引言

物位是指存儲容器或工業(yè)生產(chǎn)設備里的液體、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、化學成分等因素無關，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，當測量具有黏附性的導電物料時，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用。近年來，電容式物料測試技術又有了新的發(fā)展，國外學者利用射頻導納技術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)有了相關的產(chǎn)品，美國Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導納連續(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)為導體，則須在探頭上加一層絕緣層，如圖1b所示。設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)推導可得兩電極間的電容C 與被測物位高度h的關系為：

C=C o +k·h

 

式中，C 0 和k是與介電常數(shù)、容器結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)。當物位變化時，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，特別是在對粘性導電物料進行測量時，誤差極其嚴重，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，由于導電物料的截面很大，可以認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重的缺點，如圖2b中所示，當物位由高位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 射頻導納測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

標準正弦信號發(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，提高測量精que度。射頻導納測量系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 射頻導納料位計常見故障分析

美國Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導納連續(xù)料位計工作性能穩(wěn)定，測量精度高，但使用條件和應用條件等工藝參數(shù)不當，可能會造成儀表測量不準確或儀表不工作。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，上述三電阻阻值應為無窮大，若傳感元件上有掛料，則電阻阻值偏低，當掛料除去后，電阻恢復無窮大。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)，并對射頻導納料位計常見故障進行分析，提出相應的解決方案，使射頻導納料位計更好地服務于工業(yè)生產(chǎn)。

 

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