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1、射频导纳料位计原理及故障分析发布时间： 2010-08-19 浏览次数：400吴晓梅（中国铝业青海分公司炭素厂，青海810108 )摘要：分析了射频导纳连续料位计的工作原理，提出利用射频导纳技术解决实际生产中料位计挂料问题并对射频导纳杆位计常见故障提出了相应的解决方案。关键词：射频导纳；挂抖；故障分析Principle and Fault Analysis of RF Admittance Material Level MeterWU Xiao-mei(CHINALCO Qinghai Branch Carbon Plant, Qinghai 810108, China)Abstract: T
2、he working principle of RF admittance material level meter is analyzed. The use of RF admittance technology to solve production level meter coating issue and treatment scheme of common malfunction of RF admittance material level meter are proposed.Keywords: RF admittance; coating; fault analysis0 引言
3、 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干差万别，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、液一固浆体和介质界面），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，是应用最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
4、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la 所示。设以空气为介质的电容为Cl ，以被测物料为介质的电容为C2，则电极间的电容为： C=C1+C2如果
5、被测介质为导体，则须在探头上加一层绝缘层，如图lb 所示。设被测物料上部以绝缘层为介质的电容为C la , ，以空气为介质的电容为Clb ，被测物料 部分以绝缘层为介质的电容为C2a，则电极间的电容为：C= C1a C1b/ （C1a+ C1b）+ C2a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=C0+kh式中，C0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，
6、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 。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
7、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1 00 kHz 的射频信号，经滤波电路将干扰成分滤掉，获得较纯净的1 00 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
8、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，消除一些带扰，然后送人微机系统进行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人命令信号，对系统进行自校准，提高测量精确度。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
9、检查以下几方面的内容：( 1 ）检查电户单元。移动传感器电源及信号电缆，外加15 一28V DC 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 一20mA 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最小电阻值为：中心线与地之间1000；中心线与屏蔽之间600；屏蔽与地之间3 00。( 3 ）检查传输电缆。导线管中有水或导电性物体，
10、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。参考文献 l陈晓竹，陈乐电容式物位计中挂料问题的研究 J 计量学才良 2张宝芬自动检测技术及仪侧空制系统M北京：化学工业出版社，2002 3王永红过程检测仪表M 北京：化学工业出版社，2005 4施仁，刘文江，等自动化仪表及过程控制（第三版M北京：电子工业出版社，2003 射频导纳料位计之工作原理默认分类 2010-10-10 20:24:03 阅读44 评论1 字号：大中小订阅 射频导纳料位计是一种从电容式物位控
11、制技术发展起来的，防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的物位控制技术，“射频导纳”中“导纳”的含义为电学中阻抗的倒数，它由阻性成分、容性成分、感性成分综合而成，而“射频”即高频，所以射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳。高频正弦振荡器输出一个稳定的测量信号源，利用电桥原理，以精确测量安装在待测容器中的传感器上的导纳，在直接作用模式下，仪表的输出随物位的升高而增加。 射频导纳式物位控制器是利用高频技术，由电子线路产生一个小功率射频信号于探头上，探头作为敏感元件，将来自物位介电常数引起的信号变化反馈给电子线路于这些变化包括电容量和电导量的变化，因而电子线路处理的是容抗和阻抗的综合变化信号,采用相位检
12、测技术将这种变化检测出来，进行处理后继电器的输出。它是在原电容测量的基础上改进为射频导纳测量技术，代表了当今物位测量的新水平。 射频导纳技术与传统电容技术的区别在于测量参量的多样性、驱动三端屏蔽技术和增加的两个重要的电路，这些是根据在实践中的宝贵经验改进而成的。上述技术不但解决了连接电缆屏蔽和温漂问题，也解决了垂直安装的传感器根部挂料问题。所增加的两个电路是高精度振荡器驱动器和交流鉴相采样器。 对一个强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在探头绝缘层的表面，对变送器探头来说仅表现为一个纯电容，随着容器排料，探杆上产生挂料，而挂料是具有阻抗的。这样以前的纯电容现在变成了由电容和电
13、阻组成的复阻抗。 射频导纳技术由于引入了除电容以外的测量参量，尤其是电阻参量，使得仪表测量信号信噪比上升，大幅度地提高了仪表的分辨力、准确性和可靠性;测量参量的多样性也有力地拓展了仪表的可靠应用领域。第一个问题是物料本身对探头相当于一个电容，它不消耗变送器的能量，(纯电容不耗能)，但挂料对探头等效电路中含有电阻，则挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。我们在振荡器与电桥之间增加了一个驱动器，使消耗的能量得到补充，因而会稳定加在探头的振荡电压。 第二个问题是对于导电物料，探头绝缘层表面的接地点覆盖了整个物料及挂料区，使有效测量电容扩展到挂料的顶端，这样便产
14、生挂料误差，且导电性越强误差越大。但任何物料都不完全导电的。从电学角度来看，挂料层相当于一个电阻，传感元件被挂料覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。 根据数学理论，如果挂料足够长，则挂料的电容和电阻部的阻抗和容抗数值相等，因此用交流鉴相采样器可以分别测量电容和电阻。测得的总电容相当于C物位+C挂料，再减去与C挂料相等的电阻R，就可以获得物位真实值，从而排除挂料的影 响。即 C测量C物位C挂料C物位C测量-C挂料 C测量-R 这些多参量的测量，是测量的基础，交流鉴相采样器是实现的手段。由于使用了上述三项技术，使得射频导纳技术在现场应用中展现出非凡的生命力。 是目前世界上顶尖的料液位测量仪表.
