电容式物位计中挂料问题的研究

　　1　引言

　　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,特别是在进行导电物料测量时,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,引起了众多科技工作者的重视[1,2]。

　　本文仅对湿性电极挂料情况加以讨论。在导电介质的料仓中,安装一个测量电极,测量电极上有绝缘层,当仓内装有物料时,存在一个物料电容,此电容的两极分别为电极极芯和导电物料。此时测量电容与物料高度成正比。

　　这种电容式物位测量原理存在一个严重的缺点:如图1所示,物位由高位H降低到低位H0时,探头上可能会留有附着物即挂料,这会导致被测电容加大,使测量值不准确。

　　2　电极挂料的等效电路

　　不带挂料的电容式物位传感器电极可等效为纯电容形式;而挂料会引起测量电压的能量损耗,因此,带有挂料的电极将等效为如图2所示的电路。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。用传输线理论可证明挂料复阻抗的实部与虚部相等,即:1/Rg=ω·Cg。由于测量电容C=Cw+Cg,所以在测量过程中可利用挂料复阻抗的实部与虚部相等来消除挂料电容Cg对测量电容的影响,从而克服电极挂料对物位测量产生的误差。

　　3　测量电路

　　3·1　测量电路组成

　　为了消除电极挂料对测量结果的影响,使测量电压输出仅与物位电容有关,测量电路设计为如图3所示。

　　3中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;R为挂料引起的等效电阻;Cm为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;.E1和.E2通常是变电器副端中心抽头的同极电压;.E3为检波电路的同步信号电压;.E为激励电压;U0为输出电压。

　　3·2　电路方程

　　设激励电压为频率为ω的正弦交流电压,对上半回路abdha(R、Cm、Cp构成一个并联支路)利用KVL定理,得

　　对下半回路dhijd利用KVL定理,得

　　如令

　　则由式(1)、(2)和(3)可组成方程组

　　3·3　输出电压通解

　　选取.E1=.E2=.E,由方程组(4)解得

　　将A、B和C代入式(5),得

　　而测量电压U0则为

　　4　输出电压与物位的关系

　　4·1　初始条件假设

　　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(7)得

　　如选取Cs,使Cs+2Cp0 ΔC+Cg+2Cm,则式(8)可简化为