水位传感：低成本测量系统的最新研究进展与性能评价外文翻译资料

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水位传感：低成本测量系统的最新研究进展与性能评价

Konstantinos Loizou, Eftichios Koutroulis

摘要：现在，因为水的高可用性要求，所以水的管理对于现代社会来说是至关重要的。水管理方案的应用要求在多个地理隔离的大型储水网络中安装水位数据采集系统。液位传感现有技术已经应用在一个相对较小的测量范围，或需要高成本的特殊科研设备，或他们不方便运输，在供水管网在城市，社区的多个大型水箱安装和长期维护，本文初步提出了现有的液位传感的回顾。然后，通过模拟和实验测试，在一个城市规模的供水管网的两个储水箱中的操作特性和性能的一种新型的电容式水位测量系统进行了研究。它表明，所提出的电容式水位测量系统市售的超声波水位传感装置和同时的等效性能表现并且有更低的制造成本。

1. 介绍

液体储罐是各种工业应用的重要组成部分。液位传感器适用于各种液体，如短期或远程传感器的有害或无害的液体，具有多种分辨率和精度性能。一个理想的液位传感系统应该能够

具有稳定性高、分辨率高、成本低等特点。同时，由于水的供应量增加要求（如住宅和/或农业用途等），水的管理现代对社会迅速发展变得至关重要。在这个应用中，它需要监测的水位分布在大型储罐的供水管网，表现出显着的深度（例如2 - 6米）。由于供水管网通常含有大量的储水箱（如在社区、城市等），必须在供水系统内安装大量的水位数据采集系统，以获得准确的水供应信息。收集水舱的数据对于应用适当的水管理方案是必要的。因此，通过安装方便、成本低的水位传感器来远程监控大量的水箱。

在本文中，首先进行液位监测技术的现有状态的广泛审查，以探讨在考虑在水管理中的应用当前技术的适用性。作者再以前的工作中已经提出一种新型电容式水位测量仪的性能系统，对它进一步扩展调查的业务特性。模拟和实验研究在城市规模的配水管网的储水箱进行，相比现有的工业水位传感系统体现了其优越性。

本文的结构如下：在第二章中水位监测技术的回顾；在第三章中介绍了水位测量系统；第四章介绍了在实际中安装使用并与市售的超声波水位传感装置进行了比较；第五章是结论和总结。

1. 水位测量技术综述

电容式传感器的使用是一种优秀的水位测量系统解决方案应用。这种类型的传感器已被证明是稳定的，可以提供高分辨率，并可以使用各种材料构造，而且是低成本。电容式传感器可以是各种形状，以提供理想的电容器，这将受到最少的不良参数影响，如电缆电容，变化由于传感器之间产生的温度或寄生电容及附近物体。圆柱电容传感器提供了一个极好的解决方案，提高了传感器结构的稳定性。使用屏蔽电缆，不锈钢，印刷电路板（PCB），塑料，金属棒，甚至电线绝缘聚四氟乙烯（PTFE）的设计，在过去被报道过。电容式传感器的工作原理与标准电容器组件相同。因此，制造该系统的材料对于传感器系统的总电容和操作的稳定结果至关重要。所需的测量是通过测量两个金属板之间的电容来获得的，这些金属板本质上是产生感应电容器的。这些金属板之间的液体水平改变了传感器的总电容。取决于它的化学成分和操作频率，液体在传感器电极之间，可以导电，也可以是导体，也可以是绝缘体。因此，电容式液位传感器的操作是由测量液体的性质决定的。在数据采集系统中，它的电容随测量材料的不同而变化。由于在工业市场上广泛使用的材料，适合他们的建造，电容式液位传感器可以很低的成本，并且可以通过与饮用水的接触获得认证。

构成电容传感器的电极通常是不锈钢的。

用于饮用水申请的钢棒，如316L和304L型。由于缺乏灵活性，金属棒通常至少组成电容式液位传感器结构的一部分，限制了这种传感器在偏远地区易于运输和安装的能力。这个传感器是用可弯曲的屏蔽电缆构造的，解决了交通运输的问题。另外，这种类型的电缆广泛使用，传感器可用于金属和塑料容器。它的建筑材料是防水的，以保证传感器的内部部分受到保护。然而，据报道，这种电缆是由PVC(聚氯乙烯)构造的，可以用几种形式找到。在饮用水储存罐中，不可能合格安装。摘要针对信号调节系统，利用3个电容-数字转换器对传感器电容变化进行测量，为微控制器提供了结果数据。整个系统进行了测试，在液位范围可达200厘米，表现出的测量误差小于1%。

电容式传感方法的主要缺点是，它能受到寄生电容的影响，并且需要对建筑材料的长期性能进行测试。此外，用于构建传感器的电缆材料必须根据其卫生适宜性进行认证。与饮用水接触，以便在饮用水储存罐中使用。

摘要介绍了电容式液位传感器的多种不同版本，并以各种材料为材料，以低成本、易于安装和高线性特性为重点。通常情况下，这些传感器在实验室中使用LCR表测量传感器电容。电容测量中最典型的变化是由温度变化引起的。摘要为了适应大型储罐的应用，对液体液位传感器进行简单的安装和装配是至关重要的，在恶劣的环境条件下，它能够抵抗。例如，在一个液体储罐的操作过程中，在一年中的温度变化，加上水的存在，会产生很高的湿度，从而腐蚀。如果不是不锈钢的，就破坏钢。

摘要介绍了一种低成本、高线性的电容式水位传感器，采用印刷电路板(PCB)进行构造。这种电容式传感器被称为跨数字电容传感器，它是用两个梳状电极进行开发的。它的原理是与构成电极的两个平行板形成的标准电容器相同的工作原理。通过简单的测量，测量了水位的测量值基于PIC16F887微控制器(图1)的电路，实验范围在实验室环境中被限制在30厘米范围内，显示了0.2厘米的分辨率。然而，这种类型的传感器需要一个特殊的PCB设计和结构。此外，由于传感器电极是由连续的PCB层形成的，所以它在远程应用(如储水箱中的应用在城市规模的水分配网络中，传感器的长度应该超过0.5米，这是很困难的。据报道，传感器和信号调节系统的总成本约为32/m的传感器长度。

电容式传感器也可以在管道测量系统中找到应用，测量液体流动的变化。该系统通过测量不同的电容在其电极间形成的各种电容，估算出每个流体在特定类型的管道中所占的部分面积。该技术的测试表明，利用这种电容式传感器可以准确监测两相流的流动。它还揭示了选择适当的操作频率对于传感器是很重要的，为了获得必要的灵敏度，因为当电容传感器在适当的频率范围内运行时，可以忽略寄生现象，也可以对其进行分析。电容式传感也在其他应用中被应用，例如监测搅拌罐。在此情况下，通过模拟搅拌罐内的各种环境，对搅拌系统对传感器测量电容的影响进行了实验研究。进行了实验，通过测量有机玻璃螺旋桨的影响。结果表明，由于空气的进入，传感器电容的变化可能会发生变化。

此外，在固液混合过程中，由于传感器附近固体颗粒体积分数的减小，传感电容随搅拌速度的增加而变化。

液体监控应用也可以在各种工业过程中找到，比如在微流体通道中对液体的测量。通过使用垂直硅电极，将电容传感器安装在晶圆通道上，以检测液体水平的变化。为了开发这个传感器，应用了一个6个掩模兼容的过程。这种电容式传感器具有非常高的测量分辨率，并扩展了电容式传感在工业领域的应用。

另一种通常用于液体水平测量的传感器是光学传感器。为了获得液体水平测量，已经实现了不同类型的光学传感技术。利用光学传感器，可以通过使用材料来实现液位传感过程的控制。除PVC或不锈钢外，不经液体接触改变，将水平监测应用于危险的化学液体。

摘要提出了一种基于偏振的光纤模态干涉仪的光学水平传感器。实验结果表明，温度对测量结果具有很高的敏感性。因此，尽管具有良好的线性效果，但在大尺度的液体容器中应用这种光学传感器将是无效的。此外，非侵入式全纤维结构的优点对微量化学液体的测量很重要，需要高分辨率。这样的测量系统很容易被制造出来，但是传感器必须放在容器的两端(图2)，限制了可能的应用范围。

光纤光栅(FBGs)经常受到几个参数的影响。在研究的第一部分中，研究了光纤光栅的有效折射率及其实验特性，如在蚀刻过程中布拉格波长的灵敏度和时间演化等。建立了n个解析表达式，将蚀刻FBG的半径和有效的折射率联系起来。蚀刻FBGs作为液体水平的性能，通过将FBG传感器浸入液体中，对水和橄榄油的传感器进行了实验。结果表明，水导致了衍射波长的变化，而橄榄油则导致了反射能量的减少。实验是在低水平的液体(最高5毫米)的情况下进行的。因此，这种技术不能用于测量大范围的液体水平，这是大型水箱中需要的。

同时还提出了一种基于光纤光栅弯曲的光纤液位传感器。FBG被放置在悬臂杆上，由于悬臂杆的弯曲，布拉格光栅的收缩提供了液体水平变化的数据(图3)。水的上升使悬臂杆的边缘向上移动，导致了FBG布拉格波长的偏移。当水上升时，波长就会增加，而当水位下降时，波长就会回到最初的值。

为了测量布拉格波长的变化，需要使用光学频谱分析仪(OSA)。还有，LABVIEW软件平台的使用在进行数据采集和处理的实验中，以及信号监测和用户界面设备都需要进行测试。最后，为了补偿发达传感器头温度变化的影响，温度变化，还必须执行度量。实验结果表明，室内温度在0-36厘米的范围内，在水位的上升和下降过程中具有良好的线性和稳定性。实验结果表明，该系统能在线性度、简单结构和再现性等方面提供满意的性能。然而，由于必须的外部硬件，整个测量系统的成本是很高的。

另一种被报道为液体水平测量的光学传感器使用了法布-prot干涉仪。该传感器系统可用于远距离测量，提供了一个非常好的分辨率为0.7 mmat的长度为5米。这种类型的光学传感器基于一个基于隔膜的外部法-prot。干涉仪(DEFPI)。据报道，温度变化影响了EFPI的测量，然而，适当的制造技术的应用可能会降低液体水平的测量误差。为了提供结果，传感器被连接到一种光学传感器仪器上，并通过LABVIEW软件平台对其进行处理。外部科学设备的使用增加了成本。整个系统，限制了获得液体水平测量的可能的应用范围。此外，传感器必须安装在液体储罐的特定位置，使其在大型储罐中的使用变得困难。尽管如此，这种传感器可用于多种液体类型，具有远程测量功能。在工业应用中，能力是一种选择。

为了测量液体的水平，通过使用FBG，或者用法布-prot压力传感器测量液体的浓度，就需要知道液体的具体重力。这两种类型的传感器被浸没在液体的不同深度以便同时获得两者的值。液体的特殊重力和它的水平(图4)。

光纤环环技术已被应用于低液位，在此基础上使用了一段较短的蚀刻纤维。图5所示的实验装置由几种仪器组成，而这种方法的测试仅在实验室环境中进行。尽管如此，这种方法在非常精确的液体水平测量中得到了很好的效果。这种类型的测量系统有可能用于监测低浓度的液体，在这种情况下，化学物质的存在可能会恶化其他侵入式传感器的性能(例如，在含有碳二硫化物、汽油等的应用中使用)。另一方面，这种类型的测量系统相对复杂，在应用诸如城市尺度的储水罐监控等应用程序中获得高水平的液体水平测量是非常昂贵的。

在液体水平上使用了一种有雕刻凹槽的光纤，用于测量液体的水平。当液体水平上升时，液体的沟槽的数量增加了，传输光功率的减少也随之减少。测量的分辨率取决于光纤表面上的凹槽的距离。该测量技术主要适用于涉及易燃液体的工业应用，但由于光纤的特殊构造和相对复杂的信号处理电路，因此不适合在低成本液体水平测量系统中使用。对于低液位的应用，建议使用倾斜的光纤光栅(TFGs)。在这种情况下，采用了一种tm-极化技术来开发一种传感器系统，该系统可以用相对线性的响应来监测水位。这种方法的应用可以降低测量系统的成本。对于其他基于光学的传感结构，由于不需要偏振控制器，但它仍然是一种非常昂贵的水配电网监测要求的替代方案。利用光纤激光传感器，研制了一种将温度和液位传感器相结合的传感器。该测量系统基于单模光纤中形成的两种锥形结构，由干涉仪组成，与FBG相结合。实验结果表明，该传感器在液面测量中具有较高的分辨率和灵敏度。然而，由于这种传感技术的工作原理，它只适用于低液位的应用。

提出了拉曼光纤散射法的应用，用于测量油井的液位。然而，由于采用了一种光学解调仪和信号处理器，这种技术的实现成本相对较高。数码相机的使用在液体表面的变化过程中检测浮液的位移。这种方法的缺点是，用于捕捉和分析液体表面和浮浮图像的电子设备的成本相对较高。

在无线监测系统领域也进行了广泛的工作，因为它们是通过无线传感器网络(WSNs)的形成来收集测量数据的理想工具。这种测量系统是电阻和电容传感器的测量系统。环境监测是至关重要的，几个无线传感器可能提供需要适当保护几个位置的数据。数据收集系统从电容和电阻传感器收集数据。电容式传感器集成了一个电容到频率转换阶段，并在接收器上使用一个锁相环来将检测到的频率转换为电压。

一个电容式压力传感器被用来测量压力到一管水里，并被连接到一个无线通讯模块。一种电阻式温度传感器也用于在管道内部传输温度。微芯片PIC18F452微控制器在传感器电路中用于采集数据，以及在基站中使用。

在农业应用中已经报告了水位传感。一个WSN是用来监测来自茶园设施的数据的，在那里，水位和温度的测量对于植物的生长是至关重要的。然而，在这个应用程序中，用高分辨率监视水是不重要的，因此在这种情况下使用级别传感器只用于检测，如果级别达到了预定义的级别。从传感器导入的数据通过LABVIEW软件平台进行处理。

另一种用于监测海洋和非海洋环境的水位的传感器是一个微波雷达传感器。由于其测量精度高，湿度和温度低，所以在诸如波浪高度测量系统等应用中得到了应用。摘要对一种商用微波雷达传感器的性能进行了实验研究。尽管该测量系统的初始成本被认为在水分配网络中应用非常高，但由于缺少传感器与水的接触，相应的维护成本相对较低。

在动态环境中也需要液体级别的测量，条件是快速变化的。摘要利用一种支持向量机(SVM)的超声传感器和信号处理技术，开发了一种汽车油箱的测量系统。该混合系统降低了单超声传感器的测量误差。为了获得最大的精确度，开发和测试了各种SVM模型。这种方法的系统成本可能很高，但

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