射頻導(dǎo)納物位計(jì)的工作原理
射頻導(dǎo)納是一種從電容式發(fā)展起來(lái)的、防掛料、更可靠、更準(zhǔn)確、適用性更廣的料位控制技術(shù)，射頻導(dǎo)納中導(dǎo)納的含義為電學(xué)中阻抗的倒數(shù)，它由電阻性成分、電容性成分、感性成分綜合而成，而射頻即高頻無(wú)線電波譜，所以射頻導(dǎo)納可以理解為用高頻無(wú)線電波測(cè)量導(dǎo)納。
1.電容式物位測(cè)量原理
實(shí)驗(yàn)室中，平行板電容器是一個(gè)理想型的電容器，其電容量為：C=ExS/D，其中E為兩電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板間面積，D為兩極板間距離。對(duì)于一個(gè)料倉(cāng)，安裝一個(gè)測(cè)量電極系統(tǒng)，形成一個(gè)同軸電容器。倉(cāng)內(nèi)存在一個(gè)電容C=E。
×SxH。/D+E×Sx（H-HO）/D，其中E。為兩電極間空氣的介電常數(shù)，E。=1.0006，近似=1；E為兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板間等效面積，D為兩極板間距離，HO為空氣段探頭長(zhǎng)度，H為探頭長(zhǎng)度。對(duì)于一個(gè)固定的料倉(cāng)來(lái)說(shuō)，物料的E是固定的，S、D也是固定的，所以，推導(dǎo)上式可知，測(cè)量電容與物料的高度成正比。圖2是測(cè)量原理框圖。
利用檢測(cè)橋路上的可調(diào)電容可以平衡掉初始電容，包括安裝電容和線纜電容等，只剩下探頭物料電容，該電容信號(hào)經(jīng)放大后，輸出一個(gè)與料位成正比的信號(hào)。這種電容式原理存在一個(gè)嚴(yán)重弱點(diǎn)：即物位升高淹沒(méi)探頭后又落下去時(shí)，探頭可能會(huì)留有附著物即掛料。這會(huì)導(dǎo)致被測(cè)電容加大，如果是導(dǎo)電液體情況會(huì)更嚴(yán)重，產(chǎn)生很大的誤差。另一個(gè)缺點(diǎn)是探頭到電路單元之間的連接電纜，在這相當(dāng)于一個(gè)較大的電容，而且隨溫度變化。這個(gè)變化的電纜電容與物位電容疊加在一起會(huì)引起很大的誤差，尤其在物料介電常數(shù)較低的場(chǎng)合，信號(hào)較小，這些誤差將是很嚴(yán)重的。而射頻導(dǎo)納技術(shù)就能克服上述缺點(diǎn)。
2.點(diǎn)位射頻導(dǎo)納原理
點(diǎn)位射頻導(dǎo)納技術(shù)與電容技術(shù)的重要區(qū)別是采用了三端技術(shù)，如圖3。在電路單元測(cè)量信號(hào)上引出一根線，經(jīng)同相放大器放大，其輸出與同軸電纜屏蔽層相連，然后又連到探頭的屏蔽層上（Cote-shield元件）。該放大器是一個(gè)同相放大器，其增益為“1”，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)等電位、同相位、同頻率但互相隔離。地線是電纜中另一條獨(dú)立的導(dǎo)線。由于同軸電纜的中心線與外層屏蔽存在上述關(guān)系，所以二者之間沒(méi)有電位差，也就沒(méi)有電流流過(guò)，即沒(méi)有電流從中心線漏出來(lái)，相當(dāng)于二者之間沒(méi)有電容或電容等于零。因此電纜的溫度效應(yīng)，安裝電容等也就不會(huì)產(chǎn)生影響。
對(duì)于探頭上的掛料問(wèn)題，采用一種新的探頭結(jié)構(gòu)如圖，五層同心結(jié)構(gòu)：最里層是中心測(cè)桿，中間是Cote-shield屏蔽層，最外面是接地的安裝螺紋，用絕緣層將其分別隔離起來(lái)。圖4給出了探頭上掛料的等效電路。與同軸電纜的情況是一樣的，中心測(cè)桿與屏蔽層之間沒(méi)有電勢(shì)差，即使傳感元件上掛料阻抗很小，也不會(huì)有電流流過(guò)，電子儀器測(cè)量的僅僅是從探頭中心到主要是到對(duì)面罐壁（地）的電流，因?yàn)镃ote-shield元件能阻礙電流沿探頭向上流向容器壁，因而對(duì)地電流只有經(jīng)探頭末端通過(guò)被測(cè)物料到對(duì)面容器壁。即U=U。ke=（U-U。）+R=0。由于屏蔽層與容器壁之間存在電勢(shì)差，兩者之間雖有電流流過(guò)，但該電流不被測(cè)量，不影響測(cè)量結(jié)果。這樣就將測(cè)量端保護(hù)起來(lái)，不受掛料的影響。只有容器中的物位確實(shí)上升接觸到中心測(cè)桿時(shí)，通過(guò)被測(cè)物料，中心測(cè)桿與地之間形成被測(cè)電流。
3.連續(xù)射頻導(dǎo)納原理
對(duì)于連續(xù)物位測(cè)量，射頻導(dǎo)納技術(shù)與傳統(tǒng)電容技術(shù)的區(qū)別除了上述講過(guò)的以外，還增加了兩個(gè)很重要的電路，這是根據(jù)對(duì)導(dǎo)電掛料實(shí)踐中的一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)改進(jìn)而成的。上述技術(shù)在這時(shí)同樣解決了連接電纜問(wèn)題，也解決了垂直安裝的傳感器根部掛料問(wèn)題。所增加的兩個(gè)電路是振蕩器緩沖器和交流變換斬波器驅(qū)動(dòng)器。如圖5。
對(duì)一個(gè)強(qiáng)導(dǎo)電性物料的容器，由于物料是導(dǎo)電的，接地點(diǎn)可以被認(rèn)為在探頭絕緣層的表面，對(duì)變送器來(lái)說(shuō)僅表現(xiàn)為一個(gè)純電容，如圖6。隨著容器排料，探桿上產(chǎn)生掛料，而掛料是具有阻抗的。這樣以前的純電容現(xiàn)在變成了由電容和電阻組成的復(fù)阻抗，從而引起兩個(gè)問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題是液位本身對(duì)探頭相當(dāng)于一個(gè)電容，它不消耗變送器的能量，（純電容不耗能）。但掛料對(duì)探頭等效電路中含有電阻，則掛料的阻抗會(huì)消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來(lái)，導(dǎo)致橋路輸出改變，產(chǎn)生測(cè)量誤差。我們?cè)谡袷幤髋c電橋之間增加了一個(gè)緩沖放大器，使消耗的能量得到補(bǔ)充，因而不會(huì)降低加在探頭的振蕩電壓。
第二個(gè)問(wèn)題是對(duì)于導(dǎo)電物料，探頭絕緣層表面的接地點(diǎn)覆蓋了整個(gè)物料及掛料區(qū)，使有效測(cè)量電容擴(kuò)展到掛料的頂端，這樣變產(chǎn)生掛料誤差，且導(dǎo)電性越強(qiáng)誤差越大。
但任何物料都不是完全導(dǎo)電的。從電學(xué)角度來(lái)看，掛料層相當(dāng)于一個(gè)電阻，傳感元件被掛料覆蓋的部分相當(dāng)于一條由無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)窮小的電容和電阻元件組成的傳輸線。根據(jù)數(shù)學(xué)理論，如果掛料足夠長(zhǎng)，則掛料的電容和電阻部分的阻抗相等。因此根據(jù)對(duì)掛料阻抗所產(chǎn)生的誤差研究，又增加一個(gè)交流驅(qū)動(dòng)器電路。該電路與交流變換器或同步檢測(cè)器一起就可以分別測(cè)量電容和電阻。
由于掛料的阻抗和容抗相等，則測(cè)得的總電容相當(dāng)于C物位+C掛料，再減去與C掛料、相等的電阻R，就可以實(shí)際測(cè)量物位真實(shí)值，從而排除掛料的影響。
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