摘要：本文介紹了工業(yè)液位測量的主要方法，提出了采用磁翻板和干簧管組合設(shè)計(jì)液位計(jì)的方法，對電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對工業(yè)液位測量儀表的設(shè)計(jì)和開發(fā)有一定的參考價值。

液位測量作為工業(yè)生產(chǎn)中的*重要的工作參數(shù)，其與溫度，壓力，流量堪稱工業(yè)四大工作參數(shù)?？萍及l(fā)展到**，產(chǎn)生了無數(shù)種的液位測量方法，從古老的標(biāo)尺，發(fā)展到現(xiàn)代的超聲波，雷達(dá)測量儀, 液位的測量技術(shù)也經(jīng)歷了質(zhì)的飛躍。下面就介紹比較常見的工業(yè)液位測量儀表。

磁翻板液位計(jì)：

磁翻板是根據(jù)連通器的原理制作而成。磁翻板液位結(jié)構(gòu)基于旁通管，主導(dǎo)管內(nèi)的液位和容器設(shè)備內(nèi)的液位高度一致，磁性浮子浮在液面上，當(dāng)被測容器中的液位升降時，液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦臺驅(qū)動指示器內(nèi)的紅白翻柱翻180°，當(dāng)液位上升時翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色，當(dāng)液位下降時磁柱由紅色轉(zhuǎn)為白色，指示器的紅白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位的指示。

干簧式液位計(jì)：

干黃液位計(jì)傳感器的主導(dǎo)管內(nèi)裝有一組干簧管和精密電阻，當(dāng)管外磁性浮子隨液位上下變化時，吸合相應(yīng)的干簧管。依次接通的傳感器的改變分壓電阻值使輸出電壓發(fā)生變化，接線盒內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路模塊將其輸出電壓轉(zhuǎn)換成4-20mA電流輸出。

靜壓投入式液位計(jì)：

基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，通過測量液體對容器底部的壓力，從而計(jì)算出液體的液位。

超聲波液位計(jì)：

在容器的頂部設(shè)置超聲波發(fā)射和接受傳感器，液面反射超聲。從而測量液面高度。

本設(shè)計(jì)結(jié)合磁翻板和干簧管液位計(jì)二者的優(yōu)勢，本地指示采用磁翻板液位指示器，在輔以干簧管傳感器進(jìn)行電遠(yuǎn)傳。這樣本地有了直觀的顯示效果。遠(yuǎn)端可把信號輸入二次儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行組態(tài)顯示和控制，為構(gòu)成DCS系統(tǒng)提供了接口信號。

干簧管（外形如圖一），也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種磁敏的特殊開關(guān)，是干簧繼電器和接近開關(guān)的主要部件。它通常有兩個軟磁性材料做成的、無磁時斷開的金屬簧片觸點(diǎn)，有的還有*三個作為常閉觸點(diǎn)的簧片。這些簧片觸點(diǎn)被封裝在充有惰性氣體(如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成開關(guān)的常開或常閉觸點(diǎn)。干簧管比一般機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、速度高、工作壽命長；而與電子開關(guān)相比，它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，工作可靠性很高。

液位計(jì)的傳感器電路如圖二：

傳感器部分由串聯(lián)的電阻構(gòu)成，電阻一端接電源。另一點(diǎn)接地，每個電阻分得的電壓是

這一電壓通過吸合的干簧管連接至輸出端。隨著磁性浮子隨著液位的變化，和他接近的干簧管接通，輸出的電壓反映出相應(yīng)的液位高度，兩個干簧管之間的距離及液位計(jì)的分辨率。干簧管的多少，可設(shè)計(jì)成不同的量程。

把傳感器輸出的不同電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma輸出，可采用不同的電路形式。成本低的可采用分立器件，但是為了達(dá)到比較高的精度，要保證相應(yīng)器件的匹配程度，調(diào)試也比較麻煩。TI公司推出的XTR 系列工業(yè)傳感器專用的4-20ma的一體化變送器集成電路，采用該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變送器成本低，精度高，調(diào)試簡單。經(jīng)過選擇決定使用XTR115完成設(shè)計(jì)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖三：

XTR115 內(nèi)含一個儀表放大器，可對輸入的小的電壓信號進(jìn)行放大，放大后的信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4—20ma，集成電路內(nèi)部還可向前級提供高精度的2.5v參考電壓源和5v的工作電壓，2.5v參考電壓提供給干簧管分壓電路，5v為本地的其他集成電路提供工作電壓。XTR115為電流放大器件，電流放大倍數(shù)100，傳輸函數(shù)為Io=100Iin

轉(zhuǎn)換成輸入電壓：

此電路的輸入電壓范圍是0—2.5V，輸出在4-20ma。由于輸入從零開始，而輸出起點(diǎn)為4ma，需在輸入端加入一個40uA的偏置電流。加入的方法如圖四：固定電阻用電位器代替，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的調(diào)整。滿量程時，輸入2.5v時輸出20ma，此時輸入電流為兩部分電流之和，輸入電壓形成的電路和零點(diǎn)時的偏置電流，除去40uA的偏置電流，輸入應(yīng)為16uA，因此Rin取值為15.6kΩ，實(shí)際中采用一只固定電阻加一只電位器串聯(lián)的形式，這只電位器完成輸出滿量程的調(diào)整。

前端的分壓器的輸出電壓，對于后端的輸入相當(dāng)于一個電壓源和一個內(nèi)阻，此內(nèi)阻隨著分壓器的位置會發(fā)生變化。如果直接送入XTR115進(jìn)行調(diào)理的話，會影響后級的放大倍數(shù)。因此在兩者之間必須加入采用運(yùn)放組成的電壓跟隨器作為中間隔離電路，減小前后級的相互一影響。對此運(yùn)放的要求主要有單電源工作，輸入阻抗高，軌至軌輸出，對照多種運(yùn)放，決定采用tlc27l2，該運(yùn)放采用CMOS工藝，輸入阻抗高，可采用單5V電壓工作，輸出可低至電源負(fù)。實(shí)踐運(yùn)用中，能夠滿足電路的要求。

為了讓電路可靠的工作。在電路設(shè)計(jì)中為XTR115增加了外部電流三*管，以減少集成電路的溫升，使電路工作更加穩(wěn)定。在輸出的電流回路中增加橋式整流電路，實(shí)現(xiàn)連接端子的無*性連接，給連接帶來了方便，同時起到保護(hù)設(shè)備的作用。輸出回路中增加36V穩(wěn)壓二*管，防止從輸出回路中傳入高電壓破壞集成電路。

整個電路的元件全部采用工業(yè)級芯片，封裝形式采用貼片封裝，這樣整個電路可制作在5*5mm的印刷電路板上，安裝在標(biāo)準(zhǔn)的鋁制變送器外殼上，干簧管測量部分可封裝在不銹鋼圓管內(nèi)，適應(yīng)多種液體的測量，對應(yīng)用環(huán)境和安裝環(huán)境要求不高，為工程應(yīng)用提供的方便。

經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)，此液位計(jì)已完成成品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，在實(shí)踐應(yīng)用中，本地顯示醒目直觀，遠(yuǎn)傳信號穩(wěn)定，可靠性高，得到了用戶的認(rèn)可。