液位传感器种类繁多,包括简单的浮子液位开关、音又液位开关、超声波液位计、雷达液位计、电容式液位计、导向微波液位计以及差压式液位计等。在制药用水系统的制备单元、储存与分配管网单元均需用到多种不同的液位计,制药用水储罐的液位计一般选用电容式液位计、导向微波液位计与差压式液位计,当没有压力影响时也有采用静压变送器测量液位的方式。
电容式液位计和导向微波液位计通常有杆状或软绳状物与水接触,而差压式液位计和静压液位计的探头面也会与水接触。从不接触的角度来讲,超声波液位计和雷达液位计是很好的选择,但因制药用水液位传感器需要卫生级设计且需要耐受高温消毒或灭菌,超声波液位计和雷达液位计的选用往往容易受到限制。
液位测量是过程控制的组成部分,液位测量分为液位开关/报警和连续液位测量/控制两个部分。液位开关用于指示液位已经达到一个预先设置的高度并输出一个开关信号,可用于控制开关阀将储罐液位从下限值灌装到上限值。常见的液位开关采用以下浮子和音又的原理。连续液位传感器能够提供一个系统完整的液位测量,能够测量整个测量范围内所有点的液位,可以提供与液位距离、容积成正比的模拟输出信号,分为与介质接触式和非接触式测量。常见的连续液位计采用以下原理:与介质接触式是导向微波和静压变送器,与介质非接触式是超声波和雷达。
不同的液位开关或连续液位传感器,其工作原理各不相同。下面将简单介绍浮子液位开关、音又液位开关、导向微波液位计、静压液位计、超声波液位计、雷达液位计、电容式液位计与差压式液位计的基本测量原理。
- 浮子液位开关测量原理为浮在液面上的浮子根据液位改变其垂直位置,集成在浮子内的磁铁产生一个恒定的磁场,使磁场中的舌簧触点动作,浮子开关中带磁铁的浮子与舌簧触点是机械连接的,这样就构成一个液位开关触点,浮子开关上的机械止动器防止当液位连续上升时浮子的上升,从而使回路状态保持不变,只有当液位回落到该止动器之下时,浮子才复位,浮子液位开关不适用于密度较低(低于0.7g/cm3)和会产生涂层的介质。
- 音叉液位开关测量原理为音叉由压电驱动,以其机械共振频率约1200Hz振动,当音叉浸入液体中时,其振动频率发生改变,内置振荡器检测该变化并将其转换成开关信号,由于其测量元件简单坚固,因此不受被测液体的化学和物理性质的影响。
- 导向微波液位计测量原理为高频微波脉冲沿着钢缆或钢管中的钢棒传递,到达介质表面后反射回来,被电子部件接收,变送器计算微波脉冲的运行时间并转换成相应的液位输出,该变送器可预先设置所订购的探头长度,而不必进行耗时的调整,钢缆和钢棒可调整到适合于实际需要的长度。
- 静压液位计测量原理为液柱产生的静压为液体密度和液位的函数,安装在储罐底部的压力传感器测量该相对于大气压力表压,根据已知的介质密度,将测量值转换成液位。原理为p=Pgh其中P为压力、P为液体密度、g为重力加速度常数、h为液位高度。在气相压力(大气压)、液体密度和重力加速度一定的情况下,罐内液体压力和罐内液位高度成正比。静压式液位传感器原理简单,一般安装于罐体侧壁或底部。静压液位测量几平适用于所有介质,在没有压力或温度波动的情况下,储罐可采用静压液位计进行液位监控,例如原水罐或软化水罐。当制药用水储存系统罐体体积较小、水温波动频繁或罐体带压工作时,静压液位计易发生液位漂移,故其较少使用在注射用水与纯化水等制药用水的储存系统中。
- 超声波液位计测量原理为超声波液位计的发送器以70kHz的频率向被测介质发射超声波短脉冲,这些脉冲被介质表面反射回来,并由发送器作为回波接收,该超声波脉冲从发射到接收所需的时间与距离成正比,因而也与液位成正比,集成的温度传感器检测储罐的温度,并将温度对信号运行时间的影响进行补偿,测得的液位转换为输出信号并作为测量值传送,如已知储罐形状,则可显示储罐内液体的容积。
- 雷达液位计测量原理为雷达液位计包括电子壳体、过程接头、探头和传感器,探头以约lns的间隔向被测介质发射雷达脉冲,这些脉冲被介质表面发射回来,并由探头作为回波接收,雷达波以光速传播,该雷达脉冲从发射到接收所需的时间和距离成正比,因而也与液位成正比,测得的液位转换为输出信号,并作为测量值传送。
- 电容式液位计测量原理为利用液体介电常数恒定时,极间电容正比于液位的原理进行设计的。因为纯化水系统和注射用水系统的液体介电常数偏差较小,不影响正常的液位检测,目前已广泛使用于制药用水储存与分配系统。对于配料系统和CIP系统的储罐,因其电导率值会发生频繁变化电容式液位计无法满足其液位监控要求。电容式液位计需从罐顶插入安装,对罐体安装高度和制水间高度等有一定要求,系统设计时需引起注意。
- 差压式液位计测量原理为△p=△gh,其中△p为液相与气相的压力差、△p为液相与气相的密度差、g为重力加速度常数、h为液位高度。采用罐体液相和气相压差来实现液位的监控。与电容式液位计一样,差压式液位计也已广泛使用于制药用水储存与分配系统。与静压液位计和电容式液位计相比,气相压力变化、水温波动和水中电导率值的变化均不会影响差压式液位传感器的检测准确度,同时,它也不受罐体安装高度的影响。因此,差压式液位计是制药用水储罐理想的液位传感器。差压式液位计有两个传感探头,并安装于罐体上封头和罐体底部封头(或侧壁)上。
