[導讀] 本文介紹一種能接受電容信號，將電容量變化線性地轉(zhuǎn)換為4-20mA.DC或。~10mA.DC統(tǒng)一信號的新型液位變送器。
一、概述
本文介紹一種能接受電容信號，將電容量變化線性地轉(zhuǎn)換為4-20mA.DC或。~10mA.DC統(tǒng)一信號的新型液位變送器。
電容式液位變送器是測量高壓密閉容器中液位的簡單、易行、最有效辦法之一。七十年代生產(chǎn)的變送器多是以分離元件為主構(gòu)成的較為簡單的電容/電流變送器形式。八十年代開始，有些廠家采用了集成運放電路，但其電路原理及結(jié)構(gòu)形式仍未有明顯改進，所以均得不到滿意的效果。主要問題是無精度指標或精度較低(2-2.5%)、溫度漂移大、測量范圍小(幾百PF以內(nèi))以及調(diào)校使用不方便等。這種變送器只能用于室內(nèi)溫差較小、監(jiān)測指示要求不高的調(diào)節(jié)回路中。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，用戶越來越多，使用范圍也越來越廣，目前此種測量方法，不僅可用于高、中、低壓密閉容器的各種液態(tài)介質(zhì)的液位測量，還可用于水位、物位等常壓狀態(tài)的測量，也廣泛應用于大型儲罐、氣柜等容積的測量。檢鍘環(huán)境有室內(nèi)的，也有室外的。檢測信號有要求為正向輸出的(電容增大，輸出增大)，也有要求為反向輸出的(電容增大，輸出減小)。檢測電容的范圍也很廣，從100PF左右到4000PF。此外還需要有較大的零點遷移范圍。以上種種情況對儀表設計提出了更多更高的要求。
本儀表的設計試制是在對用戶進行了大量調(diào)查研究的基礎上進行的。儀表的設計采用了八十年代先進的電子技術，整機由六塊模擬集成電路為主構(gòu)成。本儀表具有精度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、功能齊全、安裝使用及調(diào)校方便等特點，能滿足多方面及不同場合的需要。
二、主要技術指標
1.結(jié)構(gòu)形式:墻掛式
2.輸入電容基本測量范圍:(分四檔)
注:各量程也可累加使用，實際可任意組合成15檔量程。
3.零點遷移范圍:
正向或反向使用均為基本測量范圍的0~+100%。
三、工作原理
本儀表主要是由穩(wěn)壓、振蕩、整流濾波、差動放大、零點調(diào)整(遷移)、加減器、電壓/電流轉(zhuǎn)換及反相反饋放大等八部分組成。圖一為電容式液位變送器的原理方框圖，圖二為簡化原理圖。
由時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器，其振蕩頻率f由外接電阻(R3、R4)及電容(C4~C7)所決定(見圖二)。對于不同量程，可由K1切換不同電容以改變f。頻率及幅值恒定的振蕩電壓經(jīng)緩沖級后加到由電阻R及被測電容Cx所組成的串聯(lián)電路上。電路設計使R值遠大于Cx的容抗，故通過RCx回路的電流基本上決定于Cx的大小業(yè)與Cx成正比，顯然由R兩端檢測出的交流電壓也大致與Cx成正比，此電壓經(jīng)整流濾波后經(jīng)正反向切換加到差動放大級，然后與調(diào)零電壓綜合送到加減器，再經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4~20mA.DC或0~10mA.DC統(tǒng)一信號輸出。
量程調(diào)整是利用改變差動放大級的電壓增益來實現(xiàn)的，量程調(diào)整可兼作一定范圍內(nèi)量程壓縮或量程擴展用。零點調(diào)整及遷移是由精密穩(wěn)壓電路、電阻、電位器等組成，調(diào)零電壓可在基準電平正負范圍內(nèi)調(diào)整以適應正反向零點遷移的需要。正反向切換是利用電路板上的跳線，改變整流二極管的方向(即改變了差動放大輸入極性)業(yè)同時改變調(diào)零電壓范圍來實現(xiàn)的。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路是采用八十年代中期控制儀表較為流行的兩級電壓跟隨器，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，由復合功率管輸出。
當要改變量程時，振蕩頻率也隨之按反比變化，這樣可保證各量程最大被測電容的等效容抗不變，因而在不同量程由R兩端檢測出的交流電壓也大致不變，以免給調(diào)零及調(diào)量程帶來困難。另外振蕩頻率隨量程而變，也是保證儀表良好線性度必要條件之為了提高儀表的穩(wěn)定性、改善其線性度及減小溫度漂移等性能，電路還引入了大環(huán)系統(tǒng)負反饋環(huán)節(jié)。由輸出級引出一個較小的由壓經(jīng)反相反饋放大器后與差動輸入電壓綜合構(gòu)成系統(tǒng)反饋，使整機性能有明顯的提高。試驗證明，引入負反饋后，儀表的幾項主要技術指標均提高了1~2倍。
四、現(xiàn)場安裝及使用情況
新研制的電容式液位變送器已經(jīng)用于吉林化肥廠合成氨生產(chǎn)過程的氨分離器、冷凝塔、蒸發(fā)器、收集槽等高、中壓密閉容器中的液氨液位的測量。它是隨著液氨液位的升高而使電極電容量增加，因其電極線較短，電容量變化范圍僅約100PF~300PF。變送器用于這種場合時為正向使用，將量程切換開關“1”接通，量程為250PF，調(diào)整零點及量程即可滿足要求。
該儀表還已經(jīng)用于監(jiān)視氣柜容積指示器。關于氣柜容積指示器的檢測裝置，已于1985年本刊第五期中介紹過，也不準備詳細介紹。但想簡單地提一下經(jīng)過幾年的實踐有了較大的改進。比如電極釣屏蔽保護原來采用鐵管，這種辦法給安裝、維護帶來很大不便，且使用的電極線很長。現(xiàn)在已將鐵管保護改成蛇皮管或橡膠管等既柔軟又耐用的管子，這樣既便于安裝維護，又可省一半的電極線。
氣柜的結(jié)構(gòu)是:鐘罩為隨充氣量的多少而升降的移動變量，水封水位為固定的常量部分，因此為了避免鐘罩拖著電源及信號電纜上下移動，又為了儀表工可不必上鐘罩頂部安裝維護，將變送器安裝位置改在氣柜平臺上，這就大大方便了安裝及維護。這樣隨、氣拒鐘罩的升高而檢測出的電容量變小，反之，電容量則變大。變送器用于這種場合時為反向使用。
我們用的氣柜儲氣量都較大，一般為幾千立方米~幾萬立方米，其鐘罩高度為7.8米~幾十米，因此其檢測電容范圍較大，一般為幾百微微法~幾千微微法，這就需要量程開關選擇對應的量程。儀表用累加法的最大量程為4250PF，足夠最大儲氣柜使用。
CIB-10型電容式液位變送器在現(xiàn)場使用證明，該表的精度比較高，穩(wěn)定性及可靠性也很高，溫漂小，使用調(diào)校極為方便。