各类液位传感器的检测原理和性能分析

液位控制/水位控制的核心在于液位传感器，它决定了液位控制系统的可靠性、稳定性及使用寿命。液位控制显示仪表做得好坏，可以起到景上添花的作用，可以增加很多功能，但并不是决定液位控制系统寿命的核心。目前大部分液位传感器在清水中使用寿命最长。一般一年多，好一点的两年，一般不超过三年，差的仅几个月。在热水中绝大部分液位传感器不能使用，在污水中液位传感器的使用寿命会大打折扣。所以，现有的液位自动控制系统使用寿命一般就是一两年，这和现代微电子技术的发展形成鲜明对比。现代微电子技术如我们的冰箱彩电等使用寿命至少都在七八年以上。因此我们现在有必要对现有液位传感器技术，如电极式、光电式、GSK/UQK/GKY、压力传感器、超声波传感器等的原理和性能分析一下。

一、电极式液位控制/水位控制原理

电极式是最早的液位控制/水位控制方式，其控制原理很简单：因为水是导体，有水的时候两个电极间导电，交流接触器吸合。图1.1为电极式在水中控制原理示意图。但是电极在水中会分解而且会吸附很多杂质。如果不及时清理，电极就会失去作用。所以电极式液位传感器在清水中使用也只有几个月的寿命，在污水和热水中均不能使用。电极式液位控制技术，简单便宜，但使用寿命较短。为了弥补电极式液位控制技术的缺陷，人们想办法将电极和水分离出来，于是出现了干簧管，形成了UQK和GSK两种液位控制技术。

二、UQK液位控制/水位控制原理

干簧管将电极触点密封在玻璃管内，接近磁铁，触点就会吸合。所以人们在浮球里放一块磁铁和上、下两个干簧管，通过导线将浮球固定于水池中，如图2.1。这就是UQK的液位控制/水位控制方式。当水池无水的时候，浮球下垂，磁铁在下限干簧管处，故下限干簧管吸合。当水池有水的时候如图2.2，浮球上翻，磁铁在上限干簧管处，故上限干簧管吸合。将干簧管触点串接交流接触器，就可以控制水泵启动，见图2.3。这种方式依靠水的浮力使浮球上下翻转，上限、下限间的距离依据导线的长度来决定。由于要考虑耐流问题，导线不能太细。同时导线使用一段时间后，变得僵化发硬，翻转很不灵活。于是浮子翻转有时高一点，有时低一点，

上下限位置很不准确。于是出现了定位准确的GSK方式。

三、GSK液位控制/水位控制原理

GSK也采用干簧管，它将干簧管固定在管壁内固定的位置。浮子随着浮力沿着管壁上下滑动，见图3.1。浮子内有磁铁，经过干簧管时，触点吸合。干簧管触点也是直接串接交流接触器，可以控制水泵启动，见图3.2。GSK上下限位置精确，但管壁不能有脏东西，安装不能倾斜（小于30°），否则会影响浮子的上下移动。干簧管使用的环境温度不能过高，管壁和浮子之间仅1mm左右的缝隙，很容易被脏东西卡住。所以GSK也不适用于污水和热水。

以上为传统的液位控制/水位控制方式，可直接接220V或380V交流电，属于强电产品。但是，直接使用强电，电极插在水中很不安全。而干簧管因水位波动，触点频繁吸合，使用寿命大幅降低。于是，出现了直接采用弱电的几种液位控制/水位控制方式。

四、压力传感器

压力式液位传感器利用液体压力来检测液位，它将压力模拟量通过量化转化为数字显示。其间的传输距离不能太远，最好在200米以内，且需要屏蔽线传输。因为存在量化、电流飘移和传输干扰等影响，显示的液位高度和实际的液位高度往往存在较大的误差。如果用在密闭的管道系统中，这种误差对使用者并无大碍。比如显示5MPa,因为误差，实际并不是准确的5MPa。但客户无所谓，如果觉得压力过低，再调高一些就可以了。至于是不是准确的5MPa，没有多大关系。但要是用在敞开的容器，如水箱水池，这种误差就容易产生误动作。比如显示的液位高度为2.4米，实际上可能超过2.8米。所以在水箱或水池中使用这种传感器经常由于不准确而造成自动控制失灵，越小的水箱越容易失控。另外这种传感器不能在污水中使用，因为透水孔径很小，很容易被泥沙堵住。所以投入式压力传感器一般要求安装不能放在水池/水箱底部，因为常有泥沙堵住透水孔，可见其耐污性较差。压力传感器内部有电子元件，不能工作于较高的温度，所以也不适用于热水。

五、超声波液位计

超声波液位计在工业自动化中的应用越来越多。下面，我们分析一下超声波液位计的原理，看看使用超声波液位计时应注意哪些问题。超声波液位计是通过换能器表面震动推动空气产生超声波。超声波发出后换能器会有瞬间的静止，目的是为了接受返回的超声波。发出的超声波遇到水面反射回来再传回到换能器，引起换能器表面震动，这就接收了超声波。这样一发一收，根据其时间差就可以计算出液位的高度了。所以超声波液位计的核心在于返回的波能够引起换能器表面的震动，接收到返回的超声波。我们可以设想一下，如果换能器表面覆盖一层油污，或者一个水滴，换能器还能接收到超声波吗？所以超声波液位计使用时一定要注意防潮、防污，不适用于污水池，或挥发性强的液体中。因为排污池的周围环境一般比较脏，水泵等很多设备的机油排放在周围，换能器表面很容易粘上一层油污。挥发性液体会产生雾气吸收超声波，削弱回波的强度。

根据以上的分析，我们把超声波液位计的使用注意事项总结一下：

第一，超声波液位计都存在盲区（一般为400mm），且安装时不能离容器壁太近（最好大于500mm）。比如，排污池一般都很小，里面又有水泵及管道，这些障碍物都会反射波，造成误判。

第二，超声波传感器检测的液面要求比较平稳，不能有太大的波动。而排污泵在排水时搅动水面，或者容器内有搅拌机时都会造成较大的波动，影响检测的准确度。

第三，雾气会吸收超声波，影响检测。有些排污池会排放一些热水，产生一些水蒸气，造成误判断。所以超声波液位计也不适用于挥发性强的液体中，如浓度较高的酸性、碱性液体。

第四，就是我们前面提到的，超声波液位计的换能器表面不能太脏，不能有水滴。

所以超声波液位计也不适用于污水和热水，因为热水有水蒸汽。

四、光电式液位控制/水位控制原理

光电式液位控制/水位控制采用光反射原理：当传感器玻璃反射面有水时，如图4.1，发射光从反射面透射出去，不发生全反射。这时接收端检测不到光，输出很小的电流，说明有水。当传感器反射面无水时，如图4.2，发射的光在玻璃反射面回来，发生全反射。这时接收端可以检测到光，输出毫安级的电流，说明无水。光电式传感器工作于12V直流电，属于弱电。毫安级电流传输损耗少，可以传很远的距离。但光电式液位传感器的反射玻璃面如果变脏或被脏东西挡住时，即使有水，光也会被反射回来，造成判断失误。另外，光电式液位传感器内部的光接收元件也不能工作于高温环境，所以光电式液位传感器不能用于污水和热水。

五、GKY液位控制/水位控制原理

GKY结合传统浮子和光电式液位控制的传输特性。其一，GKY液位传感器利用液体浮力改变传感器方向，如图5.1。这一点类似传统浮子，传感器通过细软线固定在悬索的某一点，这样它可以随水位灵活上下翻转，检测这一点是否有水，检测位置精确。其二，密封在传感器内部的微电路可以在不同方向下产生不同的电流（类似手机自动旋转屏幕），这一点类似光电式液位控制：有水时电流很小，无水时产生毫安级的电流。毫安级的电流传输衰耗少，传输距离可达几十公里。GKY液位传感器工作于12V安全电压，短路电流仅3mA，属于本安型电路。其检测方式和水质无关，所以可以用于清水、污水和70°C以下的热水中。该传感器只需两根普通传输线传输，接线简单，安装方便。