【成功案例】汽/柴油液位监测高效低成本解决方案：可垂直安装的小型液位传感器

时间： 2017-12-21 来源：世强作者：采蘑菇的小红帽

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在石油石化行业，油品的储运一直是业内公认的难题。

油品分为很多种，但是不论哪种油品（汽油、柴油、煤油等）都是原油在炼油厂经过一系列的工艺步骤提炼而来的。成品油产出后的运输（从炼油厂输送到油站等地）就是由图1这种交通工具来完成的，它叫油罐车。

图1：油罐车实物图

在油品装车的环节中，用分仓式的油罐（可以分装多种油品）来举例描述液位监测方案的运行原理。如图2：罐体被分为5个舱体，每个舱体都是独立的，顶部装有防止“冒油事故”（罐体装满后仍在发油，油从顶部或底部冒出）的液位传感器，当批控仪（定量装车的一种仪器）失效或故障时，液位传感器将液位信号传递给控制器，冒油时控制器紧急切断发油泵，避免事故的发生。

图2：油罐车分仓液位传感器分布示意图

器件选型：

在设计该传感器之初，我们综合考量过多种液位检测方案，待选的方案有：浮子式、光电式、压电式三种。下面就三种方案作简单阐述。

光电式液位传感器，敏感性好，相应的也较容易受到光线及油气浓度变化的干扰，同时设计难度相对较高；浮子式液位传感器，电路设计最为简单，虽然检测精度略低于光电式液位传感器，但足以满足现场应用要求。而浮子式传感器，供应商的加工工艺很难保证成品的一致性，容易发生浮子卡壳造成传感器失效。所以我们最后综合考虑，放弃最简单可行的设计方案，选择了精度和设计难度介于光电式和浮子式之间的压电式液位传感器。

设计方案：

压电式液位传感器的主要原理：利用压电陶瓷的压电效应，实现电信号跟机械信号（压电陶瓷片震动）的相互转换。由于压电陶瓷片在不同介质（气体与液体，这里主要指空气和油品）中震动频率不同，通过检测陶瓷片的震动频率就可以判定液位位置。

考虑到压电陶瓷的工作寿命，对压电陶瓷采用分时上电的方式。即每间隔150ms给压电传感器上电50ms，同时MCU在上电间隙采集返回的频率信号。通过比对频率值的变化（压电陶瓷片气体介质振动频率15KHz左右，液体介质12KHz左右）判断液位的变化。

图3：压电液位传感器工作原理框图

优化方案：

在实际应用中，普通压电式液位传感器虽然能较好地满足功能上的需求，但仍然有一些不易攻克的痛点，给产品的推广和维护制造了很大的困扰。

图4.压电式液位传感器实物图

首先就是装配复杂。由于该传感器使用在“0区”（连续或长期出现爆炸性条件的区域），为了防止器件失效打火造成危险，复杂电路部分都要进行“胶封”处理，传感器本身连带保护外壳更是要进行两次以上“胶封”，加长了工期，增加了人工成本；其次，压电陶瓷片本身容易受损。如图6，压电陶瓷片是经过特殊工艺压制在不锈钢片上的，当不锈钢片从外部受力，就易出现由压电陶瓷脱落导致传感器失效的情况。

图5.压电陶瓷片装配图

图6.压电陶瓷片实物图

为解决这两个痛点，最终确定为STANDEX-MEDER推出的LS01液位传感器，该传感器是运用比较成熟的方案。LS01是一种可以垂直安装的小型液位传感器，可进行单个液位点的控制、检测和监测，其浮子由丁腈橡胶（NBR）制成。有极好的耐油性，对油类几乎不溶胀。此外，丁腈橡胶具有半导性，可以用来导出静电，避免静电积聚泄放打火，引发事故。

同时，LS01传感器具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器。在设计之初省去了防反接等保护电路，降低了生产和技术上的成本，缩短开发周期。

图7. LS01液位传感器

经验总结：

主要是从该项目中获得的一些教训。首先，可靠性是产品设计中不可忽视的重要因素，直接关系到产品的生命周期。在生产工艺或者可靠性设计上有缺陷的产品会迅速的被迭代淘汰；本项目另外一点值得总结的是，研发不是从零做起，应尽可能的以应用代替研发，新产品开发阶段要优先考虑整合利用市面上现有的资源，可以大大缩短研发周期，同时规避掉在新领域经验不足的短板。

归纳为——专业的事情交给专业的人去做，站在巨人的肩膀上更容易获得成功。

技术顾问：风九

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maomao Lv8. 研究员 2019-05-25

学习了
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-05-21

好好学习
Jerrfy Lv9. 科学家 2019-05-08

深入了解市场
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-03-12

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累了 Lv7. 资深专家 2019-02-27

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