摘要：針對高粘度介質在選擇液位開關時存在的電極掛料問題進行研究。電容式液位測量計測量導電介質時，測量的結果經(jīng)常受到導電介質電極掛料的影響，分析了電極掛料產(chǎn)生的原因、掛料對測量結果的影響，提出了利用射頻導納技術解決掛料的問題，給出了射頻導納電容式物位測量系統(tǒng)的實施方案。射頻導納可以理解為用高頻無線電波測量電路中因液位變化引起的導納變化。分析了普通電容式液位測量原理和射頻導納式液位測量原理，并進行兩種方案的比較。
引言
珠海(殼牌)潤滑油有限公司2011年新建的40 kt/a潤滑脂項目含三條生產(chǎn)線(滿足2015年需求)，每條生產(chǎn)線設計生產(chǎn)能為10 kt/a;同時預留一條10 kt/a生產(chǎn)線滿足長期需求，這是殼牌在中國興建的第一座潤滑脂生產(chǎn)廠。
1、潤滑脂的特點
潤滑脂為稠厚的油脂狀半固體，用于機械的摩擦部分，起潤滑和密封作用;也用于金屬表面，起填充空隙和防銹作用。主要由礦物油和稠化劑調制而成。有以下優(yōu)點:a)在金屬表面具有良好的粘附性，不易流失，在不易密封的部位使用，可簡化潤滑系統(tǒng)的結構;b)抗碾壓，在高負荷及沖擊負荷作用下，仍有良好的潤滑能力;c)潤滑周期長，不需經(jīng)常補充、更換，而且對金屬部件具有一定的防銹性，相對地降低了維護費用;d)適用的溫度范圍較寬，適用的工作條件也較寬。缺點是稠度大。
正是因為高a度的特性，最終產(chǎn)品a度可達
7.5X104 mPa.s，在選擇罐區(qū)儀表時，就要提出更加具有針對性的選擇方案。這里僅對液位開關類型儀表提出說明。
2液位開關測量原理
2.1電容式液位測里原理
電容式液位計是利用電容傳感器將被測介質液位的變化轉變?yōu)殡娙萘康淖兓缓笸ㄟ^測量電容量的方法來求得液位值。
由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，當忽略邊緣效應影響時，其電容量與真空介電常數(shù)Eo(8. 854*10-12F/m)，極板間介質的相對介電常數(shù)Er，極板的有效面積A以及兩極板間的距離L有關:
若L,Er,A三個參量中的任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可以轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可以分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
從原理上講，電容式液位傳感器屬于變介質型。在液位測量中，將極板插人被測量的液位之中，隨著物位的上升，物體介質取代原有的空氣填充極板間，電容器的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。根據(jù)被測物體極性的不同，傳感器探頭也有所不同。一般來說，待測物料介質有絕緣和導電之分，因此對探頭也要有相應處理。
2.1.1非導電介質的電容式液位測量
傳感器結構如圖1所示。金屬管式電極作為電容的一個極板，容器壁作為電容的另一個極板。被測量的非導電介質隨物位高度不同而填充原來充滿空氣的區(qū)域，使得物位變化區(qū)域中的介電常數(shù)發(fā)生變化(由空氣介質變?yōu)榉菍щ娊橘|)，從而使電容發(fā)生改變。
式中K—常數(shù)，對于圓柱形容器，同軸安裝時，K----2π；eo—空氣介電常數(shù);e1—被測物料的介電常數(shù);Ho—電極有效的長度;H—浸入被測液體中的有效長度;D—被測容器的等效直徑;d—金屬管電極的直徑。
注:C,—不隨液位變化的等效雜散電容;C2—液面以上，兩個電極板間以空氣為介質形成的電容;C3液面以下，兩個電極板間以被測液體為介質形成的電容：
由式(Z)和式(3)可以得出總電容:
從式(4)可以看出K, Ho ,D,d對于一個固定的容器和探頭，都可以看作是常量，而C1為固有的雜散電容，因此，Ct就只與測桿被浸人的長度(所測液位高度)有關，且成線性關系。當被測介質液位發(fā)生變化時，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測出電容值就可以求出對應的液位。
在電容式液位測量中，也可以用上述裝置來測量非導電固體散料的液位，由于固體摩擦力較大，容易滯留于測桿之上，因此，可以采用光滑、不易腐蝕的金屬電極棒作為測桿，進行液位測量。
2.1.2導電介質的電容式液位測量
如果被測量的液體是導電的，比如化工生產(chǎn)中的電解質溶液，則在測量其液位時，不能采用裸金屬管作為電極，應采用帶絕緣層的金屬管作為測桿。根據(jù)化學上的相似相溶原理，絕緣層一般采用聚乙烯、法蘭等抗腐蝕、與被測介質有最小的附著力的絕緣材料制成。具體測量裝置如圖2所示。
這些電容的計算公式為
式中L—電極有效的長度;D1—測桿包括絕緣層等效直徑;d導電—金屬電極的直徑。
在測量導電介質時，C4處于短路狀態(tài)，可以不參加計算。
注:Co—電極間雜散電容，不隨物位變化;
C4—測桿浸人被測物料部分形成的電容
由等效電路，可以得出測量導電介質時，總電容:
由式(9)可以看出K,H,D,D1， L,d導電對于一個固定的容器和探頭，都可以看作是常量，而Co為固有的雜散電容，因此，總電容Ct就只與測桿被浸人的長度H(所測液位高度)有關，且呈線性關系。當被測液體液位發(fā)生變化時，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測出電容值就可以求出對應的液位。
需要注意:測桿上包有一層絕緣層，并不代表只能用來測量導電性物料的液位。這種測桿同樣可以用于非導電性物料的液位測量。只是由于被測物料不導電，C4不能看作短路，要參與計算，因此對于非導電性物料其總電容為*
上式同樣可以寫成Ct與H成正線性相關關系的形式，因此，當被測非導電液體液位發(fā)生變化時，傳感器的電容值也隨之改變，因此檢測出電容值就可以知曉對應的液位。
由式(9)和式(10)可見，使用帶絕緣層的測桿測量非導電液體和導電液體的時候，H前面的系數(shù)有所不同。如果選擇合適的測桿參數(shù)，調整測桿絕緣層厚度以及測桿與容器的直徑之比，使得兩者的這個系數(shù)的差異增大，則對于兩互不相溶的液體混合，從某個基點出發(fā)，均勻移動測桿通過分界面實時記錄電容值，找到圖線上的斜率突變點，可以較準確地獲知分界面的相對位置。
2.2射頻導納式液位測量原理
2.2. 1射頻導納基本原理
傳統(tǒng)液位測量方法多種多樣，如電容式、放射線式、機電式和聲波式等，其中又以電容式應用最為廣泛。具有耐腐蝕、抗高溫、抗高壓特點，但有一個致命的缺陷即測量粘附性導電物料時物料會粘附在傳感電極的外套絕緣罩上(掛料)，如圖3所示，形成虛假液位產(chǎn)生很大的測量誤差，使儀表無法工作，正是這一點妨礙了電容式液位儀表的推廣應用。
應用射頻導納技術對傳統(tǒng)的電容式液位儀表進行改造，在保留其優(yōu)點的前提下，變單純測量傳感電極的電容變化為測量傳感電極的復數(shù)阻抗變化，從而排除掛料的影響。
粘附在傳感電極上的掛料層只是很薄的一層，其橫截面積和液位以下的物料相比幾乎可以忽略。另一方面，一根一定長度的導線其電阻值和導線本身的橫截面積成反比，正是由于物料的橫截面積遠遠大于掛料層的橫截面積，且物料具有較好的導電性，因而認為物料的電阻非常小可以忽略，所以認為物料的電位和金屬倉壁的電位一樣，從而把物料當作電容的一個極板。但掛料層的電阻卻很大，從電學角度來看掛料層相當于一條由無窮多個無窮小的電容元件和電阻元件組成的傳輸線。
根據(jù)電化學實驗和理論推導結果表明，如果一導電掛料足夠長，則掛料和傳感電極形成的以傳感電極絕緣外套管為介質的電容的容抗和掛料部分所表現(xiàn)出來的電阻在數(shù)值上相等。
如果把測得的電容值記為C5,，它包括液位以下導電物料與傳感電極以絕緣外套管為介質所表現(xiàn)出的真實液位電容C6和導電掛料與傳感電極以絕緣外套管為介質所表現(xiàn)出的電容C7。如果能夠從C5減去掛料產(chǎn)生的電容C7，則就可以從C6求得真實液位，并進一步計算出物料的體積、質量或者其他相關量。
導電掛料表現(xiàn)出的電阻記為R，掛料電容的容抗記為
根據(jù)射頻導納原理
所以R中包含了掛料電容的有關信息，從中可以得到C7的大小，從而解決了C6=C5-C7的問題。
射頻導納理論的推導要求掛料足夠長，實際與掛料層的厚度、傳感電極的飽和電容、傳感電極的直徑長度以及檢測時的頻率等因素有關系。在實際工程條件下，大于2 cm就算是“足夠長”了，在運用射頻導納理論時不會產(chǎn)生較大誤差。
2.3兩種實現(xiàn)方案的比較
變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法和電壓電流矢量法都是基于射頻導納原理的電容式液位測量方法，它們都可以去除掛料信號，得到真實的液位信號，但是在設計上有很大的不同:變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法在硬件電路上就可以實現(xiàn)掛料信號和真實的液位信號的分離，定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的值都是由真實液位信號所產(chǎn)生的;而電壓電流矢量法采集的數(shù)值是傳感器輸出的電壓和電流值(轉換為電壓值)，真實液位信號的分離是通過軟件完成的。一般而言，由于掛料產(chǎn)生的信號相對于真實液位信號在量值上要小很多，而電壓電流矢量法
在計算上所需要的步驟較多，在加大計算量的同時由于單片機有限字長效應不可避免地帶來較多的舍人誤差，雖然可以通過加大字長減小誤差，但是由于資源所限，不可能將字長設的很長，所以隨著計算步驟的增多，將使誤差急劇擴大，降低系統(tǒng)性能。而且從硬件設計的角度講電壓電流矢量法相對于變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法也
要復雜一些。所以選擇變壓器電橋同步數(shù)據(jù)采集法作為基本測量方法。
3、結束語
射頻導納液位計是一種從電容式液位控制技術發(fā)展起來的，防掛料、更可靠、更準確、適J月性更廣的液位控制技術，而它所具有的優(yōu)點，正是在潤滑脂項目中所需要的。以卜只是針對該項[]中的一些應用做了介紹，但已經(jīng)足可以看出射頻導納液位計在各種苛刻介質條件下的使用前景。
