导电介质物位测量的研究

　　1　引　　言

　　传统的电容式物位测量仪表由于其结构简单、工作可靠、维护工作量小,因此在物位测量领域占有重要的地位。但是如果被测介质是粘性导电物料,当物位由高位变化到低位时,物料会滞留于传感器电极的外层绝缘层上,形成挂料,造成虚假物位,使测量产生很大的误差。这使得传统的电容式物位计的使用受到了严重的限制。如何精确地测量粘性导电介质的物位,这正是新一代电容式物位计需要解决的问题。

　　2　测量原理

　　从电学角度来说,使用电容式物位计进行导电介质物位测量时,若物位由低到高变化时,传感电极上不会有挂料,此时,传感器的电容正好反映真实物位引起的电容,若物位由高到低变化,电极上会附有被测导电介质挂料。传感电极被挂料覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小长度单元上的电容和电阻元件组成的传输线[1],挂料部分的等效电路如图1所示。

　　根据均匀传输线原理可推出挂料的等效阻抗Zg的实部与虚部在数值上相等,若单位长度上的电阻为R0,电容为C0,激励电压的角频率为ω,挂料的等效阻抗Zg可表示为:

　　探头的等效电路如2所示。图中Rg为挂料部分的等效电阻,Cg为挂料部分的等效电容,Cw为物位的等效电容。且1/Rg=ω·Cg。

　　3　测量桥路

　　电容式物位传感器的电容值一般比较小(几十皮法到几百皮法)[2],这样小的电容信号不便于直接测量显示、记录,更不便于远距离传输,为此,必须借助于一定的测量电路检测出这一电容变量,并转换为与其成正比的电压信号。图3为测量桥路。图中:Rg为挂料引起的等效电阻;Cm测量电缆的等效电容;Cc为补偿电缆的等效电容;C0为可调(粗调、细调)调零电容;Cs为量程电容;Cp为测量电容,它是物位的初始电容Cp0、物位变化值ΔC及挂料电容Cg之和。可记为Cp=Cp0+ΔC+Cg;E。1和E。2通常是变电器副端中心抽头的同极电压;E。3为检波电路的同步信号电压;E。0为激励电压;U0为输出电压。

　　激励电压为频率为ω的正弦交流电压,用向量分析法,对于回路abdha,基于基尔霍夫定律,有:

　　同样对于回路hdfgh使用基尔霍夫电压定律:

　　当初始物位为零,即ΔC=0时,调整C0,使Cp0+Cm=C0+Cc,由上述初始条件可知Cp=Cp0+ΔC+Cg将其代入式(5)得:

　　式(8)中第一项仅与物位ΔC有关,它是与激励信号同频率的正弦函数;第二项仅与挂料电容有关,它也与激励信号同频率,但相位落后于第一项π/4,如图4所示。U0为U1、U2共同作用的结果。

　　当ωt=π/4+2kπ,(k=1,2,…,n)时,U2的输出为零,此时输出电压为: