通过光学、重力和声波技术进行液位检测

隔离步检测

虽然电阻和电容技术有效且易于实施，但它们不是检测挥发性和有毒液体的最佳选择。在这里，您希望消除任何电力暴露，甚至可能消除可能爆炸性点燃液体的电弧。

与第1部分中描述的离散步进传感器技术类似，隔离步骤检测，而不是使用单独安装的机电开关，使用在所需光波长下透明或半透明的单个垂直柱。

可以使用多种光槽型传感器。对于工业设计人员，应考虑采用精心设计的现成解决方案，例如Omron EE-SPX613。这是一种密封且独立的光学槽传感器，可使用6至13毫米的管径，壁厚可达1毫米。

这些12到24 V的部件不仅仅是发射器和探测器。它们包含一些智慧。灵敏度可调，并且还有模式选择选项。还有一个内置放大器，带有开路集电极100-mA npn晶体管输出，能够直接驱动负载继电器（图1）。

图1：Omron EE-SPX613中的有源电路可通过模式选择，并可直接驱动输出继电器。

这些设备通过检测光路折射率的变化来工作。如果管道中没有液体，则光线通过管道到达接收器。如果填充，则光线通过液体并且不会到达接收器。

现成的光学设备成本敏感的设计可能会影响工程师选择可以使用的众多优质现成的插槽传感器中的一种。例如，TT Electronics/Optex OPB350是一款带1/8英寸的插槽式光电传感器。传感间隙。内置50mA发射器的目标是具有30V 50mA功能的光电晶体管，以创建光电断路器式探测器。

它的工作原理如下：通过搜索对比度变化，光学传感器可以在光学接收器通过时检测弯月面的存在（图2）。这些过渡是“锁定”，所以说水平填充或排水，因为空管和填充管之间存在不同的透射率。

图2：当弯月面穿过光槽时，可以检测到透射率的变化以使晶体管开关输出跳闸。

例如，如果管子是空的，光线很容易通过，并使光电晶体管在接收器部分跳闸。这会导致输出变为逻辑0电平（在典型的npn开路集电极输出中），并为电流提供汇入路径。

当液体充满管时，透射率降低，光电晶体管不再有足够的光线切换。在这种情况下，它通过上拉电阻浮动并从外部上拉，以向控制电路提供逻辑1。

注意，为获得最佳效果，液体应对所用光的波长不透明。此外，类似于第1部分中提到的基于浮子的步进检测器，需要在沿同一管的不同点处使用其中的几个以获得所需的液位分辨率。

此外，驱动器的强度应该是可调节的，因此感应水平最大化到最高灵敏度。驱动强度太大，接收器仍然会在填充时拾取信号。微控制器的PWM或D/A输出可根据需要进行偏置，甚至可提供基于软件的校准程序。

对于参与医疗应用的工程师，TT Electronics/Optek OPB350有一个有用的培训模块。还提供设计和开发套件，以帮助检测器的液位，流量和气泡类型的原型设计，表征和开发。注意，还有一个用于自动校准的训练模块，如上所述。

线性应变计使用重力

确定液位的最明显但经常被忽视的技术之一是称重油箱。重力是一个常数，所以这将始终提供可靠，坚定和准确的液位指示。此外，称重油箱可以进行精确的液位测量，而不会将油箱内容物暴露在潜在的电火花危险中。

重要的是要注意密度范围在这里应该保持一定的恒定，以使这种技术起作用。例如，如果相同的系统用酒精填充，则需要进行不同的校准，然后填充汞，因为密度不同。但是，如果总是使用相同的液体，或者如果设计了一个选择开关以将其偏置到不同的范围，那么相同的设计可以处理你扔在它上面的任何东西。

应变计可以有效地用于测量重量。一个好的单轴部件（图3a）是Micro Measurements CEA-06-125UN-350。这款350Ω线性传感器具有1/8英寸输入。有效面积和0.3％的电阻容差。

图3：（a）单轴应变计可以对静止测量有效。当补偿单轴运动时，可以使用双轴（b）传感器。同样，剪切/扭矩配置（c）可以补偿2轴的加速度。

如果要在移动或加速系统中使用此技术，则需要在没有加速时进行采样，或者根据加速度计的读数进行校准，因为液体会随惯性移动并提供错误的读数。

另一种方法是使用多轴应变计制作自己的加速度计。例如，双轴350欧姆版本是Micro Measurements的CEA-06-125UT-350。该部件使用TEE传感器布置（图3b），可以在“V”配置中使用，以补偿沿单个轴的运动。

同样，像350ΩCEA-06-250US-350这样的剪切/扭矩型应变计可以用作两个轴上的加速度计（图3c）。

这种方法有什么好处，你会得到一个非常坚定的阅读。这不是阶梯式传感器 - 它是一个真正的线性信号，可以提供精确的A/D转换器精度。

听力相信

另一种线性液位传感技术采用超声波测距技术。由于声速比光速慢得多，因此反射信号的定时很容易在低成本电子设备的范围内。因此，超声波换能器可以合理的成本精确测量距离和接近度。

现成的超声波距离传感器可用于工业和关键系统。例如，霍尼韦尔的943系列超声波距离传感器内置滞后，分辨率低至1mm。输出选项为PNP或NPN晶体管，或0 - 10 V和4至20 mA输出。这些部件经过优化，可感应60至3，500 mm的距离。

对于对成本敏感的设计，我们很幸运能够获得几个好的超声波换能器。一个很好的通用部件，如表面安装Knowles Acoustics SPM0404UD5提供了广泛的声波范围;从可听见的10 kHz到超声波65 kHz。

-40°C至+ 100°C的工作范围也使其成为极端气候下电量计传感的潜在部分。由于相同的换能器可以发射或检测，因此相同的发射点是相同的接收点。一个简单的运算放大器电路可以检测和放大返回信号（图4）。

图4：交流耦合的反相运算放大器可以用作返回路径的信号检测器和放大器。

对于非腐蚀性，固定的，直接的生产线，可以使用最少的保护涂层直接暴露。对于更具保护性的方法，可以使用反射器和共振屏障来将特定信号路由到测量水平和从测量水平传递。

立体接近探测器的一个例子是Parallax 28015距离感应超声波接近传感器（Link 11）。这是一款5 V，脉冲，40 kHz，集成距离传感器，可通过简单的3引脚SIP模块化连接到PCB（图5）。

图5：作为3针通孔SIP模块，Parallax 28015可以轻松地集成到设计中

它可以感应距离20 mm到3 m的距离。脉冲串输出是脉冲的，返回回波定时用于产生相应的脉冲宽度（图6）。

图6：返回路径时序产生表示感测距离的相应脉冲宽度。

Microchip DM163026低功耗解决方案演示/评估/开发板中还提供超声波开发环境基于PIC18-J系列微控制器（PIC18F4620），该板具有全功能超声波测距仪和三个自定进度实验室练习，向设计人员介绍PIC18-J系列的低功耗功能。 本文介绍了可用于监测液位的技术和设备，重点关注光学，重力和声波技术产品。