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微電容遠傳測量技術(shù)在水泥行業(yè)信息化改造中的應用
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，都因適應不了水泥生產(chǎn)惡劣的環(huán)境無法長期可靠實用。本人在七十年代研制的電容式料位計，以其結(jié)構(gòu)簡單造價低安裝方便的優(yōu)點，曾在全國幾百家水泥廠推廣了幾千臺，但最終也未能逃脫不能長期可靠使用被拆掉不用的命運，我們經(jīng)過反復研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電容式料位計根據(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變化的原理，采用探極電容量直接模擬料位量的方法設計。這個設計原理的前提條件是認為物料的介電常數(shù)是一個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。而實際應用中任何一個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。正是這個原因，使這種料位計無法長期可靠工作。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方面解決了料位檢測的長期可靠性。
分段自校正式料位計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。由單片機控制用同一微電容遠傳測量電路,分別對各段電容進行檢測，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�？偭衔桓叨染褪窍旅嫠袧M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，只與上面相鄰兩段電容量比值有關，因此影響電容量大小的一切因素都在運算中消除。所以物料粒度、成份、水分、溫度等變化均不會影響料位檢測結(jié)果。與傳統(tǒng)電容式料位計相比，此方法制成的料位計，使用中不需要卸空料庫調(diào)整零點，更不需要人工量庫進行參數(shù)標定。只要糧庫中上面有一段以上的空料，即可調(diào)零點。從公式（3）中可以看出，其測量基準是L0，即段電極幾何長度，只要將其存入單片機，就實現(xiàn)了實時自校正，無需任何人工維護。從根本上保證了使用的長期可靠性。此料位計產(chǎn)品已在青島面粉廠36M高小麥庫運行，得到驗證和好評。
用此原理研制的用于油品檢測的液位變送器，準確度達到了萬分之五，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，段電容大小實質(zhì)上與該段空間電場中物料多少即體積成正比，因此計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，這時此原理物料是連續(xù)的前提被破壞，將會產(chǎn)生一定的計算誤差。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通過按鍵顯示檢查，客觀上是該料位計具有了可以及時發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)結(jié)拱情況和部位。便于用戶及時處理避免影響生產(chǎn)的獨特功能。
本料位計由9段電容電極、變送器和料位控制器三部分組成，單片機完成全部檢測、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、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，同時每臺料位計都帶有RS485計算機通訊接口，可以向上位機發(fā)送實時料位高度及9段層面檢測數(shù)字信息，通訊距離達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用前景。
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