摘要:針對高粘度介質(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。電容式液位測量計(jì)測量導(dǎo)電介質(zhì)時(shí),測量的結(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、掛料對測量結(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量原理和射頻導(dǎo)納式液位測量原理,并進(jìn)行兩種方案的比較。
射頻導(dǎo)納液位開關(guān)在潤滑脂項(xiàng)目中的應(yīng)用
引言
珠海(殼牌)潤滑油有限公司2011年新建的40 kt/a潤滑脂項(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)線滿足長期需求,這是殼牌在中國興建的地衣座潤滑脂生產(chǎn)廠。
1、潤滑脂的特點(diǎn)
潤滑脂為稠厚的油脂狀半固體,用于機(jī)械的摩擦部分,起潤滑和密封作用;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,可簡化潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);b)抗碾壓,在高負(fù)荷及沖擊負(fù)荷作用下,仍有良好的潤滑能力;c)潤滑周期長,不需經(jīng)常補(bǔ)充、更換,而且對金屬部件具有一定的防銹性,相對地降低了維護(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,#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性的選擇方案。這里僅對液位開關(guān)類型儀表提出說明。
2液位開關(guān)測量原理
2.1電容式液位測里原理
電容式液位計(jì)是利用電容傳感器將被測介質(zhì)液位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓,然后通過測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),都會引起電容量的變化,通過測量電路就可以轉(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。在液位測量中,將極板插人被測量的液位之中,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)被測物體極性的不同,傳感器探頭也有所不同。一般來說,待測物料介質(zhì)有絕緣和導(dǎo)電之分,因此對探頭也要有相應(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—被測物料的介電常數(shù);Ho—電極有效的長度;H—浸入被測液體中的有效長度;D—被測容器的等效直徑;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就只與測桿被浸人的長度(所測液位高度)有關(guān),且成線性關(guān)系。當(dāng)被測介質(zhì)液位發(fā)生變化時(shí),傳感器的電容值也隨之改變,因此檢測出電容值就可以求出對應(yīng)的液位。
在電容式液位測量中,也可以用上述裝置來測量非導(dǎo)電固體散料的液位,由于固體摩擦力較大,容易滯留于測桿之上,因此,可以采用光滑、不易腐蝕的金屬電極棒作為測桿,進(jìn)行液位測量。
2.1.2導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位測量
如果被測量的液體是導(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、與被測介質(zhì)有#小的附著力的絕緣材料制成。具體測量裝置如圖2所示。
這些電容的計(jì)算公式為
式中L—電極有效的長度;D1—測桿包括絕緣層等效直徑;d導(dǎo)電—金屬電極的直徑。
在測量導(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—測桿浸人被測物料部分形成的電容
由等效電路,可以得出測量導(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就只與測桿被浸人的長度H(所測液位高度)有關(guān),且呈線性關(guān)系。當(dāng)被測液體液位發(fā)生變化時(shí),傳感器的電容值也隨之改變,因此檢測出電容值就可以求出對應(yīng)的液位。
需要注意:測桿上包有一層絕緣層,并不代表只能用來測量導(dǎo)電性物料的液位。這種測桿同樣可以用于非導(dǎo)電性物料的液位測量。只是由于被測物料不導(dǎo)電,C4不能看作短路,要參與計(jì)算,因此對于非導(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,因此檢測出電容值就可以知曉對應(yīng)的液位。
由式(9)和式(10)可見,使用帶絕緣層的測桿測量非導(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。如果選擇合適的測桿參數(shù),調(diào)整測桿絕緣層厚度以及測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),均勻移動測桿通過分界面實(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位置。
2.2射頻導(dǎo)納式液位測量原理
2.2. 1射頻導(dǎo)納基本原理
傳統(tǒng)液位測量方法多種多樣,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#為廣泛。具有耐腐蝕、抗高溫、抗高壓特點(diǎn),但有一個(gè)致命的缺陷即測量粘附性導(dǎo)電物料時(shí)物料會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,變單純測量傳感電極的電容變化為測量傳感電極的復(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,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,實(shí)際與掛料層的厚度、傳感電極的飽和電容、傳感電極的直徑長度以及檢測時(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”了,在運(yùn)用射頻導(dǎo)納理論時(shí)不會產(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量方法,它們都可以去除掛料信號,得到真實(shí)的液位信號,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)掛料信號和真實(shí)的液位信號的分離,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)生的信號相對于真實(shí)液位信號在量值上要小很多,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減小誤差,但是由于資源所限,不可能將字長設(shè)的很長,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),正是在潤滑脂項(xiàng)目中所需要的。以卜只是針對該項(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。