射频导纳电容式物位测量仪的研究

　　0　引言

　　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千差万别,生产中的工况差别很大,物位测量的方法也很多。其中由于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-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,因此电容式物位测量法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有一个致命的缺陷,即存在挂料问题,当测量具有黏附性的导电物料时,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,使仪表无法工作,正是这一点妨碍了电容式物位仪表的更广泛的应用[1]。

　　近十年来,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上述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[2],但在国内,该技术正处于研究中,并没有全部国产化的产品出现,文中正是针对射频导纳物料测试技术进行的研究和分析。

　　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,此电容的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1(a)所示,设以空气为介质的电容为C1,以被测物料为介质的电容为C2,则电极间的电容为:

　　如果被测介质为导体,则须在探头上加一层绝缘层,如图1(b)所示,设被测物料上部以绝缘层为介质的电容为C1a,以空气为介质的电容为C1b,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:

　　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

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　传感器上导电粘附层的影响

　　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,误差极其严重,这就大大限制了电容式物位计的使用和发展。

　　如图2(a)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2(b)中所示,当物位由高位h降低到低位h0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。