Technical Summary

音叉式物位控制器

音叉式物位控制器Tuning Fork Level Controller本文件基于行业典型音叉式物位控制器通用技术资料整理，仅供学习参考。具体项目请以厂家最新产品手册及现场工况为准。

液位计系列全部型号（2）咨询选型

所属系列：液位计系列

TECHNOLOGY & APPLICATION

理解原理，精准选型

从测量原理到现场应用，了解音叉式物位控制器的技术特点与选型要点。

TECHNICAL GUIDE

概述

（Tuning Fork Level Controller / Vibrating Fork LevelSwitch）是一种基于压电陶瓷驱动音叉机械谐振原理工作的物位检测仪表，又称 "振动式物位开关"。

仪表核心由两根平行的金属振动叉构成，通过压电元件在电气激励下使音叉以固有谐振频率（约200~1200 Hz）持续振动；当物料触及叉体时，振动受到阻尼，振幅或频率发生明显变化，仪表检测到该变化并触发输出开关信号，实现对物料位置的上下限控制或泵、阀联动保护。

的最大特点是测量结果与被测介质的电学参数（介电常数、电导率）无关，仅与被测物的物理接触及密度相关，因此不存在电容式物位计因介质更换或介电常数过低导致的失灵问题。

同时，与浮球式物位开关相比，音叉式无机械运动部件，可靠性更高、寿命更长，已逐步成为液体 /浆料 / 颗粒料物位控制领域应用最广泛的物位仪表之一。

主要特点

发展沿革

音叉物位计起源于 1960 年代欧美仪表公司，典型代表厂家包括 Endress+Hauser（Soliphant系列）、VEGA（VEGACAP 系列）、Siemens（SITRANS LVL 系列）、Magnetrol 等。我国自1990 年代开始消化吸收，目前已具备完整的国产化能力，并出口至 "一带一路" 沿线国家。

概述 · 序号 / 主要特点对照查阅

序号	主要特点	简述
1	与介质电参数无关	依靠机械振动阻尼检测，不受介电常数、电导率影响
2	适用介质广	液体、浆料、颗粒、轻质粉料均可测量
3	响应速度快	毫秒级响应（典型 0.5~2 s）
4	结构紧凑	叉体小巧，可适用于小型容器、管道、泵送系统
5	免标定	安装后简单调试即可工作，无需针对每种介质重新标定
6	抗干扰强	不受泡沫、蒸汽、气泡、轻度挂料影响
7	输出方式多样	继电器 / PNP / NPN / 二线制 4-20mA / 总线可选

MEASUREMENT PRINCIPLE

工作原理

2.1 压电效应与音叉谐振

的核心是基于压电陶瓷的 "逆压电效应" 与 "正压电效应"。仪表内部的两个压电陶瓷分别粘贴于音叉的两侧臂根部：激励侧的压电陶瓷在交流电压激励下产生周期性形变，驱动音叉以固有谐振频率振动（通常约 200~1200 Hz）；另一侧的压电陶瓷在音叉振动时产生交变电荷，将机械振动转化为电信号回馈至检测电路。整个系统构成一个闭环自激振荡器。

空载状态下，音叉处于稳态谐振，振荡信号幅值稳定；当物料触及叉体时，叉体表面的振动被部分吸收和阻尼，等效于在音叉两端附加了机械负载，使振荡系统的阻抗增大，振幅下降、频率偏移。仪表内部检测电路对振幅或频率变化进行识别，超出设定阈值时即触发开关动作。

2.2 检测机制与灵敏度

g/cm³）几乎对叉体振动不产生影响，因此低密度粉料、气固两相流场景下需选用 "高灵敏度音叉" 或"低密度专用音叉"。

2.3 信号处理与输出

检测电路将音叉的微弱电信号进行前置放大、整流、A/D 采样与算法处理，与内部预设的 "叉体受阻 /自由" 两态阈值比较。检测信号越过阈值时，输出对应的低 / 高电平或驱动继电器吸合 /释放。仪表通常提供 LED 指示灯或 LCD 显示，提示当前叉体状态。

2.4 工作流程示意

2.5 安装位置与物位判断

通常安装于容器顶部、侧壁或管道上。安装位置决定了其物位报警点：顶部安装可作为 "满溢报警" 或 "上料位停止" 控制；侧壁高位安装可作为 "上限报警"；侧壁低位安装可作为"下限报警" 或 "泵空保护"；安装于泵吸入口上方还可作为 "泵净空保护"。

01
音叉式物位控制器对不同密度介质的灵敏度差异较大
液体、浆料（密度 g/cm³）对叉体阻尼效应显著，灵敏度较高；而低密度气体、轻质粉料（密度
02
≥ <
03
0.5 0.3

工作原理 · 步骤 / 动作对照查阅

步骤	动作	说明
1	电激励	激励电路产生 200~1200 Hz 交流电压
2	压电驱动	激励侧压电陶瓷逆压电效应驱动音叉
3	音叉谐振	音叉以固有频率稳定振动
4	振动反馈	检测侧压电陶瓷正压电效应转换为电信号
5	信号放大	前置放大、整流、A/D 转换
6	阻尼识别	与阈值比较，判断叉体是否受阻
7	输出控制	继电器 / 晶体管 / 4-20mA / 总线输出
8	显示报警	LED / LCD 指示叉体状态及报警

PRODUCT STRUCTURE

产品结构

3.1 整机结构

主要由以下几个部分组成

表头（含显示、操作面板、电气接线腔）、过程连接（螺纹、法兰、卡箍、卫生级接头等）、振动叉体（两根平行金属叉）、压电陶瓷驱动/检测元件、信号处理主板、电源模块、输出模块。

3.2 叉体类型与选型

3.3 接线与输出模块

表头壳体

主要功能：内置主板、显示、操作按钮、电气接口典型材质：压铸铝 / 工程塑料 / 316L SS 可选

LED / LCD 显示

主要功能：显示叉体状态、报警信息典型材质：LED 指示灯 / LCD 数码管

按键 / 拨码

主要功能：现场设定灵敏度、延时、上下限典型材质：硅胶按键 / 拨码开关

电气接口

主要功能：电源 / 输出接线典型材质：M20 / 1/2"NPT / 防水电缆锁头

过程连接

主要功能：与容器 / 管道连接典型材质：螺纹 G1 / G2 / 法兰 DN50 / 卫生级 Tri-Clamp

振动叉体

主要功能：核心敏感元件，振动 + 阻尼检测典型材质：316L SS / 哈氏合金 / PTFE 涂层

压电陶瓷

主要功能：驱动 + 检测音叉振动典型材质：PZT 压电陶瓷

电源模块

主要功能：为内部电路供电典型材质：宽电压 24VDC / 220VAC

信号处理主板

主要功能：信号放大、算法处理典型材质：MCU + 模拟前端

输出模块

主要功能：继电器 / 4-20mA / 总线输出典型材质：DPDT 继电器 / 光耦隔离

叉体类型

结构模块：结构特征主要功能：叉体长度典型材质：典型应用

标准短叉

结构模块：长度约 50~150 mm，叉体紧凑主要功能：50~150 mm 典型材质：一般液体、浆料上下限报警

延长叉

结构模块：加长杆 + 叉体主要功能：150~1000 mm 典型材质：小型容器、深罐液位报警

柔性缆叉

结构模块：软缆 + 末端叉体主要功能：500~4000 mm 典型材质：大罐 / 筒仓 / 高料位测量

卫生级叉

结构模块：抛光叉体，Tri-Clamp 卫生级接头主要功能：50~100 mm 典型材质：食品、饮料、制药行业

高粘度叉

结构模块：叉体加大间距，加大振幅主要功能：80~200 mm 典型材质：油类、树脂、糖浆等高粘液体

侧装短叉

结构模块：侧装螺纹 / 法兰结构主要功能：40~80 mm 典型材质：侧壁安装、上 / 下限报警

继电器 DPDT

通道数：1 通道典型负载能力：250 VAC / 5A，30 VDC / 5A 应用场景：物位上下限报警控制，泵、阀联动

PNP / NPN 三线制

通道数：1~2 通道典型负载能力：最大 100 mA 应用场景：直驱小型继电器、PLC 数字量输入

二线制 4-20 mA

通道数：1 通道典型负载能力：24 VDC 环路供电，最大负载 600 Ω 应用场景：连续物位远传监控

AC 二线制

通道数：1 通道典型负载能力：24~240 VAC 应用场景：直接接入交流负载回路

现场总线

通道数：1 通道典型负载能力：Hart / Modbus / IO-Link 应用场景：与 PLC / DCS / 工业 4.0 系统集成

TECHNICAL GUIDE

优缺点分析

4.2 主要缺点

4.1 主要优点

与介质电参数无关

说明：不依赖介电常数、电导率、磁导率；适用于各类液体、浆料

适用介质范围广

说明：水、油、酸碱液、浆料、颗粒、糊状物、低粘度液体均可测量

响应速度快

说明：毫秒级响应（典型 0.5~2 s），适合紧急联动控制

结构紧凑、小巧

说明：叉体尺寸小，可安装于小型容器、管道、紧凑空间

免标定、自适应

说明：安装后简单调试即可使用，无需针对介质重新标定

抗干扰强

说明：不受泡沫、蒸汽、轻度气泡影响；抗电磁干扰

寿命长、可靠性高

说明：无机械运动部件，平均无故障时间 MTBF ≥ 10 万小时

安装灵活

说明：顶部插入、侧装、管道安装、卫生级 Tri-Clamp 等多种安装方式

安全性好

说明：工作电压低、本质安全；隔爆型号可用于易燃易爆场合

价格适中

说明：相比超声波、雷达物位计价格更低，性价比高

缺点与使用限制

不适用高粘附挂料介质

说明：粘度极高的沥青、橡胶、蜡块易造成叉体粘附导致失灵

不适用于坚硬颗粒

说明：大块硬质颗粒（>20 mm）易冲击叉体造成损坏

不适用极低密度介质

说明：低密度介质（< 0.3 g/cm³）对叉体阻尼不足，易误判

不适用于极高温度 / 压力

说明：部分高压、高温场合需特殊设计，普通型号受限

不适用大量泡沫介质

说明：重型泡沫可能误触发；但一般泡沫工况可接受

叉体易被损坏

说明：叉体纤细，运输、安装、运行中易被冲击破坏

不适用连续物位

说明：音叉式物位开关通常只能给出点式物位信号，不能连续测量

APPLICATIONS

应用领域

因对介质电学参数不敏感、响应快、可靠性高，被广泛应用于工业现场各种液体、

浆料物位的上下限报警、泵空 / 满保护、容器溢出保护等场景。常见应用领域如下表所示：

典型应用案例

（1）自来水厂清水池液位控制：在清水池侧壁安装音叉式物位开关，作为"低液位停泵"和"高液位启泵" 控制信号，可替代传统浮球开关，避免浮球卡阻、漂移等问题。

（2）化工反应釜上下限报警

在反应釜顶装音叉物位开关，控制液位上限防止溢流，控制下限防止空转；同时继电器信号联动紧急进料 / 卸料阀。

（3）食品行业 CIP 清洗液控制

在 CIP（在线清洗）管路中安装卫生级 Tri-Clamp音叉物位开关，作为清洗液罐的 "低液位补液" 和 "高液位停止" 控制信号。

（4）油田单井罐液位报警

在偏远单井罐区使用电池供电+二线制音叉物位开关，作为油罐溢出报警信号，远程无线上传监控中心。

（5）电厂凝结水泵空保护

在凝结水泵吸入口上方安装音叉物位开关，作为"泵净空保护"信号，防止凝结水泵空转烧毁。

化工 / 石化

应用场景：反应釜料位上下限控制、泵保护典型介质：有机溶剂、酸碱液、催化剂浆料、油品

水处理 / 环保

应用场景：水池、清水池、污水池液位控制典型介质：自来水、污水、污泥、加药液

食品 / 饮料

应用场景：储罐、糖罐、原料仓液位控制典型介质：饮用水、果汁、牛奶、糖浆、食用油

制药 / 生物

应用场景：原料罐、缓冲罐、纯化水罐液位典型介质：药液、培养基、注射用水、糖溶液

油气 / 能源

应用场景：储油罐、分离器罐、油田单井罐典型介质：原油、柴油、润滑油、燃料油

造纸 / 纸浆

应用场景：浆池、白水池、黑液槽液位典型介质：纸浆、白水、黑液、淀粉液

电力 / 能源

应用场景：凝结水罐、润滑油箱、冷却水罐典型介质：凝结水、润滑油、冷却水、除盐水

冶金 / 钢铁

应用场景：酸洗槽、电镀槽、循环水池典型介质：酸洗液、电镀液、循环水、切削液

纺织 / 印染

应用场景：染液槽、定型液槽液位控制典型介质：染液、定型液、漂洗液

电子 / 半导体

应用场景：化学品罐、超纯水罐液位典型介质：超纯水、化学品溶液、蚀刻液

TECHNICAL SPECIFICATIONS

技术参数表

6.1 整机通用参数

6.2 精度与可靠性参数

6.8 适用介质电气参数

技术参数表 · 参数 / 技术指标对照查阅

参数	技术指标	备注
测量原理	压电陶瓷驱动音叉谐振 + 阻尼检测	—
测量对象	液体、浆料、颗粒、轻质粉料	介质密度 ≥ 0.5 g/cm³
叉体长度	短叉 50~150 mm / 延长 150~1000 mm / 柔性缆 500~4000 mm	按容器深度
过程连接	G1 / G2 螺纹；DN50 法兰；1"~3"NPT；卫生级 Tri-Clamp	按介质和容器
供电电源	24 VDC ±10% / 220 VAC ±20% / 二线制 24 VDC 环路	宽压输入可选
功耗	≤ 2 W	典型 0.5~1.5 W
输出方式	继电器 DPDT ×1；PNP / NPN ×1~2；二线制 4-20 mA；Hart	按型号可选
继电器容量	250 VAC / 5A，30 VDC / 5A	阻性负载
响应时间	≤ 1 s（典型 0.5 s；可调 0.5~30 s）	现场可设定
介质密度	≥ 0.5 g/cm³（液体）；≥ 0.3 g/cm³（颗粒）	—
介质温度	40 ~ +150 ℃（标准）；-40 ~ +250 ℃（高温）	按型号分档
环境温度	40 ~ +70 ℃	—
工作压力	0.1 ~ +4.0 MPa（按过程连接规格）	—
防护等级	IP65 / IP66 / IP68	按型号
防爆等级	Ex d IIB T4 / Ex d IIC T6 / Ex ia IIC T6（按型号）	—
壳体材质	压铸铝 / 工程塑料 / 316L SS 可选	—
叉体材质	316L SS / 哈氏合金 / PTFE 涂层 / 钛材	按介质
显示方式	LED 双色状态指示 / LCD 数码管 / 液晶中文显示	按型号
电气接口	M20 / 1/2"NPT / 防水电缆锁头 / M12 连接器	按订货
安装方式	顶装 / 侧装 / 斜装 / 卫生级 Tri-Clamp / 管道安装	按现场
重量	0.5~5 kg（按叉体长度）	—

技术参数表 · 参数 / 指标对照查阅

参数	指标	测试条件
重复性	±0.5 mm	实验室清水测试
响应时间	≤ 0.5 s（默认）/ 1 s（可调）	标准液体
动作延时	0.5~30 s 可调	现场按介质调整
绝缘电阻	≥ 100 MΩ	500 V 兆欧表
耐压	2500 VAC / 1 min	电源对地耐压
MTBF	≥ 10 万小时	平均无故障时间
EMC 兼容	GB/T 17626 / EN 61326	工业级电磁兼容
叉体寿命	≥ 1 亿次振动循环	连续振动工作
温度漂移	≤ ±1 mm / 10℃	温度补偿型
介质类型	密度 g/cm³	典型适用	灵敏度建议
水、污水	≈ 1.0	自来水、污水、酸碱液	中 / 高档灵敏
油类	0.7~0.9	原油、柴油、食用油、润滑油	中档灵敏
浆料	> 1.0	催化剂浆、纸浆、淀粉液	高档灵敏
颗粒料	0.5~1.5	煤粒、砂粒、塑料颗粒	中档灵敏
轻质粉料	< 0.5	面粉、奶粉、煤粉（密度低）	需专用低密度叉体
高粘液体	> 1.0	沥青、糖蜜、树脂	需高粘度专用叉体

SELECTION GUIDE

选型表

7.1 命名规则

选型示例

TF-T-R-0100-T1-P3-L-D-6 表示音叉式、顶装式、继电器输出、叉体长 100 mm、温度150℃、压力 4.0 MPa、316L 材质、隔爆型、IP66 防护。

7.2 常用型号一览

选型表 · 代号段 / 代号示例对照查阅

代号段	代号示例	代号含义
TF-	TF	音叉式（Tuning Fork）系列代号
— 类型	T/A/S/W	T 顶装式 / A 侧装式 / S 短叉式 / W 柔性缆式
— 输出	R / P / N / I / A	R 继电器 / P PNP / N NPN / I 4-20 mA / A AC 二线制
— 叉体长	0100	四位数字，单位 mm = 100 mm
— 温度	T1/T3	T1 150℃ / T3 250℃
— 压力	P1/P3	P1 1.0 MPa / P3 4.0 MPa
— 材质	L/H/T	L 316L / H 哈氏合金 / T 钛材
— 防爆	N/D/I	N 普通 / D 隔爆 / I 本安
— 防护	5/6/8	5 IP65 / 6 IP66 / 8 IP68

选型表 · 型号 / 叉体类型对照查阅

型号	叉体类型	输出	温度范围	压力范围	应用场景
TF-TS-0100	短叉 100mm	继电器	40~150℃	1.0 MPa	一般液体上下限报警
TF-TP-0100	短叉 100mm	PNP	40~150℃	1.0 MPa	PLC 数字量输入
TF-AI-0500	侧装 500mm	4-20mA	40~150℃	1.0 MPa	侧装连续物位远传监控
TF-WR-2000	柔性缆 2m	继电器	40~150℃	0.5 MPa	筒仓、深罐物位控制
TF-AR-0080	侧装 80mm	继电器	40~250℃	4.0 MPa	反应釜上下限报警
TF-TH-1000	短叉 100mm	Hart	40~150℃	4.0 MPa	高温报警连续监控
TF-SH-3000	柔性缆 3m	Hart	40~150℃	1.0 MPa	大罐连续测量
TF-AR-PTFE	侧装 PTFE 涂覆	继电器	40~150℃	1.0 MPa	强酸、强碱储罐
TF-Tri-Clamp	卫生级 Tri-Clamp	PNP	30~140℃	1.0 MPa	食品、饮料、制药

SELECTION GUIDE

选型指南

8.1 选型基本步骤

8.2 典型工况推荐选型

8.3 选型注意事项

（1）叉体长度应留有余量

通常叉体长度 = 容器或工艺点报警位置 + 30~50 mm余量，避免测量死区。

（2）介质密度小于g/cm³时（如汽油、轻质油），需选用"低密度专用音叉"，普通型号无法稳定工作。

（3）高粘度、强粘附介质（如沥青、橡胶、蜡块、淀粉糊）易造成叉体粘连失效，建议改用"射频导纳" 或 "电容" 物位开关。

（4）防爆场合必须确认厂家提供的防爆合格证编号和等级，电源 / 输出参数严格按防爆规范接线。

（5）现场应预留足够的安装空间

顶装时法兰上方的垂直空间 ≥ 叉体长度；侧装时容器侧壁外预留≥ 100 mm。

（6）介质温度高至200℃以上时，应选用高温型音叉物位开关（带散热结构），避免压电陶瓷失效。

（7）运输和运行中注意保护叉体不被冲击；建议叉体受损或形变后立即更换，否则可能误报警。

（8）电缆与电源应分槽敷设，避免与动力电缆同穿；建议使用 24 VDC 隔离电源供电。

（9）卫生级应用场合应选用 Tri-Clamp 接头、抛光型 316L 叉体、表面粗糙度 Ra ≤ 0.8 μm。

（10）对于含大量固体颗粒、易结晶、易凝固介质，建议优先选用音叉 + 伴热套筒组合方案。

8.4 总结

是工业现场应用最广泛的点式物位开关之一，凭借对介质电学参数不敏感、响应快、可靠性高、安装灵活等优点，可胜任绝大多数液体 / 浆料 / 颗粒的物位上下限控制任务。选型时需结合介质密度、温度压力、安装方式、输出形式等因素综合考虑，并优先选择成熟可靠、应用案例丰富的主流品牌型号，以确保长期稳定运行。

选型指南 · 步骤 / 关注要素对照查阅

步骤	关注要素	常见选项
1	介质类型	液体 / 浆料 / 颗粒 / 轻质粉料 / 卫生级介质
2	介质密度	≥ 0.5 g/cm³ 适用；< 0.3 g/cm³ 需专用低密度叉体
3	工况温度	低温 ≤150℃ / 高温 ≤250℃
4	工况压力	常压 / 1 MPa / 4 MPa
5	安装方式	顶装 / 侧装 / 斜装 / 卫生级 / 管道安装
6	输出形式	继电器 / PNP / NPN / 4-20 mA / Hart / AC 二线制
7	防爆要求	普通 / 隔爆 / 本安
8	防护等级	IP65 / IP66 / IP68
9	叉体材质	316L / 哈氏合金 / PTFE / 钛材
10	叉体长度	按容器直径 / 安装深度计算
典型工况	推荐型号	理由
自来水 / 污水液位控制	TF-TS-0100 / TF-TP-0100	介电常数无关，水/污水均适用，价格经济
食用油 / 柴油液位	TF-AI-0500	侧装连续测量，二线制 4-20 mA 远传
化工反应釜上下限	TF-AR-0080	侧装法兰，耐温 250℃，耐压 4 MPa
原油 / 重油储罐	TF-WR-2000	柔性缆深入罐体，触发上下限控制
食品 CIP 清洗液	TF-Tri-Clamp	卫生级 Tri-Clamp 接头，符合 3-A / EHEDG
制药纯化水罐	TF-Tri-Clamp / TF-TS-0100 抛光型	卫生级材质，满足 GMP 要求
电厂凝结水泵空保护	TF-TS-0100 侧装	侧装在泵吸入口上方，毫秒级响应保护泵
强酸 / 强碱储罐	TF-AR-PTFE	PTFE 涂覆叉体，耐腐蚀
水处理加药罐	TF-TS-0100-PNP	PNP 输出，直连 PLC 数字量输入
油田单井罐报警	TF-WR-2000 二线制	电池 + 二线制 4-20 mA 远程监控

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