电容式液位变送器
先进的自动化处理系统，更严格的过程控制和严格的法规要求增加了对准确可靠的物位测量系统的需求。
通过提高液位测量的准确性，可以减少化学过程中的变化，从而有助于提高产品质量并减少成本和浪费。下面从技术发展的先后来介绍几种工业中常见的液位计原理。
视镜是工业环境中使用的最古老，最简单的物位测量技术。视镜受到许多限制：如用于构造观察镜的材料可能会发生灾难性的故障，从而对人员造成危险，危害环境，甚至引发火灾/爆炸。如果存在密封件，它们可能会导致堆积或泄漏，从而阻塞视线。毫无疑问，在任何安装中，视镜都是最薄弱的环节，需要用先进的方法代替。
其他一些液位测量方法是基于比重的，这是通常用于感测液位表面的物理属性。这些设备由一个简单的浮子组成，其比重介于过程流体和顶空蒸气的比重之间，顶空蒸气将根据上升和下降而浮在表面上。液位测量基于静水压头测量。在涉及更复杂的物理原理的方案中，将使用使用计算机执行计算的更高级的技术。在这种技术中，数据以机器可以读取的格式从传感器传输到控制系统。传感器输出信号的各种格式为模拟电压，电流环路和数字信号。尽管模拟电压的设置和记录很简单，但它们会受到严重干扰和噪声问题的影响。
4-20 mA电流环路是最古老，最简单的工业通信形式，也是目前遵循的最常见的输出机制。通过电流回路的信号可以在更长的距离上传输，并且降级最小。最强大的数字信号格式基于Hart，Honeywell DE，Foundation Fieldbus，Profibus和RS-232等协议。但是，较早的协议（如RS-232）仅对短距离有效。最新的信号发射器具有无线传输功能，可以在很长的距离上传输信号而不会降低性能。
超声波，激光和雷达等先进技术要求的更高级的数字编码格式需要数字计算机智能来格式化代码。这种高级要求以及对复杂的数字校准方案和通信功能的需求，为将基于微处理器的计算机嵌入几乎所有液位测量产品的新趋势铺平了道路（图1）。
一、玻璃液位计
玻璃液位计已经使用了两个多世纪，现在有多种设计可选，包括装甲和非装甲形式。它们是可用于液位测量的最简单方法。提供的清晰可见性是其最大优势，但是玻璃的易碎性（可能导致洒落或损害人员安全）使其具有很大的局限性。
二、浮子液位计
浮子工作的原理是将比重介于过程流体和顶部空间蒸气之间的浮力物体放到储罐中，并连接一个机械装置来记录其位置。浮子停留在被测液体的顶部。即使浮子可以定位液体的表面，读取浮子仍然会带来问题。
早期的浮子系统中使用了滑轮，胶带，电缆和齿轮等机械部件来记录液位。当前，带有磁铁的浮子更受欢迎。早期浮子系统提供的液位测量是通过多个簧片开关和电阻器组成的网络以模拟或数字格式工作的。这意味着信号输出的变化是以离散步长的形式出现的。因此，这些装置不能区分连续的液位测量装置能够执行的步骤之间的液位。
三、静压式液位计
起泡法在船舶常压下使用该原理的液位计，在汲取管中携带吹扫气体，汲取管的开口端靠近容器进入罐的开口。吹扫气体通常是空气，但是在某些情况下，存在与过程流体发生氧化反应或污染的危险，所以常使用干燥的氮气。由于气体流经汲取管出口，因此管压力会升高，直到超过出口处液位所产生的静水压力为止。过程流体密度及其从汲取管末端到表面的深度的乘积等于压力，该压力由连接到管的压力传感器监控。
差压式传感器
在该传感器中，油箱底部的总压力与压头或容器中的静压之间的差表示液位。与起泡器方法类似，容器中的流体密度和流体高度的乘积给出了静水压力差。大气压被认为是参考。为了将顶部空间保持在大气压下，在顶部提供了一个通风口。
与起泡器不同，只需将参考端口连接到容器中高于最大填充液位的端口，就可以在容器中使用传感器。对液体吹扫或起泡器的需求取决于过程的物理条件和/或变送器相对于过程连接的位置。
四、称重式传感器
配备有一个或多个用于检测支撑构件中轻微变形的传感器的机械支撑托架或构件称为称重传感器或应变仪。由于称重传感器上的力传导而导致的构件的轻微挠曲会导致输出信号发生变化。称重传感器经过校准，可进行从分数盎司到吨的测量。称重传感器必须放置在容器的支撑结构中以测量液位。称重传感器上的力随着容器中过程流体液位的增加而增加。通过了解容器的几何形状和流体的比重，可以将称重传感器的已知输出转换为液位。
尽管称重传感器由于其非接触式操作而在许多应用中得到了广泛使用，但根据称重传感器的要求，其费用和设计容器支撑结构和连接管道的需求仍然是明显的缺点。除了测量所需的净重或产品重量外，管道，容器和由容器支撑的连接结构的重量也由称重传感器共同测量。
总重量导致净重量的调低非常差，这意味着净重量仅占总重量的一小部分。除此之外，由于加热不均匀，侧向载荷，刚性管道，风载荷和防倾覆硬件的约束所引起的支撑结构的增长也可以显示为水平。因此，需要在整个初始容器支撑和管道系统中始终保持称重传感器称重系统的要求，否则该性能会迅速下降。
磁性液位计。
五、磁性液位计
磁性液位计是视镜的合适替代品。尽管它们类似于浮球设备，但液面的连通是通过磁性完成的。在这种情况下，浮子是一组坚固的永磁体，它们在辅助柱中移动，该辅助柱通过两个过程连接件连接到容器。浮子在侧面被柱子限制，因此它保持靠近腔室的侧壁。浮子的位置根据液位上下移动，这由磁化的滑梭或随其移动的条形图指示，显示了浮子的位置，从而指示了液位。
为了使这项技术起作用，箱壁和辅助柱应由非磁性材料制成。大多数制造商提供的浮子设计针对浮子材料和被测流体的比重（包括丙烷，油，酸，水，丁烷或两种流体之间的界面）的多种选择进行了优化。
它能够承受高压，高温和腐蚀性流体。例如用于液体沥青的蒸汽夹套，用于液氮和制冷剂的温度设计或用于闪蒸应用的超大腔室，都需要特殊的腔室配置。在处理高温，高压，腐蚀性流体和低比重应用时，可以使用Incoloy和Monel等金属和合金。此外，这些仪表可以配备导波雷达和磁致伸缩变送器，以方便将本地指示转换为4-20 mA输出以及可以发送到控制系统或控制器的相应数字通信。
六、电容式液位计
电容变送器基于过程流体和空气的介电常数的差异。油的介电常数为1.8至5，而纯乙二醇的介电常数为37。对于水溶液，介电常数为50至80。基本的工作原理是基于电容的变化，而电容的变化本身是基于液位的变化。电容的变化是由连接到变送器和过程流体的绝缘棒引起的，或者是由连接到变送器和参考探头或容器的非绝缘棒引起的。随着液位的升高和填充板之间的空间，电容成比例地增加。使用电容电桥测量总电容，从而提供连续的电平测量。
七、磁致伸缩液位变送器
使用磁铁限制浮子以确定液位的好处已经得到证明。而且，磁致伸缩是一种能够精确记录浮子位置的成熟技术。磁致伸缩发射器可用于代替机械连接，以使用导线定位浮子并报告其位置来确定扭波的速度。
在发射器上，传感器线连接到压电陶瓷传感器，并且在传感器管的另一端，连接了张力夹具。放置传感器管的方法有两种：一种是通过浮子中心的孔，另一种是将其放置在非磁性浮子腔室旁边的浮子旁边。
变送器通过传感器导线发送一个短电流脉冲以定位浮子，浮子会在其整个长度上建立磁场。定时电路同时打开。
该磁场立即与浮子磁体产生的磁场相互作用，从而在电流流过导线时在导线中产生扭转力。该扭力以特定的速度传输到压电陶瓷传感器。当传感器检测到张力波时，就会产生电信号。该信号激励电波到达的计时电路，因此计时电路停止。电流脉冲的开始与波的到达之间的时间间隔（TOF）由定时电路测量。
可以基于该信息准确地确定浮动位置，并且发射器将该信息呈现为液位信号。这种测量方法的主要优点是信号速度是已知的，并且在过程变量（例如压力和温度）下是恒定的。此外，该信号不受波束发散或错误回声和泡沫的影响。另一个优点是，没有许多可动部件，而浮子是唯一的可动部件。
八、超声波液位变送器
超声波液位变送器能够根据超声波脉冲从流体表面到换能器并返回（TOF）所花费的时间来测量换能器与表面之间的距离。这些发射器的工作频率为数十千赫兹，传输时间约为6 ms / m。顶部空间中气体混合物的组成及其温度会影响声音的速度（在15°C的空气中为340 m / s）。即使传感器补偿了温度，它也仅限于在氮气或空气中进行大气测量。
九、激光液位传感器
激光液位变送器设计用于浆液，不透明液体和散装固体的液位测量。其工作原理与超声波液位传感器相似，但这些传感器测量的是液位测量的光速，而不是声速。
放置在容器顶部的激光传感器将短脉冲传输到位于下方的处理液表面；然后，该脉冲被反射回检测器。
信号的传播时间由计时电路测量以计算距离。由于激光实际上是无光束的，并且没有虚假的回声，因此可以将其引导通过2英寸的空间。另一个优点是，即使在蒸气和泡沫中，激光也可以提供精确的测量。
使用带有多个障碍物的容器的应用程序可以使用激光变送器进行精确的测量，直至1500英尺的距离。必须将激光与专门的观察窗结合在一起，以在高温或高压应用（如反应堆容器）中将变送器与过程隔离。玻璃窗必须允许激光以最小的衰减和扩散通过，同时还要包含加工条件。
十、雷达液位计
在空气雷达系统中，微波束从放置在容器顶部的号角或杆状天线向下定向发射。流体表面将信号反射回天线，并且距离由计时电路计算，该计时电路测量往返时间（TOP）。
在雷达技术中，关键因素是液体的介电常数，因为在微波频率下反射的能量随流体的介电常数而变化。如果Er低，则液体将使大部分雷达能量穿过。对于较高的Er值，Er变化处的反射较高。另一类发射器是导波雷达（GWR）发射器（图10），可提供高度准确和可靠的测量结果。在这些发射器中，柔性电缆天线或刚性探头将微波从容器顶部引导到液面，然后再返回到发射器。从较低的Er到较高的Er的变化导致波被反射。这种方法的效率比空气雷达的效率高20倍，这是因为引导式传动装置实现了能量的集中路径。可以通过此方法测量Er值为1.4或更低的液体。此外，这些系统通过将导轨弯曲到90°角，可以进行垂直和水平安装，适用范围更广。
但是其也具有一定的局限性，蒸气气体的成分，压力和温度会影响雷达波的速度。它甚至可以在真空中工作而无需任何校准，甚至可以使用GWR测量泡沫层。通过限制波的传播范围，使之沿着探头或电缆，可以避免诸如光束扩散或来自储罐壁和结构的错误回波之类的问题。
结论
复杂的数字电子设备的使用正在增加液位测量和其他传感器的实用性。现代液位传感器可产生可靠的结果，并且安装简便且成本较低。借助增强的通讯功能，可以将液位测量集成到现有的控制系统中。
现代液位测量系统使用多种材料和合金，以在酸，油或高压和高温等恶劣环境中生存。新材料的使用使它们能够满足特殊要求，例如，由PTFE护套材料制成的组件可用于腐蚀性应用；并且电抛光316不锈钢符合清洁度要求。通过使用由这些特殊材料制成的探头，接触式变送器可用于多种场合。
液位变送器的种类和原理多种多样，需要在实际工作的去积累经验，选用最合适的液位计。
