基于取样积分的射频导纳物位测量

　　0　引言

　　物位是工业生产及过程控制中的重要参量,传统的电容式物位仪以其测量仪表结构简单、性能可靠、价格低廉、测量结果与介质密度及化学成份等因素无关而广泛应用于各种工况条件下的物位测量。但待测液体是具有黏附性的导体物料时,物料会黏附在传感电极的外套绝缘罩上,形成挂料,造成虚假物位,产生较大的测量误差,使仪表不能正常工作,这是传统的电容式物位测量仪的致命缺陷。随着电子技术的广泛应用,射频物位检测技术得到了迅猛发展,射频物位仪基于均匀传输线原理,通过检测真实物位π/4相位点的幅值,较好地解决了被介质的挂料测量误差而广泛应用于现代工业生产及过程控制的物位测量。

　　1　导电挂料对测量的影响

　　利用电容式物位计测量导电介质液位时,若物位由低到高变化时,传感器电极上不会有挂料,此时传感器的电容正好反映真实液位引起的电容变化;当物位由高到低变化时,电极上会附有被测导电介质挂料。黏附在传感电极上的挂料层只是很薄的一层,比料位下面的物料要小得多,其横截面和料位以下的物料相比几乎可以忽略;而物料的横戴面积远远大于挂料层的横截面积,且物料具有较好的导电性,因而可以认为物料的电阻非常小,可以忽略。因此在测量时认为物料的电位和金属仓壁的电位一样,从而把物料当作电容的一个极板。但挂料层的电阻却很大,从电学的角度看,挂料层相当于一条由无穷多个无穷小的电容元件和无穷小的电阻元件组成的传输线如图1所示。因此当物位4高度由h降低至h0时,探头上可能会有黏附层(即挂料3),产生虚假物位,影响测量精度。

　　2　射频导纳物位测量仪的工作原理

　　由于挂料的横截面积较小,挂料的等效电阻很大,相当于一条由无穷多个无穷小的电容元件和无穷小的电阻元件组成的传输线。只要黏附层足够长,根据均匀传输线原理可以得出挂料层等效阻抗的实部与虚部在数值上相等,这就是射频导纳定理。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:

　　3　定点取样积分及实现

　　基于射频导纳原理中挂料阻抗的实部与虚部相等,在与真实物位π/4相位点取值,可以有效地消除传感器中由于挂料造成的误差,常用的方法是精确延时,在π/4相位点启动模数转换器进行采样,但由于采用的测量信号为射频信号,频率较高,因此滞后π/4相位的时间极短,这样采样系统必须采用高速、采样时间短的A/D转换器才能实现。定点取样积分是微弱信号处理中的一种方法,对于周期信号的固定相位点,每隔一个或几个周期对该点进行取样,长时间累积并平均,能够得到该点准确的幅值信息,基本不受噪声的影响。在射频导纳物位测量中利用微弱信号检测技术,可以在获取真实信号、消除挂料影响的同时,提高输出信号的信噪比改善系统性能,还可以降低系统对A/D转换的速度要求。[3, 4]