摘 要:分析了射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計(jì)的工作原理,提出利用射頻導(dǎo)納技術(shù)解決實(shí)際生產(chǎn)中料位計(jì)掛料問題,并對(duì)射頻導(dǎo)納料位計(jì)常見故障提出了相應(yīng)的解決方案。iCe壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引言
物位是指存儲(chǔ)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(cè)量的方法也很多。目前常用的料位計(jì)有:重量負(fù)荷料位計(jì)、超聲波探測(cè)料位計(jì)、液體浮子式料位計(jì)、射頻導(dǎo)納電容式料位計(jì)。其中電容式物位測(cè)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(cè)量結(jié)果與介質(zhì)密度、化學(xué)成分等因素?zé)o關(guān),測(cè)量?jī)x表結(jié)構(gòu)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(yīng)用#廣泛的一種測(cè)量物位的方法。但是電容式物位測(cè)量方法存在掛料問題,當(dāng)測(cè)量具有黏附性的導(dǎo)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(cè)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(cè)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(cè)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(jì)已在國內(nèi)得到了很廣泛的運(yùn)用。
1 電容式物位計(jì)的工作原理
電容式物位計(jì)是在容器中建立一個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí),被測(cè)介質(zhì)對(duì)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(cè)量電容C得到物位高度h。
2 射頻導(dǎo)納料位計(jì)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(duì)測(cè)量的影響,特別是在對(duì)粘性導(dǎo)電物料進(jìn)行測(cè)量時(shí),誤差極其嚴(yán)重,大大限制了電容式物位計(jì)的使用和發(fā)展。
如圖2a中所示,在一個(gè)充滿粘性導(dǎo)電物料的容器中,安裝一個(gè)測(cè)量電極,測(cè)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(dǎo)電物料的截面很大,可以認(rèn)為被測(cè)物料在檢測(cè)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(jì)的工作原理可知,此時(shí)測(cè)量電容與物料高度成正比。然而,這種電容式物位測(cè)量原理存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn),如圖2b中所示,當(dāng)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(cè)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(zhǎng),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(cè)量電極上帶有粘附層的容器的外壁接地,在測(cè)量電極和地之間加一高頻激勵(lì)信號(hào),在測(cè)量電極和地之間沒有直流通路,因此,對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量,可得到儲(chǔ)罐實(shí)際的料位。
3 射頻導(dǎo)納測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生電路發(fā)出100 kHz的射頻信號(hào),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(hào),電容驅(qū)動(dòng)電路用于提高物位的測(cè)量范圍。變壓器電橋測(cè)量電路將物位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。測(cè)量的電壓信號(hào)分成2路:包含物位信息和掛料信息的測(cè)量信號(hào);提供采樣時(shí)刻的同步信號(hào)。同步信號(hào)經(jīng)過處理,給出采樣時(shí)刻,在該時(shí)刻對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣,即可獲得純凈的物位信號(hào),從而消除電極掛料的影響。檢測(cè)到的物位信號(hào)經(jīng)過低通濾波電路,消除一些干擾,然后送入微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理,并通過顯示電路顯示實(shí)際物位。實(shí)際物位與設(shè)定的物位上下限值進(jìn)行比較,給出越限報(bào)警信號(hào)。用戶可以通過鍵盤輸入命令信號(hào),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn),提高測(cè)量精que度。射頻導(dǎo)納測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖3所示。
4 射頻導(dǎo)納料位計(jì)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(jì)工作性能穩(wěn)定,測(cè)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(huì)造成儀表測(cè)量不準(zhǔn)確或儀表不工作。若是儀表原因,請(qǐng)依次檢查以下幾方面的內(nèi)容:
(1)檢查電子單元。移動(dòng)傳感器電源及信號(hào)電纜,外加15~28VDC電源,進(jìn)行檢查并校準(zhǔn)系統(tǒng),利用信號(hào)發(fā)生器檢查系統(tǒng)的輸出信號(hào)是否在4~20mA的范圍內(nèi)。
(2)檢查傳感器。用模擬歐姆表測(cè)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(shí),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(shí),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(huì)引起儀表失靈。
5 結(jié)語
詳細(xì)分析了射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計(jì)工作原理及測(cè)量系統(tǒng)工作的實(shí)現(xiàn),并對(duì)射頻導(dǎo)納料位計(jì)常見故障進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的解決方案,使射頻導(dǎo)納料位計(jì)更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)。
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