液位傳感器種類繁多,包括簡單的浮子液位開關、音又液位開關、超聲波液位計、雷達液位計、電容式液位計、導向微波液位計以及差壓式液位計等。在制藥用水系統的制備單元、儲存與分配管網單元均需用到多種不同的液位計,制藥用水儲罐的液位計一般選用電容式液位計、導向微波液位計與差壓式液位計,當沒有壓力影響時也有采用靜壓變送器測量液位的方式。
電容式液位計和導向微波液位計通常有桿狀或軟繩狀物與水接觸,而差壓式液位計和靜壓液位計的探頭面也會與水接觸。從不接觸的角度來講,超聲波液位計和雷達液位計是很好的選擇,但因制藥用水液位傳感器需要衛生級設計且需要耐受高溫消毒或滅菌,超聲波液位計和雷達液位計的選用往往容易受到限制。
液位測量是過程控制的組成部分,液位測量分為液位開關/報警和連續液位測量/控制兩個部分。液位開關用于指示液位已經達到一個預先設置的高度并輸出一個開關信號,可用于控制開關閥將儲罐液位從下限值灌裝到上限值。常見的液位開關采用以下浮子和音又的原理。連續液位傳感器能夠提供一個系統完整的液位測量,能夠測量整個測量范圍內所有點的液位,可以提供與液位距離、容積成正比的模擬輸出信號,分為與介質接觸式和非接觸式測量。常見的連續液位計采用以下原理:與介質接觸式是導向微波和靜壓變送器,與介質非接觸式是超聲波和雷達。
不同的液位開關或連續液位傳感器,其工作原理各不相同。下面將簡單介紹浮子液位開關、音又液位開關、導向微波液位計、靜壓液位計、超聲波液位計、雷達液位計、電容式液位計與差壓式液位計的基本測量原理。
- 浮子液位開關測量原理為浮在液面上的浮子根據液位改變其垂直位置,集成在浮子內的磁鐵產生一個恒定的磁場,使磁場中的舌簧觸點動作,浮子開關中帶磁鐵的浮子與舌簧觸點是機械連接的,這樣就構成一個液位開關觸點,浮子開關上的機械止動器防止當液位連續上升時浮子的上升,從而使回路狀態保持不變,只有當液位回落到該止動器之下時,浮子才復位,浮子液位開關不適用于密度較低(低于0.7g/cm3)和會產生涂層的介質。
- 音叉液位開關測量原理為音叉由壓電驅動,以其機械共振頻率約1200Hz振動,當音叉浸入液體中時,其振動頻率發生改變,內置振蕩器檢測該變化并將其轉換成開關信號,由于其測量元件簡單堅固,因此不受被測液體的化學和物理性質的影響。
- 導向微波液位計測量原理為高頻微波脈沖沿著鋼纜或鋼管中的鋼棒傳遞,到達介質表面后反射回來,被電子部件接收,變送器計算微波脈沖的運行時間并轉換成相應的液位輸出,該變送器可預先設置所訂購的探頭長度,而不必進行耗時的調整,鋼纜和鋼棒可調整到適合于實際需要的長度。
- 靜壓液位計測量原理為液柱產生的靜壓為液體密度和液位的函數,安裝在儲罐底部的壓力傳感器測量該相對于大氣壓力表壓,根據已知的介質密度,將測量值轉換成液位。原理為p=Pgh其中P為壓力、P為液體密度、g為重力加速度常數、h為液位高度。在氣相壓力(大氣壓)、液體密度和重力加速度一定的情況下,罐內液體壓力和罐內液位高度成正比。靜壓式液位傳感器原理簡單,一般安裝于罐體側壁或底部。靜壓液位測量幾平適用于所有介質,在沒有壓力或溫度波動的情況下,儲罐可采用靜壓液位計進行液位監控,例如原水罐或軟化水罐。當制藥用水儲存系統罐體體積較小、水溫波動頻繁或罐體帶壓工作時,靜壓液位計易發生液位漂移,故其較少使用在注射用水與純化水等制藥用水的儲存系統中。
- 超聲波液位計測量原理為超聲波液位計的發送器以70kHz的頻率向被測介質發射超聲波短脈沖,這些脈沖被介質表面反射回來,并由發送器作為回波接收,該超聲波脈沖從發射到接收所需的時間與距離成正比,因而也與液位成正比,集成的溫度傳感器檢測儲罐的溫度,并將溫度對信號運行時間的影響進行補償,測得的液位轉換為輸出信號并作為測量值傳送,如已知儲罐形狀,則可顯示儲罐內液體的容積。
- 雷達液位計測量原理為雷達液位計包括電子殼體、過程接頭、探頭和傳感器,探頭以約lns的間隔向被測介質發射雷達脈沖,這些脈沖被介質表面發射回來,并由探頭作為回波接收,雷達波以光速傳播,該雷達脈沖從發射到接收所需的時間和距離成正比,因而也與液位成正比,測得的液位轉換為輸出信號,并作為測量值傳送。
- 電容式液位計測量原理為利用液體介電常數恒定時,極間電容正比于液位的原理進行設計的。因為純化水系統和注射用水系統的液體介電常數偏差較小,不影響正常的液位檢測,目前已廣泛使用于制藥用水儲存與分配系統。對于配料系統和CIP系統的儲罐,因其電導率值會發生頻繁變化電容式液位計無法滿足其液位監控要求。電容式液位計需從罐頂插入安裝,對罐體安裝高度和制水間高度等有一定要求,系統設計時需引起注意。
- 差壓式液位計測量原理為△p=△gh,其中△p為液相與氣相的壓力差、△p為液相與氣相的密度差、g為重力加速度常數、h為液位高度。采用罐體液相和氣相壓差來實現液位的監控。與電容式液位計一樣,差壓式液位計也已廣泛使用于制藥用水儲存與分配系統。與靜壓液位計和電容式液位計相比,氣相壓力變化、水溫波動和水中電導率值的變化均不會影響差壓式液位傳感器的檢測準確度,同時,它也不受罐體安裝高度的影響。因此,差壓式液位計是制藥用水儲罐理想的液位傳感器。差壓式液位計有兩個傳感探頭,并安裝于罐體上封頭和罐體底部封頭(或側壁)上。
