.由单片机通过探头的铂电阻对容器及液体测温；

B.由单片机根据液体的温度或容器的温度确定基础温差以及对探头电热丝加热时间，并维持探头恒定的或有一定波动的温差曲线；

C.由单片机在一个时间区间内对探头的温差进行连续采样，并按细分的各单位时间区间分别计算出热速率，进行比较，找出最大的热速率，将它定为阀值；

D.使单片机处于对探头的温度连续采样的状态，并将采样结果不断地与阀值进行对比，记录下超过阀值的单位时间区间；

E.单片机将根据已记录的各热速率值进行判断，如果为相邻的单位时间区间连续降温，则证明液位已经到达。

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