微電容遠(yuǎn)傳測量技術(shù)在水泥行業(yè)信息化改造中的應(yīng)用

    一位資深的水泥專家在三十年前就說過，水泥廠生產(chǎn)的管理調(diào)度，在某種意義上是對料庫內(nèi)部料位的管理調(diào)度�？墒情L期以來，水泥廠的料庫料位的監(jiān)測一直是一個(gè)未能解決的技術(shù)難題。絕大部分的水泥廠目前為了獲得生產(chǎn)調(diào)度班組核算等生產(chǎn)管理不可缺少的料位信息，還是采用最原始人工量苦的方法。

    多年來，水泥廠為了解決大庫料位自動(dòng)監(jiān)測也投入了很多資金和人力，購買和安裝了各種重錘式、鋼帶式、超聲式料位計(jì)，都因適應(yīng)不了水泥生產(chǎn)惡劣的環(huán)境無法長期可靠實(shí)用。本人在七十年代研制的電容式料位計(jì)，以其結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，曾在全國幾百家水泥廠推廣了幾千臺(tái)，但最終也未能逃脫不能長期可靠使用被拆掉不用的命運(yùn)，我們經(jīng)過反復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電容式料位計(jì)根據(jù)物料介電常數(shù)大于空氣，有一根檢測探極與庫壁之間形成的電容隨物料變化相應(yīng)變化的原理，采用探極電容量直接模擬料位量的方法設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)原理的前提條件是認(rèn)為物料的介電常數(shù)是一個(gè)大于空氣的不變的常數(shù)，檢測電容量變化正比與料位的變化。而實(shí)際應(yīng)用中任何一個(gè)料庫中物料的介電常數(shù)都是隨物料的粒度、成份、密度、水分等因素不斷變化的，不但不是一個(gè)常數(shù)，而且其中水分含量不同引起的介電常數(shù)的變化是物料介電常數(shù)的幾倍甚至幾十倍。正是這個(gè)原因，使這種料位計(jì)無法長期可靠工作。找到了原因就找到了解決問題的方向，不是電容傳感器本身有問題，而是用于介電常數(shù)有關(guān)的檢測電容量大小直接表示料位高度的方法有問題。這種過于簡單的模擬，使介電常數(shù)的不確定性直接在料位高度上表現(xiàn)出來，造成料位檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確性，從根本上失去了使用的長期可靠性。分段自校正式料位計(jì)正是在消除介電常數(shù)對檢測結(jié)果的影響，和避免了人工校正兩大缺點(diǎn)方面解決了料位檢測的長期可靠性。

    分段自校正式料位計(jì)工作原理示意圖見圖一

國家發(fā)明專利“一種分段電容式物位檢測方法”（ZL940013.4）,突破了傳統(tǒng)的用探極電容直接模擬料位的方法，采取數(shù)字與單片及技術(shù)，將原來一根連續(xù)的電容電極，變成若干段等長獨(dú)立電容電極相連接的分段電極，從上至下將料庫內(nèi)高度分為各段與罐壁之間形成的若干段電容。各段電容量大小與該段電極相對空間物料多少有關(guān)。由單片機(jī)控制用同一微電容遠(yuǎn)傳測量電路,分別對各段電容進(jìn)行檢測，從其電容量相對大小就可以判斷找到空氣與物料界面所在的段，其電容量為cj其下面各段均為滿料段，電容量為cm。有與物料重力作用，越往下密度越大，cm也越大，但不管滿料段為何值，其段料位高度就是段的幾何長度，與cm無關(guān)�？偭衔桓叨染褪窍旅嫠�有滿段總高度與界面段料位高讀之和。即：

LW=N.L0+LJ    (1)

其中N為滿料段數(shù)

L0為段幾何長度

LJ為界面段料位高度

我們認(rèn)為界面段物料密度、介電常數(shù)與其相鄰下面滿料段物料相同，兩段電容結(jié)構(gòu)也相同，因此界面段料位與滿段料位之比就等于兩段電容量之比，即：

LJ=CJ/CM.L     (2)                   

所以LW=(N+CJ/CM ).L0     (3)

從上述檢測過程三個(gè)公式可以看出，此方法的料位檢測結(jié)果與段電容量絕對值無關(guān)，只與上面相鄰兩段電容量比值有關(guān)，因此影響電容量大小的一切因素都在運(yùn)算中消除。所以物料粒度、成份、水分、溫度等變化均不會(huì)影響料位檢測結(jié)果。與傳統(tǒng)電容式料位計(jì)相比，此方法制成的料位計(jì)，使用中不需要卸空料庫調(diào)整零點(diǎn)，更不需要人工量庫進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。只要糧庫中上面有一段以上的空料，即可調(diào)零點(diǎn)。從公式（3）中可以看出，其測量基準(zhǔn)是L0，即段電極幾何長度，只要將其存入單片機(jī)，就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自校正，無需任何人工維護(hù)。從根本上保證了使用的長期可靠性。此料位計(jì)產(chǎn)品已在青島面粉廠36M高小麥庫運(yùn)行，得到驗(yàn)證和好評。

用此原理研制的用于油品檢測的液位變送器，準(zhǔn)確度達(dá)到了萬分之五，但作為料位檢測與液位檢測有許多不同，液位是水平的，料位是不平的，界面高度相差幾十厘米之多。在界面部分，段電容大小實(shí)質(zhì)上與該段空間電場中物料多少即體積成正比，因此計(jì)算出的高度是該體積物料的平均值。大型料庫，特別像水泥廠的生料庫等粉體庫，常常由于物料結(jié)拱造成中空料柱，這時(shí)此原理物料是連續(xù)的前提被破壞，將會(huì)產(chǎn)生一定的計(jì)算誤差。但另一方面由于每段電容檢測值直接反映了該段空間物料體積濃度，而各段電容檢測值又可以隨時(shí)通過按鍵顯示檢查，客觀上是該料位計(jì)具有了可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)結(jié)拱情況和部位。便于用戶及時(shí)處理避免影響生產(chǎn)的獨(dú)特功能。

本料位計(jì)由9段電容電極、變送器和料位控制器三部分組成，單片機(jī)完成全部檢測、顯示、控制功能，具有LED數(shù)字及光柱百分比兩種顯示和上下限控制報(bào)、警功能，除料位顯示外，通過按鍵可以檢查各段檢測值，了解庫內(nèi)各物料分布情況，同時(shí)每臺(tái)料位計(jì)都帶有RS485計(jì)算機(jī)通訊接口，可以向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)料位高度及9段層面檢測數(shù)字信息，通訊距離達(dá)1.2KM，用戶可以方便的組成DCS庫群集中管理系統(tǒng)，在水泥廠信息化改造中有著廣泛的應(yīng)用前景。