液位傳感器種類繁多,包括簡單的浮子液位開關(guān)、音又液位開關(guān)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、電容式液位計(jì)、導(dǎo)向微波液位計(jì)以及差壓式液位計(jì)等。在制藥用水系統(tǒng)的制備單元、儲存與分配管網(wǎng)單元均需用到多種不同的液位計(jì),制藥用水儲罐的液位計(jì)一般選用電容式液位計(jì)、導(dǎo)向微波液位計(jì)與差壓式液位計(jì),當(dāng)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(jì)和導(dǎo)向微波液位計(jì)通常有桿狀或軟繩狀物與水接觸,而差壓式液位計(jì)和靜壓液位計(jì)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(jì)和雷達(dá)液位計(jì)是很好的選擇,但因制藥用水液位傳感器需要衛(wèi)生級設(shè)計(jì)且需要耐受高溫消毒或滅菌,超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)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(guān)/報警和連續(xù)液位測量/控制兩個部分。液位開關(guān)用于指示液位已經(jīng)達(dá)到一個預(yù)先設(shè)置的高度并輸出一個開關(guān)信號,可用于控制開關(guān)閥將儲罐液位從下限值灌裝到上限值。常見的液位開關(guān)采用以下浮子和音又的原理。連續(xù)液位傳感器能夠提供一個系統(tǒng)完整的液位測量,能夠測量整個測量范圍內(nèi)所有點(diǎn)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(zhì)接觸式和非接觸式測量。常見的連續(xù)液位計(jì)采用以下原理:與介質(zhì)接觸式是導(dǎo)向微波和靜壓變送器,與介質(zhì)非接觸式是超聲波和雷達(dá)。

不同的液位開關(guān)或連續(xù)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(guān)、音又液位開關(guān)、導(dǎo)向微波液位計(jì)、靜壓液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、電容式液位計(jì)與差壓式液位計(jì)的基本測量原理。

1. 浮子液位開關(guān)測量原理為浮在液面上的浮子根據(jù)液位改變其垂直位置,集成在浮子內(nèi)的磁鐵產(chǎn)生一個恒定的磁場,使磁場中的舌簧觸點(diǎn)動作,浮子開關(guān)中帶磁鐵的浮子與舌簧觸點(diǎn)是機(jī)械連接的,這樣就構(gòu)成一個液位開關(guān)觸點(diǎn),浮子開關(guān)上的機(jī)械止動器防止當(dāng)液位連續(xù)上升時浮子的上升,從而使回路狀態(tài)保持不變,只有當(dāng)液位回落到該止動器之下時,浮子才復(fù)位,浮子液位開關(guān)不適用于密度較低(低于0.7g/cm3)和會產(chǎn)生涂層的介質(zhì)。
2. 音叉液位開關(guān)測量原理為音叉由壓電驅(qū)動,以其機(jī)械共振頻率約1200Hz振動,當(dāng)音叉浸入液體中時,其振動頻率發(fā)生改變,內(nèi)置振蕩器檢測該變化并將其轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號,由于其測量元件簡單堅(jiān)固,因此不受被測液體的化學(xué)和物理性質(zhì)的影響。
3. 導(dǎo)向微波液位計(jì)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(dá)介質(zhì)表面后反射回來,被電子部件接收,變送器計(jì)算微波脈沖的運(yùn)行時間并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位輸出,該變送器可預(yù)先設(shè)置所訂購的探頭長度,而不必進(jìn)行耗時的調(diào)整,鋼纜和鋼棒可調(diào)整到適合于實(shí)際需要的長度。
4. 靜壓液位計(jì)測量原理為液柱產(chǎn)生的靜壓為液體密度和液位的函數(shù),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(jù)已知的介質(zhì)密度,將測量值轉(zhuǎn)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(shù)、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(nèi)液體壓力和罐內(nèi)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(cè)壁或底部。靜壓液位測量幾平適用于所有介質(zhì),在沒有壓力或溫度波動的情況下,儲罐可采用靜壓液位計(jì)進(jìn)行液位監(jiān)控,例如原水罐或軟化水罐。當(dāng)制藥用水儲存系統(tǒng)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(jì)易發(fā)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(tǒng)中。
5. 超聲波液位計(jì)測量原理為超聲波液位計(jì)的發(fā)送器以70kHz的頻率向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波短脈沖,這些脈沖被介質(zhì)表面反射回來,并由發(fā)送器作為回波接收,該超聲波脈沖從發(fā)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(yùn)行時間的影響進(jìn)行補(bǔ)償,測得的液位轉(zhuǎn)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(nèi)液體的容積。
6. 雷達(dá)液位計(jì)測量原理為雷達(dá)液位計(jì)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(zhì)發(fā)射雷達(dá)脈沖,這些脈沖被介質(zhì)表面發(fā)射回來,并由探頭作為回波接收,雷達(dá)波以光速傳播,該雷達(dá)脈沖從發(fā)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(zhuǎn)換為輸出信號,并作為測量值傳送。
7. 電容式液位計(jì)測量原理為利用液體介電常數(shù)恒定時,極間電容正比于液位的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。因?yàn)榧兓到y(tǒng)和注射用水系統(tǒng)的液體介電常數(shù)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(tǒng)。對于配料系統(tǒng)和CIP系統(tǒng)的儲罐,因其電導(dǎo)率值會發(fā)生頻繁變化電容式液位計(jì)無法滿足其液位監(jiān)控要求。電容式液位計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)時需引起注意。
8. 差壓式液位計(jì)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(shù)、h為液位高度。采用罐體液相和氣相壓差來實(shí)現(xiàn)液位的監(jiān)控。與電容式液位計(jì)一樣,差壓式液位計(jì)也已廣泛使用于制藥用水儲存與分配系統(tǒng)。與靜壓液位計(jì)和電容式液位計(jì)相比,氣相壓力變化、水溫波動和水中電導(dǎo)率值的變化均不會影響差壓式液位傳感器的檢測準(zhǔn)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(jì)是制藥用水儲罐理想的液位傳感器。差壓式液位計(jì)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(cè)壁)上。