摘要：針對(duì)高粘度介質(zhì)在選擇液位開關(guān)時(shí)存在的電極掛料問題進(jìn)行研究。電容式液位測(cè)量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，測(cè)量的結(jié)果經(jīng)常受到導(dǎo)電介質(zhì)電極掛料的影響，分析了電極掛料產(chǎn)生的原因、掛料對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提出了利用射頻導(dǎo)納技術(shù)解決掛料的問題，給出了射頻導(dǎo)納電容式物位測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施方案。射頻導(dǎo)納可以理解為用高頻無線電波測(cè)量電路中因液位變化引起的導(dǎo)納變化。分析了普通電容式液位測(cè)量原理和射頻導(dǎo)納式液位測(cè)量原理，并進(jìn)行兩種方案的比較。
引言
珠海(殼牌)潤(rùn)滑油有限公司2011年新建的40 kt/a潤(rùn)滑脂項(xiàng)目含三條生產(chǎn)線(滿足2015年需求)，每條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)生產(chǎn)能為10 kt/a;同時(shí)預(yù)留一條10 kt/a生產(chǎn)線滿足長(zhǎng)期需求，這是殼牌在中國(guó)興建的第一座潤(rùn)滑脂生產(chǎn)廠。
1、潤(rùn)滑脂的特點(diǎn)
潤(rùn)滑脂為稠厚的油脂狀半固體，用于機(jī)械的摩擦部分，起潤(rùn)滑和密封作用;也用于金屬表面，起填充空隙和防銹作用。主要由礦物油和稠化劑調(diào)制而成。有以下優(yōu)點(diǎn):a)在金屬表面具有良好的粘附性，不易流失，在不易密封的部位使用，可簡(jiǎn)化潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);b)抗碾壓，在高負(fù)荷及沖擊負(fù)荷作用下，仍有良好的潤(rùn)滑能力;c)潤(rùn)滑周期長(zhǎng)，不需經(jīng)常補(bǔ)充、更換，而且對(duì)金屬部件具有一定的防銹性，相對(duì)地降低了維護(hù)費(fèi)用;d)適用的溫度范圍較寬，適用的工作條件也較寬。缺點(diǎn)是稠度大。
正是因?yàn)楦遖度的特性，最終產(chǎn)品a度可達(dá)
7.5X104 mPa.s，在選擇罐區(qū)儀表時(shí)，就要提出更加具有針對(duì)性的選擇方案。這里僅對(duì)液位開關(guān)類型儀表提出說明。
2液位開關(guān)測(cè)量原理
2.1電容式液位測(cè)里原理
電容式液位計(jì)是利用電容傳感器將被測(cè)介質(zhì)液位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓缓笸ㄟ^測(cè)量電容量的方法來求得液位值。
由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容量與真空介電常數(shù)Eo(8. 854*10-12F/m)，極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)Er，極板的有效面積A以及兩極板間的距離L有關(guān):
若L,Er,A三個(gè)參量中的任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化，通過測(cè)量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可以分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。
從原理上講，電容式液位傳感器屬于變介質(zhì)型。在液位測(cè)量中，將極板插人被測(cè)量的液位之中，隨著物位的上升，物體介質(zhì)取代原有的空氣填充極板間，電容器的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。根據(jù)被測(cè)物體極性的不同，傳感器探頭也有所不同。一般來說，待測(cè)物料介質(zhì)有絕緣和導(dǎo)電之分，因此對(duì)探頭也要有相應(yīng)處理。
2.1.1非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位測(cè)量
傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬管式電極作為電容的一個(gè)極板，容器壁作為電容的另一個(gè)極板。被測(cè)量的非導(dǎo)電介質(zhì)隨物位高度不同而填充原來充滿空氣的區(qū)域，使得物位變化區(qū)域中的介電常數(shù)發(fā)生變化(由空氣介質(zhì)變?yōu)榉菍?dǎo)電介質(zhì))，從而使電容發(fā)生改變。
式中K—常數(shù)，對(duì)于圓柱形容器，同軸安裝時(shí)，K----2π；eo—空氣介電常數(shù);e1—被測(cè)物料的介電常數(shù);Ho—電極有效的長(zhǎng)度;H—浸入被測(cè)液體中的有效長(zhǎng)度;D—被測(cè)容器的等效直徑;d—金屬管電極的直徑。
注:C,—不隨液位變化的等效雜散電容;C2—液面以上，兩個(gè)電極板間以空氣為介質(zhì)形成的電容;C3液面以下，兩個(gè)電極板間以被測(cè)液體為介質(zhì)形成的電容：
由式(Z)和式(3)可以得出總電容:
從式(4)可以看出K, Ho ,D,d對(duì)于一個(gè)固定的容器和探頭，都可以看作是常量，而C1為固有的雜散電容，因此，Ct就只與測(cè)桿被浸人的長(zhǎng)度(所測(cè)液位高度)有關(guān)，且成線性關(guān)系。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測(cè)出電容值就可以求出對(duì)應(yīng)的液位。
在電容式液位測(cè)量中，也可以用上述裝置來測(cè)量非導(dǎo)電固體散料的液位，由于固體摩擦力較大，容易滯留于測(cè)桿之上，因此，可以采用光滑、不易腐蝕的金屬電極棒作為測(cè)桿，進(jìn)行液位測(cè)量。
2.1.2導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位測(cè)量
如果被測(cè)量的液體是導(dǎo)電的，比如化工生產(chǎn)中的電解質(zhì)溶液，則在測(cè)量其液位時(shí)，不能采用裸金屬管作為電極，應(yīng)采用帶絕緣層的金屬管作為測(cè)桿。根據(jù)化學(xué)上的相似相溶原理，絕緣層一般采用聚乙烯、法蘭等抗腐蝕、與被測(cè)介質(zhì)有最小的附著力的絕緣材料制成。具體測(cè)量裝置如圖2所示。
這些電容的計(jì)算公式為
式中L—電極有效的長(zhǎng)度;D1—測(cè)桿包括絕緣層等效直徑;d導(dǎo)電—金屬電極的直徑。
在測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，C4處于短路狀態(tài)，可以不參加計(jì)算。
注:Co—電極間雜散電容，不隨物位變化;
C4—測(cè)桿浸人被測(cè)物料部分形成的電容
由等效電路，可以得出測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，總電容:
由式(9)可以看出K,H,D,D1， L,d導(dǎo)電對(duì)于一個(gè)固定的容器和探頭，都可以看作是常量，而Co為固有的雜散電容，因此，總電容Ct就只與測(cè)桿被浸人的長(zhǎng)度H(所測(cè)液位高度)有關(guān)，且呈線性關(guān)系。當(dāng)被測(cè)液體液位發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測(cè)出電容值就可以求出對(duì)應(yīng)的液位。
需要注意:測(cè)桿上包有一層絕緣層，并不代表只能用來測(cè)量導(dǎo)電性物料的液位。這種測(cè)桿同樣可以用于非導(dǎo)電性物料的液位測(cè)量。只是由于被測(cè)物料不導(dǎo)電，C4不能看作短路，要參與計(jì)算，因此對(duì)于非導(dǎo)電性物料其總電容為*
上式同樣可以寫成Ct與H成正線性相關(guān)關(guān)系的形式，因此，當(dāng)被測(cè)非導(dǎo)電液體液位發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測(cè)出電容值就可以知曉對(duì)應(yīng)的液位。
由式(9)和式(10)可見，使用帶絕緣層的測(cè)桿測(cè)量非導(dǎo)電液體和導(dǎo)電液體的時(shí)候，H前面的系數(shù)有所不同。如果選擇合適的測(cè)桿參數(shù)，調(diào)整測(cè)桿絕緣層厚度以及測(cè)桿與容器的直徑之比，使得兩者的這個(gè)系數(shù)的差異增大，則對(duì)于兩互不相溶的液體混合，從某個(gè)基點(diǎn)出發(fā)，均勻移動(dòng)測(cè)桿通過分界面實(shí)時(shí)記錄電容值，找到圖線上的斜率突變點(diǎn)，可以較準(zhǔn)確地獲知分界面的相對(duì)位置。
2.2射頻導(dǎo)納式液位測(cè)量原理
2.2. 1射頻導(dǎo)納基本原理
傳統(tǒng)液位測(cè)量方法多種多樣，如電容式、放射線式、機(jī)電式和聲波式等，其中又以電容式應(yīng)用最為廣泛。具有耐腐蝕、抗高溫、抗高壓特點(diǎn)，但有一個(gè)致命的缺陷即測(cè)量粘附性導(dǎo)電物料時(shí)物料會(huì)粘附在傳感電極的外套絕緣罩上(掛料)，如圖3所示，形成虛假液位產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，使儀表無法工作，正是這一點(diǎn)妨礙了電容式液位儀表的推廣應(yīng)用。
應(yīng)用射頻導(dǎo)納技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的電容式液位儀表進(jìn)行改造，在保留其優(yōu)點(diǎn)的前提下，變單純測(cè)量傳感電極的電容變化為測(cè)量傳感電極的復(fù)數(shù)阻抗變化，從而排除掛料的影響。
粘附在傳感電極上的掛料層只是很薄的一層，其橫截面積和液位以下的物料相比幾乎可以忽略。另一方面，一根一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線其電阻值和導(dǎo)線本身的橫截面積成反比，正是由于物料的橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掛料層的橫截面積，且物料具有較好的導(dǎo)電性，因而認(rèn)為物料的電阻非常小可以忽略，所以認(rèn)為物料的電位和金屬倉壁的電位一樣，從而把物料當(dāng)作電容的一個(gè)極板。但掛料層的電阻卻很大，從電學(xué)角度來看掛料層相當(dāng)于一條由無窮多個(gè)無窮小的電容元件和電阻元件組成的傳輸線。
根據(jù)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)結(jié)果表明，如果一導(dǎo)電掛料足夠長(zhǎng)，則掛料和傳感電極形成的以傳感電極絕緣外套管為介質(zhì)的電容的容抗和掛料部分所表現(xiàn)出來的電阻在數(shù)值上相等。
如果把測(cè)得的電容值記為C5,，它包括液位以下導(dǎo)電物料與傳感電極以絕緣外套管為介質(zhì)所表現(xiàn)出的真實(shí)液位電容C6和導(dǎo)電掛料與傳感電極以絕緣外套管為介質(zhì)所表現(xiàn)出的電容C7。如果能夠從C5減去掛料產(chǎn)生的電容C7，則就可以從C6求得真實(shí)液位，并進(jìn)一步計(jì)算出物料的體積、質(zhì)量或者其他相關(guān)量。
導(dǎo)電掛料表現(xiàn)出的電阻記為R，掛料電容的容抗記為
根據(jù)射頻導(dǎo)納原理
所以R中包含了掛料電容的有關(guān)信息，從中可以得到C7的大小，從而解決了C6=C5-C7的問題。
射頻導(dǎo)納理論的推導(dǎo)要求掛料足夠長(zhǎng)，實(shí)際與掛料層的厚度、傳感電極的飽和電容、傳感電極的直徑長(zhǎng)度以及檢測(cè)時(shí)的頻率等因素有關(guān)系。在實(shí)際工程條件下，大于2 cm就算是“足夠長(zhǎng)”了，在運(yùn)用射頻導(dǎo)納理論時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大誤差。
2.3兩種實(shí)現(xiàn)方案的比較
變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法和電壓電流矢量法都是基于射頻導(dǎo)納原理的電容式液位測(cè)量方法，它們都可以去除掛料信號(hào)，得到真實(shí)的液位信號(hào)，但是在設(shè)計(jì)上有很大的不同:變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法在硬件電路上就可以實(shí)現(xiàn)掛料信號(hào)和真實(shí)的液位信號(hào)的分離，定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的值都是由真實(shí)液位信號(hào)所產(chǎn)生的;而電壓電流矢量法采集的數(shù)值是傳感器輸出的電壓和電流值(轉(zhuǎn)換為電壓值)，真實(shí)液位信號(hào)的分離是通過軟件完成的。一般而言，由于掛料產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)于真實(shí)液位信號(hào)在量值上要小很多，而電壓電流矢量法
在計(jì)算上所需要的步驟較多，在加大計(jì)算量的同時(shí)由于單片機(jī)有限字長(zhǎng)效應(yīng)不可避免地帶來較多的舍人誤差，雖然可以通過加大字長(zhǎng)減小誤差，但是由于資源所限，不可能將字長(zhǎng)設(shè)的很長(zhǎng)，所以隨著計(jì)算步驟的增多，將使誤差急劇擴(kuò)大，降低系統(tǒng)性能。而且從硬件設(shè)計(jì)的角度講電壓電流矢量法相對(duì)于變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法也
要復(fù)雜一些。所以選擇變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法作為基本測(cè)量方法。
3、結(jié)束語
射頻導(dǎo)納液位計(jì)是一種從電容式液位控制技術(shù)發(fā)展起來的，防掛料、更可靠、更準(zhǔn)確、適J月性更廣的液位控制技術(shù)，而它所具有的優(yōu)點(diǎn)，正是在潤(rùn)滑脂項(xiàng)目中所需要的。以卜只是針對(duì)該項(xiàng)[]中的一些應(yīng)用做了介紹，但已經(jīng)足可以看出射頻導(dǎo)納液位計(jì)在各種苛刻介質(zhì)條件下的使用前景。
