CN1621784A - 一种两线制多传感器液位变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两线制多传感器液位变送器，它包括：上部传感器，用于测量液面上方气压值，为绝压传感器；下部传感器，用于测量液态介质内被测点处总压强，为绝压传感器；信号处理装置，对上、下部传感器测量的数据进行处理；上部传感器、下部传感器与信号处理装置相连，下部传感器接线端子处带有密封结构。与传统液位测量装置相比具有无结露、密封性能良好等优点。

Description

一种两线制多传感器液位变送器

技术领域

本发明涉及一种投入式多传感器液位测量装置。

背景技术

传统的液位测量仪是采用带有背压管的单只压差传感器，压差传感器安装在探杆或电缆底部，使用时将传感器投入水中，压差传感器检测液体介质内压力和大气压力，将二者压差值传输给信号处理装置，信号处理装置根据液体压强公式P＝ρgh得出所需液位值。由于这种液位测量仪的使用和安装十分简单方便，因此被广泛地应用于水力、电力、冶金及污水处理等诸多领域。但由于这种液位测量仪在使用时其压差传感器背压管必须与大气连通，因此需要使用带有导气管的电缆与压差传感器进行电气连接，因而存在结露问题：

(1)导气管内常有残存的水蒸气，当温度下降时，这些水蒸气会凝结成水滴，滴落至差压传感器表面，导致差压传感器不能正常工作；

(2)如果导气管内残存的水蒸气比较多，温度下降时，水蒸气凝结成的水滴会积聚在一起形成水柱，这一段水柱的压强会和大气压一起附加在差压传感器的背压侧，导致测量不准。

对此人们采取了许多措施，来解决上述问题，如有的采用高分子筛过滤空气中的水汽，有的在传感器壳内装干燥剂，有的甚至在通气管中充高纯惰性气体，这些方法虽然能在一定程度上缓解结露问题，但存在失效性和不可确定性，不能从根本上解决结露问题。此外，由于不得不使用带有导气管的电缆，在对电缆进行密封锁紧时，如果用力稍大就会挤压导气管，致其不能顺畅的与大气相通，影响测量结果，这样锁紧的力度必须受到控制，但同时，如果锁紧电缆的力太小，电缆的密封就有失效泄漏的问题，传统方法无法解决保护导气管和电缆密封的矛盾。

综上所述，现有各种投入式液位测量仪存在如下缺陷：

1、由于导气电缆中有通气管，因此存在严重的结露问题；

2、由于导气电缆中有通气管，因此限制了密封时的锁紧力度，从而影响了密封效果；

3、由于仅使用一只压差传感器感受压强，因此所测液体介质的密度必须是恒定值，才能准确的测量换算出液体液位值，变送输出，一旦容器中液体密度有所变化，那么变送输出的液位将不再是真实液位，在介质密度不稳定的情况下就不存在测量准确性；

4、由于压差传感器自身的局限性，只能对敞口容器的液位进行测控，测量功能单一。

5、只能被动地测量液压的变化，无法得知液面以上的压强数值及液面下的总压强数值。

以上这些问题长期困扰着各大生产商和广大用户，亟待解决。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种无结露、密封性能良好，且测量范围广、精度高、性能稳定、调节方便的两线制多传感器液位变送器。

为实现上述目的，本发明两线制多传感器液位变送器利用至少两个绝压传感器分别测量液态介质内的压强值及液面上方气压值，然后通过信号处理装置对各传感器的测量值进行处理，得出所需液位值，它包括：

上部传感器，用于测量液面上方气压值，为绝压传感器；

下部传感器，用于测量液态介质内被测点处总压强，为绝压传感器；

信号处理装置，对上、下部传感器测量的数据进行处理；

上部传感器、下部传感器与信号处理装置相连，下部传感器接线端子处带有密封结构。

进一步地，所述下部传感器为两个，测量时位于不同的液位高度。

进一步地，所述下部传感器带有的密封结构包括一壳体，下部传感器固定在该壳体内，其感压面与外界接通，其导线引出部位密封固定。

进一步地，所述密封结构还包括定位件和密封件，下部传感器位于壳体内，由定位件固定，下部传感器及其引出线与壳体之间通过密封件密封固定。

进一步地，所述壳体为圆筒形，包括下部传感器安装段和导线引出段两部分，壳体两端均设置有螺纹，下部传感器安装段的内壁上设置有凸起，锁紧螺母与凸起相配合将下部传感器夹持固定，锁紧螺母上设置有可使下部传感器的感压面与外界连通的通孔，该通孔内可设置有筛网，在下部传感器与壳体之间设置有密封圈；导线引出段的内腔在沿其轴线方向呈 形，包括两个对顶锥面，其中一侧由内密封圈和锁线母压实密封，另一侧由上锁母或由上锁母通过压紧套挤压尾管双锥密封垫密封。

进一步地，所述下部传感器安装段的锁紧螺母上的通孔曲折分叉地与外界连通，可由直接与下部传感器的感压面相连的直孔和与该直孔相垂直的十字交叉孔构成。

进一步地，所述信号处理装置设置在一机壳内，机壳上设置有显示器和输出端口，下部传感器的导线引入机壳与信号处理装置的输入端连接，上部传感器固定在机壳内，其感压面直接或通过管道与外界连通；所述上、下传感器可为86型传感器或1210型传感器

进一步地，测量过程一开始，启动信号处理装置进行系统的初始化；

读取上部传感器的电压信号，上部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值P1；

读取下部传感器的电压信号，下部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值P2；

程序根据测量到的P1、P2以及程序预置的液体密度值ρ和重力加速度值g，计算出液位h；

显示计算出的液位值h和测量到的液面以上的压强P1和液面下被测量点的总压强P2；

程序循环重复上述过程，实时反映液位数值。

进一步地，下部传感器为两个，位于不同高度，测量过程一开始，启动信号处理装置的程序进行系统的初始化；

读取上部传感器的电压信号，上部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值P1；

读取下部传感器的电压信号，其电压信号经A/D转换计算出对应的压强值P2；

读取另一下部传感器的电压信号，其电压信号经A/D转换计算出对应的压强值P2；

程序根据测量到的P2、P3以及程序预置的重力加速度值和下部传感器之间的固定距离h₀，计算出液体介质的密度ρ；

应用上述计算得到的液体介质的密度ρ，结合压强值P3和P1，计算得到液面距离传感器的垂直距离h，即液位值；

程序循环重复上述过程，实时反映液体介质密度和液位数值。

本实用新型将投入式液位测量仪设计成带有上下传感器的结构，上部的传感器专门用来测量液面以上的气压，即大气压或罐压，下部的传感器用来测总压，即大气压或罐压与液压的和，这样就能精确地测出液体介质的差压，且两只传感器均为绝压传感器，没有背压管，无需使用导气电缆与液面上的大气连通，因此与传统液位测量仪器相比具有如下优点：

1、由于电缆中没有通气管，因此不会出现结露问题；

2、由于不受通气管的限制，因此在密封时可加大锁紧力，提高密封性能，多重密封结构使得密封更加可靠；

3、由于采用了绝压传感器，因此不仅可用于敞口容器，还可用于带压容器的液位测量。

4、多个下部传感器可及时感应到被测介质密度的变化，换算变化后的密度可精确得出真实液位。

附图说明

图1为本发明两线制多传感器液位变送器的结构框图；

图2为本发明采用双传感器测量敞口容器液位的原理示意图；

图3为本发明采用双传感器测量密闭容器液位的原理示意图；

图4为本发明采用三只传感器测量液位的原理示意图；

图5为本发明下部传感器的封装示意图；

图6为第一实施例中探测头的外观示意图；

图7为第一实施例中探测头的剖视示意图；

图8为上部机壳的外观示意图；

图9为上部传感器的安装示意图；

图10为采用两只传感器对敞口容器液位进行测量的结构示意图；

图11为采用三只传感器对敞口容器液位进行测量的结构示意图；

图12为采用两只传感器对密闭容器液位进行测量的结构示意图；

图13为采用三只传感器对密闭容器液位进行测量的结构示意图；

图14为本发明采用双传感器测量液位的流程框图；

图15为本发明采用三只传感器测量液位时的流程框图；

图16为上部传感器的第二种安装示意图；

图17为上部传感器的第三种安装示意图；

图18为探测头的导线引出部分仅用尾管双锥密封垫密封的结构示意图；

图19为探测头的导线引出部分用尾管双锥密封垫密封、下部传感器采用带有通孔的螺母定位的结构示意图；

图20为探测头的导线引出部分仅用内密封圈密封的结构示意图；

图21为探测头的导线引出部分仅用锥形密封塞密封的结构示意图；

图22为探测头的筒体采用分段式结构的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明在测量液位时采用两只绝压传感器分别测量液态介质内的压强值及液面上方的大气压值，在液面以上的位置设置一只用于主动测量液面以上大气压值的绝压传感器，在被测点处设置另外一只用于测量液面以下总压强的绝压传感器，即液面以上的压强加上液体压强之和，信号处理装置通过两只绝压传感器测得液面以上的大气压及液面以下的总压强之后，计算总压强与液面以上的大气压的差值ΔP，即液压值，再利用液体压强公式P＝ρgh换算出液位值，然后显示或变送输出。由于在地面处，大气压随着海拔高度的增加略有下降，根据气象方面的数据，在近地面处海拔每增加100米，气压大约下降1000Pa，此气压差相当于10mm水柱的液压值，因此对于粗略的测量，可以认为L＝ΔP/ρ*g，对于精确测量，可以对上部传感器测得的大气压和液面处的大气压的差别进行补偿，从而提高液位测量的精度。一般情况下，在测量时液体密度ρ和重力加速度h都为已知值，为使测量更加精确，也可在测量压强的同时测出液体密度和重力加速度值然后输入给信号处理装置进行同步换算。

如图2所示，在测量敞口容器液位时，设置上部绝压传感器1测量大气压，在液面以下设置另外一只绝压传感器2测量被测点处的总压强，通过计算二者的差值换算出敞口容器中被测液体的液位，上部绝压传感器1的感压面可直接或通过通气介质与大气接通，该通气介质可为高分子过滤器。

如图3所示，在测量密闭容器液位时，设置上部绝压传感器3测量密闭容器内液面以上的气压值，在液面以下设置另外一只绝压传感器4测量被测点处的总压强，通过计算二者的差值换算出密闭容器中被测液体的液位，上部绝压传感器的感压面可通过通气介质与液面以上气体接通，若密闭容器内的液体为易挥发介质，则上部绝压传感器的感压面应直接与液面以上气体接通，以免挥发的介质堵塞通气管道，影响测量结果。

如图4所示，当被测介质密度发生变化时，在液面以下的不同高度处设置两只绝压传感器5和6，由于两者距离为已知值，因此通过两处液位的压强差值比较，可由信号处理装置计算出被测介质密度，然后再换算出液位值。

本发明两线制多传感器液位变送器，主要由上部传感器、下部传感器、探测头以及信号处理装置构成，其中上部传感器的感压面与外界接通，其导线与信号处理装置的输入端连接，下部传感器密封地安装在探测头内，其感压面与外界接通，导线从探测头内向外引出与信号处理装置的输入端连接，为及时测量被测介质密度，下部传感器可为两个，分别安装在不同高度的探测头内。

如图5所示，探测头主要由壳体7、定位件8和密封件9、10构成，下部传感器11位于壳体7内，由定位件8固定，定位件8上开有与外界连通的开口，使下部传感器11的感压面与外界连通，下部传感器11及其引出线12与壳体7之间通过密封件9、10密封。

如图6、图7所示的第一实施例，壳体21为圆筒形，由下部传感器安装段和导线引出段两部分构成，两端均设置有螺纹，下部传感器安装段的内壁上设置有凸起22，锁紧螺母23通过压紧套24挤压下部传感器25使其与凸起22压紧定位，锁紧螺母23上设置有可使下部传感器25的感压面与外界连通的通孔26，该通孔26内设置有筛网27，下部传感器25为86型传感器；导线引出段的内腔在纵截面上呈 形，包括两个对顶锥面，中间小径处尺寸与传感器导线相配，电缆28刚好可以穿过即可，小径处一侧由内密封圈29和锁线母30压实密封，另一侧由上锁母31通过压紧套32挤压尾管双锥密封垫33密封。锁紧螺母上的通孔曲折分叉地与外界连通，由直接与下部传感器的感压面相连的直孔26和与该直孔相垂直的十字交叉孔构成。

如图8、图9所示，信号处理装置34设置在一机壳35内，机壳35上设置有显示器36和变相输出端口，下部传感器的电缆28穿过上套38和螺纹接头37引入机壳35与信号处理装置34的输入端连接，螺纹接头37的侧壁上开有通孔，上部传感器38为1210型传感器，固定在该通孔内，其感压面直接与外界连通。

如图10所示，在测量敞口容器液位时，位于液面下方的探测头39内设置有一只绝压传感器及其信号处理装置，其引出线40采用聚氨酯厚壁电缆，显示部分43和上部传感器42安装在机壳内，上部传感器42通过导气管和高分子过滤器41与外界连通。当被测的液体介质密度发生变化时，可采用如图11所示的结构，在探测头39内再密封固定一只传感器44，该传感器44的感压面通过探测头39侧壁上的通孔与外界连通。

如图12所示，在测量密闭容器液位时，位于液面下方的探测头39内设置有两只传感器，其中下部传感器45的感压面通过探测头39上的通孔与被测介质连通，上部传感器44的感压面通过探测头39上的通孔与被测介质上方气体连通。当被测的液体介质密度发生变化时，可采用如图13所示的结构，在探测头39内设置有两只传感器，上部传感器44和下部传感器45的感压面均通过探测头39上的通孔与被测介质连通。

下面结合图14对使用两只传感器的液位测量装置进行说明。信号处理装置的程序启动后，在步骤S1进行系统的初始化，在步骤S2中读取传感器A1的电压信号，在步骤S3中，传感器A1的电压信号经A/D转换，并在步骤S4中计算出对应的压强值P1。类似的，程序可计算出A2传感器感应到的压强值P2。在步骤S8中，程序根据测量到的P1、P2以及程序预置的液体密度值ρ和重力加速度值g，计算出液位h；然后在步骤S9中显示计算出的液位值h和测量到的液面以上的压强P1和液面下被测量点的总压强P2。程序循环重复步骤S2到S9的过程，以实时反映液位数值，这种方法适用于液体介质密度不变的情况，对于密闭容器和敞口容器，本方法同样适用。

再结合图15对使用多只传感器进行液位测量的实施形式的功能进行说明。程序启动后，在步骤S1进行系统的初始化，在步骤S2中读取传感器A1的电压信号，在步骤S3中，传感器A1的电压信号经A/D转换，并在步骤S4中计算出对应的压强值P1。类似的，程序可计算出A2传感器感应到的压强值P2以及A3传感器感应到的压强值P3。在步骤S11中，程序根据测量到的P2、P3以及程序预置的重力加速度值和A2与A3之间的固定距离h0，计算出液体介质的密度ρ；然后在步骤S12中，应用步骤S11中计算得到的液体介质的密度ρ，结合压强值P3和P1，计算得到液面距离A3传感器的垂直距离h，即液位值，程序循环重复步骤S2到S13的过程，以实时反映液体介质密度和液位数值。这种方法适用于液体介质密度变化的情况。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，例如采用如图16、17所示的结构，上部传感器42设置在机壳内的不同位置处，并通过导管与外界连通，或如图18、19、20、21、22所示，在对探测头密封时单独采用尾管双锥密封垫51、内密封圈52和锥形密封塞53进行密封，或在探测头的壳体上设置开口或通道使下部传感器的感压面与外界接通，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是采用两线制、多传感器来测量液态介质内的压强值及液面上方气压值得出所需液位值的液位变送器均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种两线制多传感器液位变送器，其特征在于，包括：

上部传感器，用于测量液面上方气压值，为绝压传感器；

下部传感器，用于测量液态介质内被测点处总压强，为绝压传感器；

信号处理装置，对上、下部传感器测量的数据进行处理；

上部传感器、下部传感器与信号处理装置相连，下部传感器接线端子处带有密封结构。

2、如权利要求1所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述下部传感器为两个，测量时位于不同的液位高度。

3、如权利要求1所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述下部传感器带有的密封结构包括一壳体，下部传感器固定在该壳体内，其感压面与外界接通，其导线引出部位密封固定。

4、如权利要求3所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述密封结构还包括定位件和密封件，下部传感器位于壳体内，由定位件固定，下部传感器及其引出线与壳体之间通过密封件密封固定。

5、如权利要求3或4所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述壳体为圆筒形，包括下部传感器安装段和导线引出段两部分，壳体两端均设置有螺纹，下部传感器安装段的内壁上设置有凸起，锁紧螺母与凸起相配合将下部传感器夹持固定，锁紧螺母上设置有可使下部传感器的感压面与外界连通的通孔，该通孔内可设置有筛网，在下部传感器与壳体之间设置有密封圈；导线引出段的内腔在沿其轴线方向呈

形，包括两个对顶锥面，其中一侧由内密封圈和锁线母压实密封，另一侧由上锁母或由上锁母通过压紧套挤压尾管双锥密封垫密封。

6、如权利要求5所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述下部传感器安装段的锁紧螺母上的通孔曲折分叉地与外界连通，可由直接与下部传感器的感压面相连的直孔和与该直孔相垂直的十字交叉孔构成。

7、如权利要求1所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，所述信号处理装置设置在一机壳内，机壳上设置有显示器和输出端口，下部传感器的导线引入机壳与信号处理装置的输入端连接，上部传感器固定在机壳内，其感压面直接或通过管道与外界连通；所述上、下传感器可为86型传感器或1210型传感器。

8、如权利要求1所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，测量过程一开始，信号处理装置启动后进行系统的初始化；

读取上部传感器的电压信号，上部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值(P1)；

读取下部传感器的电压信号，下部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值(P2)；

程序根据测量到的压强值(P1、P2)以及程序预置的液体密度值(ρ)和重力加速度值(g)，计算出液位(h)；

显示计算出的液位值(h)和测量到的液面以上的压强(P1)和液面下被测量点的总压强(P2)；

程序循环重复上述过程，实时反映液位数值。

9、如权利要求1所述的两线制多传感器液位变送器，其特征在于，下部传感器为两个，位于不同高度，测量过程一开始，信号处理装置的程序启动后进行系统的初始化；

读取上部传感器的电压信号，上部传感器的电压信号经A/D转换计算出对应的压强值(P1)；

读取下部传感器的电压信号，其电压信号经A/D转换计算出对应的压强值(P2)；

读取另一下部传感器的电压信号，其电压信号经A/D转换计算出对应的压强值(P2)；

程序根据测量到的(P2、P3)以及程序预置的重力加速度值和下部传感器之间的固定距离(h₀)，计算出液体介质的密度(ρ)；

应用上述计算得到的液体介质的密度(ρ)，结合另外两个压强值(P3和P1)，计算得到液面距离传感器的垂直距离(h)，即液位值；

程序循环重复上述过程，实时反映液体介质密度和液位数值。

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