射頻導納料位計原理及故障分析

 

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(wàn)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)，測量結果與介質(zhì)密度、化學(xué)成分等因素無(wú)關(guān)，測量?jì)x表結構簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉、可在各種惡劣工況條件下工作等的特點(diǎn)，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(wèn)題，當測量具有黏附性的導電物料時(shí)，物料會(huì )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(lái)，電容式物料測試技術(shù)又有了新的發(fā)展，國外學(xué)者利用射頻導納技術(shù)解決了電容式物位測量方法中的掛料問(wèn)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)的射頻導納連續料位計已在國內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(gè)電容，一極是浸沒(méi)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(guān)系為：

C=C o +k·h

 

式中，C 0 和k是與介電常數、容器結構有關(guān)的常數。當物位變化時(shí)，被測介質(zhì)對探頭的浸沒(méi)高度h發(fā)生變化，從而使電容C發(fā)生變化，通過(guò)測量電容C得到物位高度h。

 

2 射頻導納料位計工作原理

傳統的電容式物位傳感器無(wú)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(jìn)行測量時(shí)，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(gè)充滿(mǎn)粘性導電物料的容器中，安裝一個(gè)測量電極，測量電極上有絕緣層。此時(shí)，容器中存在一個(gè)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(shí)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(gè)嚴重的缺點(diǎn)，如圖2b中所示，當物位由高位h降低到低位h 0 時(shí)，探頭上可能會(huì )留有粘附層(即掛料)，產(chǎn)生虛假的物位，給測量帶來(lái)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。從數學(xué)上可以證明，只要粘附層足夠長(cháng)，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(méi)有直流通路，因此，對電流進(jìn)行測量，可得到儲罐實(shí)際的料位。

 

3 射頻導納測量系統的實(shí)現

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，電容驅動(dòng)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(shí)刻的同步信號。同步信號經(jīng)過(guò)處理，給出采樣時(shí)刻，在該時(shí)刻對測量信號進(jìn)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(guò)低通濾波電路，消除一些干擾，然后送入微機系統進(jìn)行A/D轉換、數據處理，并通過(guò)顯示電路顯示實(shí)際物位。實(shí)際物位與設定的物位上下限值進(jìn)行比較，給出越限報警信號。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令信號，對系統進(jìn)行自校準，提高測量精que度。射頻導納測量系統框圖如圖3所示。

4 射頻導納料位計常見(jiàn)故障分析

美國Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導納連續料位計工作性能穩定，測量精度高，但使用條件和應用條件等工藝參數不當，可能會(huì )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容：

 

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

（2）檢查傳感器。用模擬歐姆表測量傳感器接線(xiàn)端之間的電阻，包括中心線(xiàn)與屏蔽間電阻、屏蔽與地間電阻、中心線(xiàn)與地間電阻。傳感元件在空氣中無(wú)掛料(聚集物)時(shí)，上述三電阻阻值應為無(wú)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(wú)窮大。正常時(shí)，傳感器上有掛料情況下的#小電阻值為：中心線(xiàn)與地之間1000Ω；中心線(xiàn)與屏蔽之間600Ω；屏蔽與地之間300Ω。

（3）檢查傳輸電纜。導線(xiàn)管中有水或導電性物體，可能會(huì )引起儀表失靈。

 

5 結語(yǔ)

詳細分析了射頻導納連續料位計工作原理及測量系統工作的實(shí)現，并對射頻導納料位計常見(jiàn)故障進(jìn)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(wù)于工業(yè)生產(chǎn)。

 

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