静磁栅尺液位计在武汉卷烟厂的应用
出处：http://www.cnbpq.com 发布于：2007-09-26 14:50:37
液体液位的检测与控制是保护各企业监控生产过程优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。现代企业对流量计量的要求越来越高，主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面。
1.常用的几种液位检测方法简述：
1.1．玻璃管液位计
通过连通器原理，将玻璃管液位计上、下阀与容器连接构成连通器，透过玻璃管可直接读得容器内介质液位的高度。仪表两端均装有针形阀，针形阀内装钢球，当玻璃管因意外事故而破裂时，钢球在容器内液体压力作用下自动关闭液流通道，以防止容器内介质外流。
玻璃管液位计是现场直读式仪表，主要用来直接指示各工业系统内罐、塔、槽、箱等容器内介质液位的高度。玻璃管液位计没有电信号，不能实现数值远传功能。
1.2．电容式液位计
电容式液位计是通过被测物体介电常数的不同来检测液位的，许多微小的电极，分布在绝缘检测棒的测量方向上，微电容检测电路组成网络，在液面变化时计算它的高度。电容式液位计采用浸入式检测法，液体流挂带来的显著误差，微电容检测网络和数字处理电路受外界条件的影响也十分显著。
1.3．超声波物位计
1.3.1超声波物位变送器利用换能器中的压电晶体发射超声波，并接收从物位表面反射回来的回波，通过测量超声波发射及接收的时间间隔，计算超声波的传输距离，从而完成物位的准确测量。 超声波物位计具有以下特点：
1.3.1.1非接触式测量，可以测量普通液体、浆状物、固体等介质及腐蚀性液体；
1.3.1.2测量范围宽，通常可测量0.25~60m量程，有的产品甚至可达125m；
1.3.1.3测量不受介质密度、介电常数、导电性的影响，在一定范围内容器里的压力也不影响测量；
1.3.1.4测量高，大致在0.1~0.25%之间；
1.3.1.5可利用两线制传输系统的DC24V电源，可带HART、PROFIBUS-PA等类型的现场总线。
1.3.2但超声波物位计在实际应用中也存在一些问题，如泡沫、粉尘、雾气、多分层的情况下不能准确测量。 另外对安装的一致性要求也特别高，一般很难做好。
1.4．WNA静磁栅尺
由磁钢组成的磁栅编码阵列和霍尔开关元件组成的霍尔编码阵列协调工作。磁栅编码阵列和霍尔编码阵列形成该传感器的两个必不可少的单元，其中，磁栅编码阵列单元称之为“静磁栅源”，霍尔编码阵列单元称之为“静磁栅尺”，当“静磁栅源” 保持一定间隙沿“静磁栅尺”轴线表面移动时，由“静磁栅尺”实时解析出毫米级示值误差的位移量数字信号。机理有如“游标卡尺”，游标卡尺1毫米的刻度可以辨别出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁栅编码阵列间距和霍尔编码阵列间距不同，有如游标卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再经过一套反复推演的算法，使得静磁栅编码器的分辨率可达0.25毫米或者更小。
请注意，霍尔编码阵列元件只有开和关两种状态。由于物理位置不同，每只霍尔开关元件含有不同的位置信息，通过计算机高速扫描辨识，实现了“空间直线位置编码”，无论量程多长，只要保证安装，就能获得非常小的示值误差。基本不受外界温度、湿度、杂散磁场、电磁干扰等因素影响。
综合以上的描述以及使用的经验，我们总结了上面四种传感器的对比列表：
2.车间液位计现状：
加料工序是制丝生产的关键的工序，加料的直接影响烟丝的吸味和口感。长久以来，操作工在进行生产时依靠人工观查加料罐内液位的变化来判断,一但流量计计量出现问题加料得不到保正, 影响烟丝的吸味和口感.车间液位计有偏差又不能参入比较和控制上述原因大大增加了由于人为失误,和流量计计量不准造成加料不合格的几率。
车间现场液位测量与控制中，基本为罐内液位的精密检测。这类液位控制度要求高，温度高且有搅拌现象，有挥发性，有泡沫。由于上述原因，车间以前也试用过多种液位计，如电容式以及超声波液位计等，但一直存在检测不准的问题，所以一直都没有让其参与控制。另，车间加（送）料、加（送）香的管路与地沟都直接相联，阀门误动作会出现漏料，以前就出现过由于阀门不到位，而导致料液进入地沟或泄露的情况。但由于以前车间的液位计没有参与控制，出现此类情况时就未能及时发现，导致质量事故的发生。针对车间的现状，在总结以往液位检测设备的使用中经验和分析目前液位检测领域中各检测仪性能后，我们对WNA静磁栅液位计进行了改进后在梗加料和片叶加料处试用。
３．1. WNA静磁栅尺的改进
WNA静磁栅尺的改进后安装示意图如下：
WNA静磁栅以前用于对运动物体位置的检测，WNA静磁栅源只需固定于被测物体上即可。通过被测物体的移动来检测移动位置.我们要用在液位进行检测,于是我们便在料液罐外安装一玻璃管并与料液罐连通，这就是旁通玻璃管，将WNA静磁栅源改制成浮子式的静磁栅源（我们简称浮子）放进旁通玻璃管中。我们将浮子设计位两头粗中间细的形状，粗端为不规则形，只有三个点与玻璃管接触，这样减小浮子在旁通玻璃管中的阻力，当液位发生变化时“静磁栅源”即“浮子”能在旁通管内随液位的变化而自由移动，减小了测量误差。静磁栅尺就能对应输出4－20（或0-29ma、1-5v、0-5v、1-10v等等）毫安的模拟信号，也可连接Devicenet、Profobus等网络进行数据传送。
3.2.静磁栅液位计优点：
静磁栅液位计是一种新型的液位传感器。采用静磁栅原理工作，直接输出液位数据，无需变送器单元。它具有量程长、分辨度适中、无接触等特点，失电后能长时间保存液位数据。耐冲击、防水、抗油、抗粉尘、抗污染、不怕泡沫、读数直观、具有多种输出信号、与车间现有的控制网络联结方便、便于维修置换等性能使其成为液位检测与控制的设备。
静磁栅源和静磁栅尺两者非接触工作，分辨率为1mm，使用环境温度-20℃～+100℃，抗撞击约50g。
在安装上它的优点更为突出,由于其体积小,结构紧凑，测量与信号转换一体化，不需外置信号转换，供电和信号为三线或四线均可的接线方式，特别是与PLC控制系统的连接更为方便，机柜直接提供24V电源，这给安装提供了极为方便的条件。
3.3. 静磁栅液位计的应用：
静磁栅液位计的输出信号可以直接送入到现场的PLC中，在送料和加料的过程中都得以应用。料罐形状为U形，部有8KG的液体为不可测的，上面为均匀的圆柱体，在此范围静磁栅尺上刻度没变化1mm，料罐液位就变化1.1KG。
在送料过程中：
△L =LL-LC -K
L%= (△L/ LL)*100%
LL=理论上送入料罐的料液重量/1.1
K=（底部不可测料液重量8KG+送料管路中的料液重量）/1.1
注: 静磁栅尺的读数每变化1mm而罐内料液重量变化1.1kg.
其中LL为理论液位，LC为测量液位即静磁栅尺的读数 ，K为补偿系数（定值）。
由于送料流量较大为1800KG/H，考虑到送料管路和料罐底部的料液无法测量到，所以送料开始30S后，PLC程序开始每5秒钟对料罐中液位进行读入、计算和比较。如果对某时刻读入到PLC中的数值经过运算比较后得出：L%>±0.5%时，系统就会发出偏低的报警信号，同时在集控电脑和现场电脑上显示出报警信息。如果得出L%>±1%，系统就发出偏低停车的信号，使设备停机，同时在集控电脑和现场电脑上显示报警信息,通知维修人员检查。
送料全过程的数据变化也将保存在集控数据库中,随时可以调出进行数据分析.
送料控制信息方框图
在加料过程中：
△L =实际用料量-（LC0-LC1-K）*1.1
L%=(△L/ 实际用料量)*100%
注:1. 静磁栅尺的读数每变化1mm而罐内料液重量变化1.1kg.
2.实际用料量为质量流量计显示的重量.
其中LC0为加料前静磁栅尺的读数，LC1为加料过程中某时刻静磁栅尺的读数，K为补偿系数即加料管路中的料液重量（定值）。
由于刚开车时，烟叶流量较小导致用料量还比较小，达不到静磁栅液位计的检测，不能进行读数和比较。当烟叶流量达到设定值时，PLC程序开始每60秒钟对料罐中液位进行读入、计算和比较。如果对某时刻读入到PLC中的数值经过运算比较后得出：L% >±1%时，系统就会发出偏低的报警信号，同时在集控电脑和现场电脑上显示出报警信息。如果得出L%>±2%，并经过10S延时后，系统就发出偏低停车的信号，使设备停机，同时在集控电脑和现场电脑上显示报警信息,通知维修人员检查。
送料全过程的数据变化也将保存在集控数据库中,随时可以进行每批加料情况的数据分析,来判断加料系统是否完好.
加料控制信息方框图
4、结论
使用静磁栅液位计后，可以对料罐内的料液及加料设备进行时时监视、控制。如有故障及时报警及停机，减少质量事故的发生和提高加料质量。
在近3个月的运行中，静磁栅液位计能满足生产中计量及控制的要求，达到了我们此次改造的目的，但部分细节还有待于进一步的完善。
1.常用的几种液位检测方法简述：
1.1．玻璃管液位计
通过连通器原理，将玻璃管液位计上、下阀与容器连接构成连通器，透过玻璃管可直接读得容器内介质液位的高度。仪表两端均装有针形阀，针形阀内装钢球，当玻璃管因意外事故而破裂时，钢球在容器内液体压力作用下自动关闭液流通道，以防止容器内介质外流。
玻璃管液位计是现场直读式仪表，主要用来直接指示各工业系统内罐、塔、槽、箱等容器内介质液位的高度。玻璃管液位计没有电信号，不能实现数值远传功能。
1.2．电容式液位计
电容式液位计是通过被测物体介电常数的不同来检测液位的，许多微小的电极，分布在绝缘检测棒的测量方向上，微电容检测电路组成网络，在液面变化时计算它的高度。电容式液位计采用浸入式检测法，液体流挂带来的显著误差，微电容检测网络和数字处理电路受外界条件的影响也十分显著。
1.3．超声波物位计
1.3.1超声波物位变送器利用换能器中的压电晶体发射超声波，并接收从物位表面反射回来的回波，通过测量超声波发射及接收的时间间隔，计算超声波的传输距离，从而完成物位的准确测量。 超声波物位计具有以下特点：
1.3.1.1非接触式测量，可以测量普通液体、浆状物、固体等介质及腐蚀性液体；
1.3.1.2测量范围宽，通常可测量0.25~60m量程，有的产品甚至可达125m；
1.3.1.3测量不受介质密度、介电常数、导电性的影响，在一定范围内容器里的压力也不影响测量；
1.3.1.4测量高，大致在0.1~0.25%之间；
1.3.1.5可利用两线制传输系统的DC24V电源，可带HART、PROFIBUS-PA等类型的现场总线。
1.3.2但超声波物位计在实际应用中也存在一些问题，如泡沫、粉尘、雾气、多分层的情况下不能准确测量。 另外对安装的一致性要求也特别高，一般很难做好。
1.4．WNA静磁栅尺
由磁钢组成的磁栅编码阵列和霍尔开关元件组成的霍尔编码阵列协调工作。磁栅编码阵列和霍尔编码阵列形成该传感器的两个必不可少的单元，其中，磁栅编码阵列单元称之为“静磁栅源”，霍尔编码阵列单元称之为“静磁栅尺”，当“静磁栅源” 保持一定间隙沿“静磁栅尺”轴线表面移动时，由“静磁栅尺”实时解析出毫米级示值误差的位移量数字信号。机理有如“游标卡尺”，游标卡尺1毫米的刻度可以辨别出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁栅编码阵列间距和霍尔编码阵列间距不同，有如游标卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再经过一套反复推演的算法，使得静磁栅编码器的分辨率可达0.25毫米或者更小。
请注意，霍尔编码阵列元件只有开和关两种状态。由于物理位置不同，每只霍尔开关元件含有不同的位置信息，通过计算机高速扫描辨识，实现了“空间直线位置编码”，无论量程多长，只要保证安装，就能获得非常小的示值误差。基本不受外界温度、湿度、杂散磁场、电磁干扰等因素影响。
综合以上的描述以及使用的经验，我们总结了上面四种传感器的对比列表：
2.车间液位计现状：
加料工序是制丝生产的关键的工序，加料的直接影响烟丝的吸味和口感。长久以来，操作工在进行生产时依靠人工观查加料罐内液位的变化来判断,一但流量计计量出现问题加料得不到保正, 影响烟丝的吸味和口感.车间液位计有偏差又不能参入比较和控制上述原因大大增加了由于人为失误,和流量计计量不准造成加料不合格的几率。
车间现场液位测量与控制中，基本为罐内液位的精密检测。这类液位控制度要求高，温度高且有搅拌现象，有挥发性，有泡沫。由于上述原因，车间以前也试用过多种液位计，如电容式以及超声波液位计等，但一直存在检测不准的问题，所以一直都没有让其参与控制。另，车间加（送）料、加（送）香的管路与地沟都直接相联，阀门误动作会出现漏料，以前就出现过由于阀门不到位，而导致料液进入地沟或泄露的情况。但由于以前车间的液位计没有参与控制，出现此类情况时就未能及时发现，导致质量事故的发生。针对车间的现状，在总结以往液位检测设备的使用中经验和分析目前液位检测领域中各检测仪性能后，我们对WNA静磁栅液位计进行了改进后在梗加料和片叶加料处试用。
３．1. WNA静磁栅尺的改进
WNA静磁栅尺的改进后安装示意图如下：
WNA静磁栅以前用于对运动物体位置的检测，WNA静磁栅源只需固定于被测物体上即可。通过被测物体的移动来检测移动位置.我们要用在液位进行检测,于是我们便在料液罐外安装一玻璃管并与料液罐连通，这就是旁通玻璃管，将WNA静磁栅源改制成浮子式的静磁栅源（我们简称浮子）放进旁通玻璃管中。我们将浮子设计位两头粗中间细的形状，粗端为不规则形，只有三个点与玻璃管接触，这样减小浮子在旁通玻璃管中的阻力，当液位发生变化时“静磁栅源”即“浮子”能在旁通管内随液位的变化而自由移动，减小了测量误差。静磁栅尺就能对应输出4－20（或0-29ma、1-5v、0-5v、1-10v等等）毫安的模拟信号，也可连接Devicenet、Profobus等网络进行数据传送。
3.2.静磁栅液位计优点：
静磁栅液位计是一种新型的液位传感器。采用静磁栅原理工作，直接输出液位数据，无需变送器单元。它具有量程长、分辨度适中、无接触等特点，失电后能长时间保存液位数据。耐冲击、防水、抗油、抗粉尘、抗污染、不怕泡沫、读数直观、具有多种输出信号、与车间现有的控制网络联结方便、便于维修置换等性能使其成为液位检测与控制的设备。
静磁栅源和静磁栅尺两者非接触工作，分辨率为1mm，使用环境温度-20℃～+100℃，抗撞击约50g。
在安装上它的优点更为突出,由于其体积小,结构紧凑，测量与信号转换一体化，不需外置信号转换，供电和信号为三线或四线均可的接线方式，特别是与PLC控制系统的连接更为方便，机柜直接提供24V电源，这给安装提供了极为方便的条件。
3.3. 静磁栅液位计的应用：
静磁栅液位计的输出信号可以直接送入到现场的PLC中，在送料和加料的过程中都得以应用。料罐形状为U形，部有8KG的液体为不可测的，上面为均匀的圆柱体，在此范围静磁栅尺上刻度没变化1mm，料罐液位就变化1.1KG。
在送料过程中：
△L =LL-LC -K
L%= (△L/ LL)*100%
LL=理论上送入料罐的料液重量/1.1
K=（底部不可测料液重量8KG+送料管路中的料液重量）/1.1
注: 静磁栅尺的读数每变化1mm而罐内料液重量变化1.1kg.
其中LL为理论液位，LC为测量液位即静磁栅尺的读数 ，K为补偿系数（定值）。
由于送料流量较大为1800KG/H，考虑到送料管路和料罐底部的料液无法测量到，所以送料开始30S后，PLC程序开始每5秒钟对料罐中液位进行读入、计算和比较。如果对某时刻读入到PLC中的数值经过运算比较后得出：L%>±0.5%时，系统就会发出偏低的报警信号，同时在集控电脑和现场电脑上显示出报警信息。如果得出L%>±1%，系统就发出偏低停车的信号，使设备停机，同时在集控电脑和现场电脑上显示报警信息,通知维修人员检查。
送料全过程的数据变化也将保存在集控数据库中,随时可以调出进行数据分析.
送料控制信息方框图
在加料过程中：
△L =实际用料量-（LC0-LC1-K）*1.1
L%=(△L/ 实际用料量)*100%
注:1. 静磁栅尺的读数每变化1mm而罐内料液重量变化1.1kg.
2.实际用料量为质量流量计显示的重量.
其中LC0为加料前静磁栅尺的读数，LC1为加料过程中某时刻静磁栅尺的读数，K为补偿系数即加料管路中的料液重量（定值）。
由于刚开车时，烟叶流量较小导致用料量还比较小，达不到静磁栅液位计的检测，不能进行读数和比较。当烟叶流量达到设定值时，PLC程序开始每60秒钟对料罐中液位进行读入、计算和比较。如果对某时刻读入到PLC中的数值经过运算比较后得出：L% >±1%时，系统就会发出偏低的报警信号，同时在集控电脑和现场电脑上显示出报警信息。如果得出L%>±2%，并经过10S延时后，系统就发出偏低停车的信号，使设备停机，同时在集控电脑和现场电脑上显示报警信息,通知维修人员检查。
送料全过程的数据变化也将保存在集控数据库中,随时可以进行每批加料情况的数据分析,来判断加料系统是否完好.
加料控制信息方框图
4、结论
使用静磁栅液位计后，可以对料罐内的料液及加料设备进行时时监视、控制。如有故障及时报警及停机，减少质量事故的发生和提高加料质量。
在近3个月的运行中，静磁栅液位计能满足生产中计量及控制的要求，达到了我们此次改造的目的，但部分细节还有待于进一步的完善。
关键词：液位计
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