射频导纳料位计原理及故障分析

 

引言

物位是指存储容器或工业生产设备里的液体、粉状或颗粒状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置，由于各种物料的性质千差万别，生产中的工况差别很大，物位测量的方法也很多。目前常用的料位计有：重量负荷料位计、超声波探测料位计、液体浮子式料位计、射频导纳电容式料位计。其中电容式物位测量方法具有适用范围广(适用于各种介质，包括液体、粉状固体、液-固浆体和介质界面)，测量结果与介质密度、化学成分等因素无关，测量仪表结构简单、性能可靠、价格低廉、可在各种恶劣工况条件下工作等的特点，是应用#广泛的一种测量物位的方法。但是电容式物位测量方法存在挂料问题，当测量具有黏附性的导电物料时，物料会黏附在传感电极的外套绝缘罩上(挂料)，形成虚假物位，产生很大的测量误差，妨碍了电容式物位仪表更广泛的应用。近年来，电容式物料测试技术又有了新的发展，国外学者利用射频导纳技术解决了电容式物位测量方法中的挂料问题，而且国外已经有了相关的产品，美国Ametek Drexelbrook公司生产的射频导纳连续料位计已在国内得到了很广泛的运用。

 

1 电容式物位计的工作原理

电容式物位计是在容器中建立一个电容，一极是浸没在容器中的杆状探头，另一极为接地金属板(通常为容器壁)，如图1a所示。设以空气为介质的电容为C 1 ，以被测物料为介质的电容为C 2 ，则电极间的电容为：

C=C 1 +C 2

如果被测介质为导体，则须在探头上加一层绝缘层，如图1b所示。设被测物料上部以绝缘层为介质的电容为C 1a ， ，以空气为介质的电容为C 1b ，被测物料部分以绝缘层为介质的电容为C 2a ，则电极间的电容为：

 

C＝C 1a ·C 1b / （C 1a ＋C 1b ）＋C 2a经推导可得两电极间的电容C 与被测物位高度h的关系为：

C=C o +k·h

 

式中，C 0 和k是与介电常数、容器结构有关的常数。当物位变化时，被测介质对探头的浸没高度h发生变化，从而使电容C发生变化，通过测量电容C得到物位高度h。

 

2 射频导纳料位计工作原理

传统的电容式物位传感器无法消除电极挂料对测量的影响，特别是在对粘性导电物料进行测量时，误差极其严重，大大限制了电容式物位计的使用和发展。

如图2a中所示，在一个充满粘性导电物料的容器中，安装一个测量电极，测量电极上有绝缘层。此时，容器中存在一个物料电容，由于导电物料的截面很大，可以认为被测物料在检测电路中的电阻为零。由于此电容的两极分别为电极极芯和导电物料，由前述电容式物位计的工作原理可知，此时测量电容与物料高度成正比。然而，这种电容式物位测量原理存在一个严重的缺点，如图2b中所示，当物位由高位h降低到低位h 0 时，探头上可能会留有粘附层(即挂料)，产生虚假的物位，给测量带来误差。

 

在图2a中，由于挂料的横截面积较小，挂料的等效电阻较大（挂料的等效电路如图2b所示），挂料可以看作由许多微小的电阻和电容组成。从数学上可以证明，只要粘附层足够长，粘附层的电阻和电容具有相同的阻抗，这就是射频导纳定理。将测量电极上带有粘附层的容器的外壁接地，在测量电极和地之间加一高频激励信号，在测量电极和地之间没有直流通路，因此，对电流进行测量，可得到储罐实际的料位。

 

3 射频导纳测量系统的实现

标准正弦信号发生电路发出100 kHz的射频信号，经滤波电路将干扰成分滤掉，获得较纯净的100 kHz的射频信号，电容驱动电路用于提高物位的测量范围。变压器电桥测量电路将物位信号转化为电压信号。测量的电压信号分成2路：包含物位信息和挂料信息的测量信号；提供采样时刻的同步信号。同步信号经过处理，给出采样时刻，在该时刻对测量信号进行采样，即可获得纯净的物位信号，从而消除电极挂料的影响。检测到的物位信号经过低通滤波电路，消除一些干扰，然后送入微机系统进行A/D转换、数据处理，并通过显示电路显示实际物位。实际物位与设定的物位上下限值进行比较，给出越限报警信号。用户可以通过键盘输入命令信号，对系统进行自校准，提高测量精que度。射频导纳测量系统框图如图3所示。

4 射频导纳料位计常见故障分析

美国Ametek Drexelbrook公司生产的射频导纳连续料位计工作性能稳定，测量精度高，但使用条件和应用条件等工艺参数不当，可能会造成仪表测量不准确或仪表不工作。若是仪表原因，请依次检查以下几方面的内容：

 

（1）检查电子单元。移动传感器电源及信号电缆，外加15~28VDC电源，进行检查并校准系统，利用信号发生器检查系统的输出信号是否在4~20mA的范围内。

（2）检查传感器。用模拟欧姆表测量传感器接线端之间的电阻，包括中心线与屏蔽间电阻、屏蔽与地间电阻、中心线与地间电阻。传感元件在空气中无挂料(聚集物)时，上述三电阻阻值应为无穷大，若传感元件上有挂料，则电阻阻值偏低，当挂料除去后，电阻恢复无穷大。正常时，传感器上有挂料情况下的#小电阻值为：中心线与地之间1000Ω；中心线与屏蔽之间600Ω；屏蔽与地之间300Ω。

（3）检查传输电缆。导线管中有水或导电性物体，可能会引起仪表失灵。

 

5 结语

详细分析了射频导纳连续料位计工作原理及测量系统工作的实现，并对射频导纳料位计常见故障进行分析，提出相应的解决方案，使射频导纳料位计更好地服务于工业生产。

 

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