如何選擇合適的液位傳感器

西克中國產品管理部 陳秋明

在自動化生產過程中，液位檢測和監控一直扮演著較為重要的角色，如食品飲料、日化品、醫藥、半導體等行業的生產，各種機器的冷卻和潤滑等，液位的監控直接影響著產品的質量，甚至關系到生產過程是否能夠順利進行。

同時隨著自動化程度的增加，為了保障產品質量的一致性，生產過程直接由人工監控和干預的時代亦已遠去，傳感器的重要性亦越加明顯，并且越來越多地參與至程序系統的設計中，不再是簡單的機械式、粗略式的監控；故其要求除了檢測的可靠性、穩定性，同時要求安裝、調試簡單化、尺寸緊湊化、應用多樣化等。

另外，由于液位檢測環境的復雜性和多變性，也為傳感器的應用帶來了不同挑戰。例如：高粘度液體高度檢測、含雜質的廢水液位監控、帶泡沫的液位高度測量、高腐蝕性液體高度報警等等。目前，市場上針對不同的應用，提供了多種有效的解決方案，但如何選擇合適、性價比高的傳感器一直是讓工程師們頭痛的問題。

常見的液位檢測方式

為了選擇最佳的液位傳感器，我們不但需要了解被測液體的屬性和狀態，同時，也要知道不同的檢測方式的優點與局限性，從而才能選出最合適的傳感器。以下為目前市場上最常見的檢測技術。

? 激光測量：激光類傳感器基于光學檢測原理，通過物體表面反射光線至接收器進行檢測，其光斑較小且集中，易于安裝、校準，靈活性好，可應用于散料或液位的連續或者限位報警等；但其不適合應用于透明液體（透明液體容易折射光線，導致光線無法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽環境（無法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干擾），波動性液體（容易造成誤動作），振動環境等。

? TDR(時域反射)/ 導波雷達/微波原理測量：其名稱在行業內有多種不同的叫法，其具備了激光測量的好處，如：易于安裝、校準，靈活性好等，另外其更優于激光檢測，如無需重復校準和多功能輸出等，其適用于各種含泡沫的液位檢測，不受液體顏色影響，甚至可應用于高粘性液體，受外部環境干擾相對小，但其測量高度一般小于6米。

? 超聲波測量：由于其原理為通過檢測超聲波發送與反射的時間差來計算液位高度，故容易受到超聲波傳播的能量損耗影響。其亦具備安裝容易、靈活性高等特點，通常可安裝于高處進行非接觸式測量。但當使用于含蒸汽、粉層等環境時，檢測距離將會明顯縮短，不建議使用在吸波環境，如泡沫等。

? 音叉振動測量：音叉式測量僅為開關量輸出，不能用于連續性監控液體高度。其原理為：當液體或者散料填充兩個振動叉時，共振頻率改變時，依靠檢測頻率改變而發出開關信號。其可用于高粘度液體或者固體散料的高度監控，主要為防溢報警、低液位報警等，不提供模擬量輸出，另外，多數情況下需要開孔安裝于容器側面。

? 光電折射式測量：該檢測方式通過傳感器內部發出光源，光源通過透明樹脂全反射至傳感器接收器，但遇到液面時，部分光線將折射至液體，從而傳感器檢測全反射回來光量值的減少來監控液面。該檢測方式便宜，安裝、調試簡單，但僅能應用于透明液體，同時只輸出開關量信號。

? 靜壓式測量：該測量方式采用安裝于底部的壓力傳感器，通過檢測底部液體壓力，轉換計算出液位高度，其底部液體壓力參考值為與頂部連通的大氣壓或者已知氣壓。該檢測方式要求采用高精度、齊平式壓力傳感器，同時換算過程需要不斷進行校準，其優點為可檢測不受液位高度限制，但高度越高，傳感器精度要求越高，長時間使用或者更換液體時需要重復校準。

? 電容式測量：電容式測量主要通過檢測由于液面或者散料高度變化而導致的電容值變化來測量料位高度。其具有多種類型，有可輸出模擬量的電容式液位計，液位電容式接近開關，電容式接近開關可以安裝于容器側面進行非接觸檢測。當選擇必須注意，電容傳感器容易受到不同的容器材質和溶液屬性影響，如塑料容器和掛料情況容易影響模擬量輸出的電容傳感器。

? 浮球式檢測：該方式為最簡單、最古老的檢測方式，價格相對便宜。主要是通過浮球的上下升降來檢測液面的變化，其為機械式檢測，檢測精度容易受浮力影響，重復精度差，不同液體需要重新校準。不適用于粘稠性或者含雜質液體，容易造成浮球堵塞，同時不符合食品衛生行業的應用要求。

如何選擇最佳的測量方式

當我們了解了不同檢測方式的優缺點以后，對于液位傳感器的選擇也逐漸有了清晰的概念。（具體可參考圖1）首先，在開始選擇之前，必須先清楚我們需要傳感器達到哪些功能？是屬于開關量輸出還是模擬量輸出？通常開關量/數字量輸出用于報警或者保護作用，例如灌裝時防溢報警、低液位防泵空轉保護等；模擬量輸出主要用于過程控制，包括灌裝容量、液位顯示、加料速度控制等。

圖1 如何選擇合適的液位傳感器

接下來，必須了解被測液體屬性，其中包括狀態、顏色、腐蝕性、粘稠度、是否含雜質，是否需要符合食品衛生認證？根據需求，尋找合適的傳感器。例如：日化品乳霜的灌裝過程中，需要監控儲液罐高、低液位，首先我們了解到乳霜為流體狀態，有較大粘稠度，顏色為半透明乳白色，非腐蝕性，無需食品衛生認證，按照這一要求，可選擇的類型有：音叉測量、TDR測量和超聲波測量。

然后，我們需要做最后評估，包括產品的安裝調試、應用溫度、壓力范圍、價格等，甚至可向供應商借用樣品測試，其中TDR和超聲波需要安裝于罐體頂部，音叉可選擇安裝于頂部或者側面；從調試角度，音叉最簡單，TDR和超聲波次之，價格亦是。綜合評估下來，選用的優先順序為：音叉，TDR，超聲波。