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射频导纳式物位仪表的测量原理及应用

2014/11/13 22:46:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

    摘要:简述射频导纳物位仪表的测量原理,介绍了射频导纳物位仪表的特点、探头的选择、安装过程中应注意的问题以及调校方法。

    物位测量的方法很多,如电导式,电容式,机电式(音叉、浮子、浮筒、机电伺服物位计等)、静压式,差压式以及应用放射性技术,微波原理(雷达式、超声波式)进行物位测量。各种测量方法都不是全能的,都有其适用场合及局限性。随着电子技术的广泛应用,射频物位检测技术得到了迅速发展,并由电容式产品发展到导纳式产品,能够对许多实际工况下的容器内介质进行物位或界位测量。

    在茂名石化公司炼油厂联合三车间硫磺回收联合装置中,硫坑液位测量原来采用吹气法测量,其被测介质为液硫,温度为130℃左右(常压)。由于液硫容易结晶,吹气孔容易堵,维护量大,使用起来不方便。后改为射频导纳物位计,使用效果良好,该厂多个车间及罐区都使用了射频导纳物位计,以下就射频导纳物位计的原理及使用中的问题进行介绍。

    1 射频导纳的概念

     射频导纳技术主要通过检测物质的介电常数(ε)和电导率(γ)达到检测液位的目的。当被测介质的电导率较大时,电容式产品会由于被测介质粘附在传感器上而产生误差。但导纳式产品通过同时检测电容和电阻可以消除这种误差。

     导纳作为一个物理概念是阻抗的倒数,由于实际过程中很少有电感,因而这里的导纳实际上就是电容与电阻。

    为了准确地测量物位,还需要适当的射频 (RF)信号,其频率范围一般为15~400 kHz。因此把这种测量物位的技术称之为射频导纳。

    2 射频导纳式物位仪表的工作原理

    射频导纳测量法是电容测量法的改进。该测量方法的工作原理是基于电容器电容量的变化,电容传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的,由两个长度为L,半径分别为R(外)和r(内)的圆筒形金属导体,中间隔以绝缘物质便构成圆筒形电容器。当中间所充介质是介电常数为ε1的气体时,电容量为:

    C =2πε1L/ln(R/r)

    如果电极的一部分被不导电介电常数为ε2的液体(非电导性的)所浸没时,则必然会有电容量的增量ΔC产生(因为ε21),此时两电极间的电容量C′为:

    C′= C+ΔC

    假如电极被浸没的长度为l,则ΔC为:

    ΔC =2π(ε21)l/ln(R/r)            (1)

    从式(1)可知,当ε12,r, R不变时,ΔC与l成正比关系,因此测出电容增量的数值便可知道液位的高度。

    当容器垂直方向不规则(如卧罐),则要加套管参考电极以保证其线性度。当容器器壁为非导电材质时(如塑料)时,为组成电容也要加参考电极。非导电介质带黏性时,可把参考电极与测量电极分开一定距离,此时,电容传感器露出液面部分所有的电容可看作2个电容串联,一个是粘附层形成的电容,另一个从粘附层外表面到容器壁之间的空气电容,由于粘附层形成的介质电容比空气电容大得多,由于两者是串联的,故电容值取决于空气电容,此时挂料对测量的影响可忽略。

    如果被测介质为导电性液体时,电极要用绝缘物(如聚乙烯)覆盖作为中间介质,而液体和外圆筒一起作为外电极,假如电极绝缘介质的介电常数为ε3,电极被导电液体浸没的长度为l,探头绝缘层的外径为r1,则此时电容器所具备的电容量为:

    C =2πε3l/ln(r1/r)

    从式中可知,当ε3,r, r1不变时,C与l成正比关系,因此测出电容增量的数值便可知道液位的高度[2]

    介电常数被用来表示在两极板上施加一定电压情况下,在其间增加极化介质时,其电容量增加的程度。规定空气的介电常数为1,任何其他物质的介电常数均大于1,因此探头被物料完全浸没时,系统电容量必定大于探头被部分浸没或完全裸露时的系统电容量。

    如果液体导电且是黏滞性的,当液位降低时由于电极套管上仍粘附一层被测介质,会造成虚假液位,这是电容液位计使用范围受限的原因。

    3 导纳式物位仪表对探头粘附层的处理

    由于导电并黏稠的介质在使用中容易结挂料,在使用一段时间后就出现一个附加电容CCO和电阻RCO。因此,出现了两个问题:一是由于挂料后介质导电性,振荡器输出到探头的电压降低,导致测量回路产生误差;二是由于CCO的存在,直接产生测量误差。

    为解决上述问题,对电路设计作了改进:一是在振荡器与测量桥路之间增加缓冲放大器,以保证振荡器输出电压的稳定;二是根据对导电挂料电特性的研究发现,如果挂料足够长则挂料的容抗和阻抗相等。针对CCO和RCO,增加一个交流驱动电路,该电路与交流变换器(或同步检测器)一起可以分别测得电容CM(CCO+C)和RCO,在挂料足够长的情况下,物位电容为测量电容减去相当于RCO值的挂料电容[1]

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