电容式物位计的应用(共19页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上内蒙古科技大学本 科 毕 业 论 文 论文题目： 电容式物位计的应用 学生姓名： 学 号： 专 业： 应用物理 指导教师： 2012年5月9日摘要电容式物位计测量技术广泛应用于建筑、石油、化工、矿山、储运等工业生产领域,对于提高产品质量,优化过程控制具有十分重要的作用。本文就电容式物位计的几种常见的应用做出介绍。其中本文对射频导纳测量原理进行了详细论述及推导，给出了消除挂料影响、测量真实物位的方法。然后详细论述了射频导纳测量原理的电路实现，包括电源电路，复位电路，激励信号发生电路，信号检波电路，滤波电路以及信号采集电路。其次对电容式物位计如何克服杂散电容信号的影响,得到准确的测量结果,是本文的研究重点。 本文在比较多种测量微小电容方法后选用充放电方法,基于充放电法,本文设计了两种电路,对两种电路的比较,选性能优者,并在信号传递过程中应用“驱动电缆法”开发出测量稳定,抗干扰能力强的电路方案。关键词：电容式；物位计；射频导纳 ABSTRACTCapacitive material level measurement technology are widely used in the construction, petroleum, chemical, mining, transportation and other areas of industrial production, to improve product quality, optimize process control plays a very important role. The capacitive level gauge of several common used to make presentation. One of the radio frequency admittance measurement principle is discussed and derived, is given by the elimination of material hanging effect, measuring the true level method. Then in detail elaborated the principles of radio frequency admittance circuit, including a power supply circuit, reset circuit, an excitation signal generation circuit, a signal detection circuit, a filter circuit and a signal collecting circuit. The capacitive level gauge how to overcome the influence of the stray capacitance signal, to obtain accurate measurement results, is the focus of this article. Based on the comparison of several measurement of small capacitance method selection of charging and discharging method, based on the charging and discharging method, this paper designs two kinds of circuit, the two circuit compares the performance of the best, and, in the signal transmission process in the application of" method of driving cable" developed the measurement stability, strong anti-interference ability of the circuit scheme.Keywords: Capacitor; level meter; radio frequency admittance 目录专心-专注-专业前言 物位是工业生产及过程控制中的重要参量,传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 电容式物位测量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。但当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, 射频物位仪通过同时检测电容和电阻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。本文对电容式物位计应用一些常用以及推广的最佳性能的物位测量做出详细介绍。一 电容式物位计的基本原理 电容式物位计是在容器中建立一个电容, 如图1，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, 设以空气为介质的电容为C, 以被测物料为介质的电容为C2, 则电极间的电容为: C= C1 + C2。如果被设介质为导体, 则须在探头上加一层绝缘层, 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体为介质的电容为C2a, 则电极间的电容为: 公式 1两电极间的电容C 与被测物位的高度h 有关,当物位变化时, 被测介质对探头的浸没高度发生变化, 从而电容C也发生变化, 通过测量电容C 就可以测得物位的高度h。电极电容C与被测物位高度h的关系: 公式 2 图1 电容式液位计的原理图电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成。其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求知物位数值。 电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的。其结构如同2个长度为L 、半径分别为R和r的圆筒型金属导体，中间隔以绝缘物质，当中间所充介质是介电常数为1的气体时，两圆筒的电容量为： C1 = 21L/R(R/r) 公式 3如果电极的一部分被介电常数为2的液体（非导电性的）浸没时，则必须会有电容量的增量C 产生（因2>1），此时两极间的电容量C=C1+C。假如电极被浸没长度为l，则电容增量为： C = 2(2 - 1)l / (R/r) 公式 4当2、1、R、r不变时，电容量增量C与电极浸没的长度l成正比，因此测出电容增量数值便可知道液位高度。如果被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。假设中间介质的介电常数为3，电极被浸没长度为l，则此时电容器所具有的电容量为：C = 23 l/ (R/r) 公式 5其中：R 和r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径。由于3 为常数，所以C 与l 成正比。二 电容式物位计的应用 2.1 射频导纳物位测量2.1.1电容式液位计的测量转换电路 电容式液位计测量转换电路如图2所示当Cx=Cx0时,交流桥平衡,C1/C2=Cx0/C3,输出电路U=0。当液位变化时,电容式传感器的电容量Cx=Cx0 +Cx发生变化, 则输出电压不为零(U0), 桥路有输出电压, 通过测量输出电压就可以得到当前的液位。图2 电容式传感器的桥式转换电路2.1.2 导电介质挂料对测量的影响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3所示。 因此当物位高度由h降低至h0时, 探头上可能会有黏附层(即挂料), 产生虚假物位, 影响测量精度。图3 电容料位测量系统及挂料电阻示意图2.1.3 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X,挂料的等效阻抗Zg可表示为: 公式6探头的等电路如图4所示。其中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 = Cg。 图4 挂料电极等效电路2.1.4 测量系统的实现根据前面的讨论, 射频导纳物位计基本组成的系统框图如图5所示。由高频波形发生器产生频率为1000kHz的正弦波激励信号,由于其中含有其他频率的干扰成分,须经过带通滤波电路将干扰成分滤掉,获得信噪比较高的1000kHz的射频信号, 电容驱动电路用于提高位的测量范围。1000kHZ的正弦波信号送入变压器电桥电路的原线圈,两个副线圈,一组用于测量桥路,具有中心抽头,另一组副线圈产生的信号作为同步信号,它与原线圈同频率同相位,用为A/D转换器的驱动信号。测量桥路的输出信号经过量程调整电路后成为05V的正弦电路信号,被送到高速A/D转换器中进行模数转换,将结果送入单片机系统进行分析处理后进行显示,并送到D/A 转换器和U/I变换模块变换成4mA20mA 的信号输出。 图5 射频导纳物位测量仪系统框图2.2 HX型分段物位计的应用2.2.1 分段电容式物位计检测方法简介分段电容式物位检测原理的主要特征就是将原来电容物位计一根全量程长度的检测电极与罐壁构成一个传感电容的结构，改变为用从上至下相同长度若干段(9段)独立电极，相互串连，相互绝缘，独立引线，与罐壁形成从上至下9个传感电容，相当于从上至下9个1/9量程小物位计共同来检测全量程的总料位。分段的结果是每段电极所处高度层面物料存在的状况信息，同时得到传感和采集，通过9个段电容的大小和分布，就可以利用计算机软件判断各段物料的有无和多少，上部电容量最小的段肯定是空段C0，空段以下第一个电容变大的段是料面所在的段，即界面段CJ，而由于物料的连续性，界面以下其余的段，不论电容量是多少，肯定是满料段CM，满料部分由于各层面物料介电常数可能不同，因此各段CM也不一定相同，但这一段被判断为满料段，这一段在总料位中的料位就等于段电极的几何长度L0，而与其电容量大小无关。若经判断界面段以下有N个满料段，则满料部分料位H满=NL0。与实际料位高度没有误差。总料位H=H满+H界面。因此总料位检测结果中的误差只可能来自界面段。如果我们认为界面段物料与和它相邻下面一个满料段物料介电常数相同，满段电容为CMA，那么C0、CJ、CMA三个参数就构成了自校正的基础要素。段长度就是校正高度的基准。由此可见，H界面由于e引起误差的可能性已不存在，H界面真正在不需人工干预情况下实现了自校正，总料位又是由已校正后H界面和没有误差的H满相加而得来，其检测精度是可想而知的。这一切功能的实现是在分段电容探极基础上靠数字化的有无判断，和单片机智能化校正计算完成的。2.2.2 实检测方法的实现 一个完整的物位检测产品是由探极、变送器、显示仪表或上位机共同实现的。实时自校正式物位变送器，是本项的核心部件。它要实现上述原理提出的分段电容自校正的功能，要完成探极构成的9个检测电容，电容量变化信息的采集、放大，然后通过A/D转换，变为单片机可以接受的数字信息，再由单片机和相应软件对9段电容信息进行分析、判断、计算，最后将计算的料位高度以数字的形式，通过RS485 通信接口输出，然后由单片机组成的显示仪表显示，或直接由上位微机组成DCS系统。 在变送器的研制过程中开发并使用了以下几种技术：（1）组合模拟开关技术及其模块原理提出的分段电容独立检测的要求，使相邻很近的两段电容电场的边缘效应，给独立检测带来影响。为了解决这个问题，我们研制成功模拟开关模块，在选通某一段电容测量时，其余各段均处于有源屏蔽状态，避免了相邻段之间的干扰。这就是电路中的MK1。（2）微电容远传测量技术及其摸块排列在不同高度上相同长度的电容电极，由于电极长度缩短，本身电容量很小，有的小到0.1pF数量级。而不同位置电极到变送器的引线长度相差很大，有的达10几米，分布电容达1000pF。因此要实现引线相差10几米的微小电容的可靠检测，是变送器研制的技术关键之一。微电容远传技术和微电容远传测量模块，成功地解决了0.1pF数量级的电容在用普通屏蔽线引至50m 以外测量的问题。分辨率达到1000mv/pF以上。这就是电路图中的MK2 。（3）单片机智能化、数字化技术 两项专有技术为变送器实现分段电容检测提供了支持，为实现产品化，采用了89C2051单片机智能技术。由微电容模块、组合开关模块和单片机共同组成变送器。为了提高检测分辨率，采用TI公司最新12位串行A/D芯片，保证了段电容量信号的分辨率，实现了与89C2051单片机接口。各段信号采集，空料、满料、界面判断，界面段的实时自校正计算及RS485 直接计算机信号输出。2.3 电容式物位计在碱蒸发器上的应用电容式物位计在碱蒸发器上的应用是一种由电容式探杆和智能变送器组成的测量系统, 适用于对液体或轻质固体的连续物位检测。 电容式物位计的测量原理是探极和罐壁作为两相对极板形成一个电容,空罐时系统的初始电容很小；随着液位或料位的升高,系统电容将按比例增大,变送器将这一变化的电容转换为标准4-20mA/DC电流信号输出。电容式物位计在碱蒸发器上的应用有以下几点显著的特点。（1）可以方便地安装在现有容器上,无需引压、保温或伴热,还可以像外浮筒液位计一样采用侧臂式安装。（2）现场设定简便,利用电子模件上的二组按钮可以方便地实现零度和满度的标定。（3）内设立式罐和卧式罐线性化曲线, 可以方便调用, 测量精确。（4）有HART和INTENSOR两种通讯协议供选择,方便于系统配接,并可进行远程标定。（5）积分时间可调,可保证对搅拌型料罐进行稳定的测量。（6）变送器采用smart技术,即可一体化安装,也可与探头分体安装。三 电容式物位计在应用中应注意的几个问题3.1 选型（1） 测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正常测量。（2） 测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。（3） 当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒型容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒型电容器。3.2 测量回路中接地点的处理仪表测量回路中接地点的正确、可靠与否直接影响被测参数的测量。大修时，我厂采用BTY-C型电容物位计对油品精制8个碱液罐进行液面监控，由于碱液罐位于防爆区，所以最初设计测量回路中引入齐纳式输入安全栅（见图6）。安装调试发现，系统无法正常工作：安全栅2端电压高达23V，而变送器（电容物位计）供电电压为0V，也就是说已短路。仔细查找原因，发现是由于电容物位计的电路结构所致。电容物位计的探头为等效电容的一极，对于外壁规则的金属容器，其罐壁为电容的另一极。因此变送器信号负接地，而齐纳栅也接地则变送器被短路。于是将接地COM点悬空，观察到开始时变送器输出在4mA，安全栅2端电压在0.86V，不长时间变为1.6V，7V，变送器工作很不稳定，这是由于COM点悬空，系统回路受外部干扰所致。于是抛开安全栅与COM板，将24V电源直接送到变送器，串入标准电流表检测变送器工作情况，变送器工作正常。得出结论：由于电容物位计信号负与大地（罐壁）相连，因此不能选用齐纳式安全栅。经与厂家协商，选用IS4000系列隔离式安全栅，因为BTY-C系列电容物位计与IS4000系列隔离式安全栅已进行系统安全防爆联合取证。选用IS4000系列隔离式安全栅系统接线如图2所示。由于隔离式安全栅的电源、输入、输出信号三者隔离，避免了系统间的相互干扰，以及系统多点接地问题。图6 采用齐纳式输入安全栅的系统接线图3.3 应用中常见的故障如果电容式物位计选型正确、安装合理，一般很少出现故障，因此选型和安装时应注意：（1）介质的介电常数应稳定（对于非导电介质）；（2）对于软缆型传感器，安装时需考虑传感器周围均衡，应远离爬梯等；（3）安装时应远离设备出入口；（4）同轴型传感器应防堵。常见故障有二种：（1）传感器漏电（对于导电介质用传感器，绝缘层磨损时会漏电）；（2）电路损坏。判定方法：（1）用万用表电阻档测量传感器引线与大地间电阻，若阻值无限大，则传感器不漏电；否则传感器漏电需更换。 （2）将传感器断电，拆掉传感器引线， 通电用手触摸电路传感器端子，同时观察输出电流：若电流有变化，则电路板没有损坏；否则电路板损坏，需更换。 如果被测介质是导电的粘滞性介质，当液位下降时，由于电极套管上仍粘附一层被测介质，因此会造成虚假的液位指示，在这种情况下应定期清洗探头。而在测量粘滞性非导电液体时，当液位下降后，光电极上会附上一薄层介质，但这不影响仪表的正常测量。3.4 标定方法对其标定方法有两点：（1）如果现场条件好、液面可以随意调整，那么先使液面下降至零点，调整零点电位器使显示仪表指示0%，电流输出为4mA；使液面上升至满点，调整量程电位器使显示仪表指示100%，电流输出为20mA。重复上述调整步骤，直到零满位准确为止。（2）如果不可能重复进行现场设备液位排空和满位的调整，则采用传感器提升方法。假设安装时液面高度为h1，将传感器提起h，从公式h/h=(I1-I2)/16计算出I2。其中h 为满量程时液面高度；I1为液面高度为h1的电流输出；I2为液面提起h的电流输出。调整传感器量程电位器使输出电流为I2。 放回传感器，根据h1/h=(I-4)/16计算I值，其中I为液面高度为h1时的电流输出。调整传感器零点电位器，使输出电流为I值。至此标定结束。 结束语 电容式物位计适用于各种导电、非导电液体的液位或粘性料位的远距离连续测量和指示，也可以和其它电动仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、调节和控制。其亦可用于导电和非导电液体之间及二种介电常数不同的非导电液体之间的界面测量。电容物位计合理的选型与正确的接地是其实现准确测量以及安全运行的前提。 参考文献1 陈颖. 电容式传感器在沙石计量系统中的应用研究D. 长沙理工大学,20052 赵聪颖.  电容式物位计在应用中应注意的几个问题J. 自动化仪表. 2001(09)3 潘旭,张焕勋.  HX型分段电容式物位计在油水界面测量中的应用J. 电子产品世界. 2002(17)4 曲广浩.   新型物位计在电厂固体物位测量上的应用J. 中国仪器仪表. 2006(07)5 崔小劲,刘会兵,刘玲.  电厂用物位计的种类及其运用J. 自动化与仪器仪表. 2010(06)6 李季. 电容式物位计在碱蒸发器上的应用J. 中国氯碱.2000(06)7 穆立新,高智泉. 射频导纳物位计在石化企业的应用 J. 自动化仪表. 2006(01)8 姚伟东,么喜平.  射频导纳物位计在电脱盐设备上的应用 J. 齐齐哈尔大学学报(自然科学版). 2010(06) 9 韩晓东,邱德君.  射频导纳原理在料位测量中的应用J. 中国计量. 1998(10) 致谢 经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师邢茹老师。老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，论文草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计都给予了我悉心的指导。除了邢茹老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢物理科学与技术学院和我的母校包头师范学院四年来对我的大力栽培。即将毕业，最想说的一句话：老师，辛苦了！