射频导纳物位计是根据什么原理来完成工作的

2018-07-17 10:17:08

射频导纳物位计的工作原理

射频导纳是一种从电容式发展起来的、防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的料位控制技术，射频导纳中导纳的含义为电学中阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分、感性成分综合而成，而射频即高频无线电波谱，所以射频导纳可以理解为用高频无线电波测量导纳。

1.电容式物位测量原理

实验室中，平行板电容器是一个理想型的电容器，其电容量为：C=ExS/D，其中E为两电容极板间介质的介电常数，S为两极板间面积，D为两极板间距离。对于一个料仓，安装一个测量电极系统，形成一个同轴电容器。仓内存在一个电容C=E。

×SxH。/D+E×Sx（H-HO）/D，其中E。为两电极间空气的介电常数，E。=1.0006，近似=1；E为两电极间介质的介电常数，S为两极板间等效面积，D为两极板间距离，HO为空气段探头长度，H为探头长度。对于一个固定的料仓来说，物料的E是固定的，S、D也是固定的，所以，推导上式可知，测量电容与物料的高度成正比。图2是测量原理框图。

利用检测桥路上的可调电容可以平衡掉初始电容，包括安装电容和线缆电容等，只剩下探头物料电容，该电容信号经放大后，输出一个与料位成正比的信号。这种电容式原理存在一个严重弱点：即物位升高淹没探头后又落下去时，探头可能会留有附着物即挂料。这会导致被测电容加大，如果是导电液体情况会更严重，产生很大的误差。另一个缺点是探头到电路单元之间的连接电缆，在这相当于一个较大的电容，而且随温度变化。这个变化的电缆电容与物位电容叠加在一起会引起很大的误差，尤其在物料介电常数较低的场合，信号较小，这些误差将是很严重的。而射频导纳技术就能克服上述缺点。

2.点位射频导纳原理

点位射频导纳技术与电容技术的重要区别是采用了三端技术，如图3。在电路单元测量信号上引出一根线，经同相放大器放大，其输出与同轴电缆屏蔽层相连，然后又连到探头的屏蔽层上（Cote-shield元件）。该放大器是一个同相放大器，其增益为“1”，输出信号与输入信号等电位、同相位、同频率但互相隔离。地线是电缆中另一条独立的导线。由于同轴电缆的中心线与外层屏蔽存在上述关系，所以二者之间没有电位差，也就没有电流流过，即没有电流从中心线漏出来，相当于二者之间没有电容或电容等于零。因此电缆的温度效应，安装电容等也就不会产生影响。

对于探头上的挂料问题，采用一种新的探头结构如图，五层同心结构：最里层是中心测杆，中间是Cote-shield屏蔽层，最外面是接地的安装螺纹，用绝缘层将其分别隔离起来。图4给出了探头上挂料的等效电路。与同轴电缆的情况是一样的，中心测杆与屏蔽层之间没有电势差，即使传感元件上挂料阻抗很小，也不会有电流流过，电子仪器测量的仅仅是从探头中心到主要是到对面罐壁（地）的电流，因为Cote-shield元件能阻碍电流沿探头向上流向容器壁，因而对地电流只有经探头末端通过被测物料到对面容器壁。即U=U。ke=（U-U。）+R=0。由于屏蔽层与容器壁之间存在电势差，两者之间虽有电流流过，但该电流不被测量，不影响测量结果。这样就将测量端保护起来，不受挂料的影响。只有容器中的物位确实上升接触到中心测杆时，通过被测物料，中心测杆与地之间形成被测电流。

3.连续射频导纳原理

对于连续物位测量，射频导纳技术与传统电容技术的区别除了上述讲过的以外，还增加了两个很重要的电路，这是根据对导电挂料实践中的一个很重要的发现改进而成的。上述技术在这时同样解决了连接电缆问题，也解决了垂直安装的传感器根部挂料问题。所增加的两个电路是振荡器缓冲器和交流变换斩波器驱动器。如图5。

对一个强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在探头绝缘层的表面，对变送器来说仅表现为一个纯电容，如图6。随着容器排料，探杆上产生挂料，而挂料是具有阻抗的。这样以前的纯电容现在变成了由电容和电阻组成的复阻抗，从而引起两个问题。

第一个问题是液位本身对探头相当于一个电容，它不消耗变送器的能量，（纯电容不耗能）。但挂料对探头等效电路中含有电阻，则挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。我们在振荡器与电桥之间增加了一个缓冲放大器，使消耗的能量得到补充，因而不会降低加在探头的振荡电压。

第二个问题是对于导电物料，探头绝缘层表面的接地点覆盖了整个物料及挂料区，使有效测量电容扩展到挂料的顶端，这样变产生挂料误差，且导电性越强误差越大。

但任何物料都不是完全导电的。从电学角度来看，挂料层相当于一个电阻，传感元件被挂料覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。根据数学理论，如果挂料足够长，则挂料的电容和电阻部分的阻抗相等。因此根据对挂料阻抗所产生的误差研究，又增加一个交流驱动器电路。该电路与交流变换器或同步检测器一起就可以分别测量电容和电阻。由于挂料的阻抗和容抗相等，则测得的总电容相当于C物位+C挂料，再减去与C挂料、相等的电阻R，就可以实际测量物位真实值，从而排除挂料的影响。