引言

物位是指存儲容器或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備里的液體、粉狀或顆粒狀固體、氣體之間的分界面位置，也可以是互不相溶的兩種液體間由于密度不等而形成的界面位置，由于各種物料的性質(zhì)千差萬別，生產(chǎn)中的工況差別很大，物位測量的方法也很多。目前常用的料位計有：重量負荷料位計、超聲波探測料位計、液體浮子式料位計、射頻導(dǎo)納電容式料位計。其中電容式物位測量方法具有適用范圍廣(適用于各種介質(zhì)，包括液體、粉狀固體、液-固漿體和介質(zhì)界面)，測量結(jié)果與介質(zhì)密度、化學(xué)成分等因素?zé)o關(guān)，測量儀表結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低廉、可在各種惡劣工況條件下工作等的特點，是應(yīng)用#廣泛的一種測量物位的方法。但是電容式物位測量方法存在掛料問題，當(dāng)測量具有黏附性的導(dǎo)電物料時，物料會黏附在傳感電極的外套絕緣罩上(掛料)，形成虛假物位，產(chǎn)生很大的測量誤差，妨礙了電容式物位儀表更廣泛的應(yīng)用。近年來，電容式物料測試技術(shù)又有了新的發(fā)展，國外學(xué)者利用射頻導(dǎo)納技術(shù)解決了電容式物位測量方法中的掛料問題，而且國外已經(jīng)有了相關(guān)的產(chǎn)品，美國Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計已在國內(nèi)得到了很廣泛的運用。

 

1 電容式物位計的工作原理

電容式物位計是在容器中建立一個電容，一極是浸沒在容器中的桿狀探頭，另一極為接地金屬板(通常為容器壁)，如圖1a所示。設(shè)以空氣為介質(zhì)的電容為C 1 ，以被測物料為介質(zhì)的電容為C 2 ，則電極間的電容為：

C=C 1 +C 2

如果被測介質(zhì)為導(dǎo)體，則須在探頭上加一層絕緣層，如圖1b所示。設(shè)被測物料上部以絕緣層為介質(zhì)的電容為C 1a ， ，以空氣為介質(zhì)的電容為C 1b ，被測物料部分以絕緣層為介質(zhì)的電容為C 2a ，則電極間的電容為：

 

C＝C 1a ·C 1b / （C 1a ＋C 1b ）＋C 2a經(jīng)推導(dǎo)可得兩電極間的電容C 與被測物位高度h的關(guān)系為：

C=C o +k·h

 

式中，C 0 和k是與介電常數(shù)、容器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)物位變化時，被測介質(zhì)對探頭的浸沒高度h發(fā)生變化，從而使電容C發(fā)生變化，通過測量電容C得到物位高度h。

 

2 射頻導(dǎo)納料位計工作原理

傳統(tǒng)的電容式物位傳感器無法消除電極掛料對測量的影響，特別是在對粘性導(dǎo)電物料進行測量時，誤差極其嚴(yán)重，大大限制了電容式物位計的使用和發(fā)展。

如圖2a中所示，在一個充滿粘性導(dǎo)電物料的容器中，安裝一個測量電極，測量電極上有絕緣層。此時，容器中存在一個物料電容，由于導(dǎo)電物料的截面很大，可以認(rèn)為被測物料在檢測電路中的電阻為零。由于此電容的兩極分別為電極極芯和導(dǎo)電物料，由前述電容式物位計的工作原理可知，此時測量電容與物料高度成正比。然而，這種電容式物位測量原理存在一個嚴(yán)重的缺點，如圖2b中所示，當(dāng)物位由高位h降低到低位h 0 時，探頭上可能會留有粘附層(即掛料)，產(chǎn)生虛假的物位，給測量帶來誤差。

 

在圖2a中，由于掛料的橫截面積較小，掛料的等效電阻較大（掛料的等效電路如圖2b所示），掛料可以看作由許多微小的電阻和電容組成。從數(shù)學(xué)上可以證明，只要粘附層足夠長，粘附層的電阻和電容具有相同的阻抗，這就是射頻導(dǎo)納定理。將測量電極上帶有粘附層的容器的外壁接地，在測量電極和地之間加一高頻激勵信號，在測量電極和地之間沒有直流通路，因此，對電流進行測量，可得到儲罐實際的料位。

 

3 射頻導(dǎo)納測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)正弦信號發(fā)生電路發(fā)出100 kHz的射頻信號，經(jīng)濾波電路將干擾成分濾掉，獲得較純凈的100 kHz的射頻信號，電容驅(qū)動電路用于提高物位的測量范圍。變壓器電橋測量電路將物位信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。測量的電壓信號分成2路：包含物位信息和掛料信息的測量信號；提供采樣時刻的同步信號。同步信號經(jīng)過處理，給出采樣時刻，在該時刻對測量信號進行采樣，即可獲得純凈的物位信號，從而消除電極掛料的影響。檢測到的物位信號經(jīng)過低通濾波電路，消除一些干擾，然后送入微機系統(tǒng)進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，并通過顯示電路顯示實際物位。實際物位與設(shè)定的物位上下限值進行比較，給出越限報警信號。用戶可以通過鍵盤輸入命令信號，對系統(tǒng)進行自校準(zhǔn)，提高測量精que度。射頻導(dǎo)納測量系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 射頻導(dǎo)納料位計常見故障分析

美國Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計工作性能穩(wěn)定，測量精度高，但使用條件和應(yīng)用條件等工藝參數(shù)不當(dāng)，可能會造成儀表測量不準(zhǔn)確或儀表不工作。若是儀表原因，請依次檢查以下幾方面的內(nèi)容：

 

（1）檢查電子單元。移動傳感器電源及信號電纜，外加15~28VDC電源，進行檢查并校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用信號發(fā)生器檢查系統(tǒng)的輸出信號是否在4~20mA的范圍內(nèi)。

（2）檢查傳感器。用模擬歐姆表測量傳感器接線端之間的電阻，包括中心線與屏蔽間電阻、屏蔽與地間電阻、中心線與地間電阻。傳感元件在空氣中無掛料(聚集物)時，上述三電阻阻值應(yīng)為無窮大，若傳感元件上有掛料，則電阻阻值偏低，當(dāng)掛料除去后，電阻恢復(fù)無窮大。正常時，傳感器上有掛料情況下的#小電阻值為：中心線與地之間1000Ω；中心線與屏蔽之間600Ω；屏蔽與地之間300Ω。

（3）檢查傳輸電纜。導(dǎo)線管中有水或?qū)щ娦晕矬w，可能會引起儀表失靈。

 

5 結(jié)語

詳細分析了射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計工作原理及測量系統(tǒng)工作的實現(xiàn)，并對射頻導(dǎo)納料位計常見故障進行分析，提出相應(yīng)的解決方案，使射頻導(dǎo)納料位計更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)。

 

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