鄭 偉，盧有成

（1.深圳市能源環(huán)保有限公司，深圳 518000；2.內(nèi)蒙古科迪自控設(shè)備有限公司，內(nèi)蒙古 014300）

0 引言

眾所周知，在物位測量中，因被測對象和介質(zhì)復(fù)雜多樣，測量手段也就因?qū)ο蠖鳟惗鄻?。因此，物位儀表因被測對象不同而形式多樣。目前，料位測量的主要形式有：1）機(jī)械式：如鋼帶重錘式料位計(jì)、阻旋式料位計(jì)、稱重式料位計(jì)等；2）電容電感式遠(yuǎn)傳料位計(jì)：主要有射頻導(dǎo)納式料位計(jì)和電磁感應(yīng)位移檢測料位計(jì)等；3）非接觸式料位計(jì)：主要有高頻雷達(dá)料位計(jì)、超聲波料位計(jì)，無源核子料位計(jì)等。

每一種料位計(jì)測量原理各有不同，應(yīng)用場合各有特點(diǎn)。本文所介紹的場效應(yīng)料位計(jì)是一種新型磁阻波感應(yīng)式料位計(jì)。

這種新型場效應(yīng)料位計(jì)克服了傳統(tǒng)料位計(jì)的諸多弊端，真正做到了免維護(hù)，免調(diào)試。具有較強(qiáng)的抗掛料、抗沖刷、抗干擾能力和可靠性高、使用壽命長的特點(diǎn)。

由于灰斗（倉泵）被測對象的特點(diǎn)，除灰系統(tǒng)程序控制采用的料位開關(guān)要求可靠穩(wěn)定，對于灰介質(zhì)灰的灰比電阻和電介常數(shù)因煤質(zhì)而改變，常用的電容式射頻導(dǎo)納料位開關(guān)，往往因掛灰而誤動（拒動），其他非接觸測量方法因造價(jià)成本高而很少選用。這使得需要一種可靠而又性價(jià)比適當(dāng)?shù)臏y量手段。由此，場效應(yīng)磁阻測量方法應(yīng)運(yùn)而生，它是一種抗沖擊、抗掛灰、性價(jià)比高，穩(wěn)定性好的可靠手段。對于需要模擬量輸出4mA～24mA（1VDC～5VDC）的場所，高頻雷達(dá)檢測手段也不失為一種性價(jià)比適當(dāng)而又可靠的行之有效手段之一。

1 場效應(yīng)料位計(jì)測量原理

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement principle

新型場效應(yīng)料位計(jì)是利用電磁波在傳導(dǎo)過程中阻抗發(fā)生變化時(shí)會形成反射的原理進(jìn)行物位測量的料位計(jì)。根椐電磁波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在不同波阻抗串聯(lián)電路中傳輸?shù)碾姶挪〞诓ㄗ杩雇蛔兲幮纬煞瓷?，其反射?qiáng)度由反射系數(shù)確定。

反射系數(shù)公式為：

若波阻抗Z1=波阻抗Z2時(shí)，反射系數(shù)則為0，此時(shí)俗稱阻抗匹配了，沒有反射。詳細(xì)理論描述可參閱有關(guān)電磁場方面的書籍。

完成上述測量原理的信號檢測過程如圖1所示。

信號源提供激勵(lì)信號產(chǎn)生入射波，環(huán)行電路實(shí)現(xiàn)入射波與反射波的有效分離。由于探桿波阻抗Z1不可能完全與探頭波阻抗Z2相等，因而會形成波過程的反射，且在反射波檢出點(diǎn)處會有信號輸出。

在探頭處充滿物料介質(zhì)時(shí)探頭波阻抗Z2會發(fā)生變化從而引起反射系數(shù)的改變，也就是說反射波檢出點(diǎn)會有信號強(qiáng)度的改變，椐此可有效地判別探頭處有料與否而發(fā)出相應(yīng)的動作信號。由于物料介質(zhì)對探頭波阻抗的影響是一種積分效應(yīng)，也就是少量的物料粘附與漂落沖刷對探頭波阻抗的影響遠(yuǎn)小于周圍空間充滿物料時(shí)帶來的影響。因此，此種測量方法能有效地避免掛料和物料沖刷而引起的誤動作。

在反射系數(shù)的公式中，可以看到反射系數(shù)僅與探桿與探頭的波阻抗相關(guān)，與測量系統(tǒng)中其它量無關(guān)。探桿與探頭的波阻抗是由物理結(jié)構(gòu)決定的，因此可以認(rèn)為：只要探桿與探頭結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變與損壞，此測量系統(tǒng)就能穩(wěn)定可靠地工作，電路的時(shí)漂與溫漂對測量系統(tǒng)的影響幾乎為零。實(shí)踐證明：只要探頭與探桿結(jié)構(gòu)不損壞就能長期穩(wěn)定工作多年，幾乎不用調(diào)整維護(hù)。

2 應(yīng)用實(shí)例安裝注意事項(xiàng)

圖2 安裝示意圖Fig.2 Installation diagram

根據(jù)被測介質(zhì)的特點(diǎn)，目前成熟的應(yīng)用方案有以下幾個(gè)環(huán)境場所，使用效果滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需求。開關(guān)量控制或者報(bào)警，保護(hù)設(shè)備的安裝運(yùn)行，防止物料滿倉溢出或者空倉。在目前已有的設(shè)備中，廣泛應(yīng)用于火電廠除灰系統(tǒng)倉泵、灰斗物位測量。尤其針對省煤器后灰斗料位測量開發(fā)研制的耐高溫達(dá)600℃，探頭和測量電子元件分體安裝。特殊材質(zhì)的探桿能滿足現(xiàn)場高溫環(huán)境。在300MW、600MW、1000MW等機(jī)組均有業(yè)績應(yīng)用。在各種容量等級的機(jī)組的應(yīng)用中，到目前為止連續(xù)3年無故障運(yùn)行。

根據(jù)被測介質(zhì)的特點(diǎn)，目前成熟的應(yīng)用方案有以下幾個(gè)環(huán)境場所，使用效果滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需求。安裝應(yīng)用如圖2所示。

在使用中的注意事項(xiàng)：

1）探桿連接方式采用DN25的法蘭連接。

2）工作電源電壓根據(jù)客戶要求采用220V交流或24V直流電源供電。

3）探桿長度可以根據(jù)被測對象保溫和壁厚可選擇350mm～750mm，使得介質(zhì)和探桿充分接觸。

4）適用于各種非導(dǎo)電固體介質(zhì)，探桿掛料對測量開關(guān)量動作幾無影響。

3 調(diào)整及試驗(yàn)

在通常情況下KD-A系列場效應(yīng)料位計(jì)是不需要進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)的。但當(dāng)用戶有特殊要求或針對非常規(guī)物料的測量需要現(xiàn)場標(biāo)定時(shí)，KD-A型場效應(yīng)料位計(jì)也可以在現(xiàn)場方便地完成相應(yīng)調(diào)整。

在介紹調(diào)整方法之前，先簡單地描述一下它的動作原理。在此基礎(chǔ)之上，用戶可以更加清晰明了地制定為達(dá)到自己目的的調(diào)整方法。

在面板上已經(jīng)將標(biāo)定值與測量值的測點(diǎn)引出，同時(shí)也將定值調(diào)節(jié)電位器的調(diào)節(jié)端置于面板上。通過定值調(diào)整電位器可改變標(biāo)定值的大小，測量值是料位計(jì)的實(shí)時(shí)測量信號電壓，可以作為定值標(biāo)定時(shí)的參考。

標(biāo)定值、測量值與物位的關(guān)系如圖3所示。

圖3 物料開光動作區(qū)間Fig.3 Material open light action interval

空倉區(qū)：物料堆積面遠(yuǎn)離料位計(jì)探頭所在位置，測量值電壓較低，通常為零。

接近動作區(qū)：物料堆積面此時(shí)將接近料位計(jì)探頭位置了，此時(shí)的測量值電壓上升較快，當(dāng)越過料位計(jì)探頭，也就是圖中所示VA點(diǎn)位置時(shí)，料位計(jì)發(fā)出動作信號，同時(shí)自動將標(biāo)定值電壓由VA點(diǎn)切換到VB點(diǎn)。

物料完全掩埋區(qū)：此時(shí)若物料繼續(xù)向上堆積，測量值會緩緩上升。料位計(jì)探頭處于完全掩埋狀態(tài)。

在料位回落時(shí)，測量值會緩緩下降。一旦測量值電壓低于標(biāo)定值點(diǎn)VB時(shí)，此時(shí)料位計(jì)會對動作信號進(jìn)行復(fù)歸，同時(shí)將標(biāo)定值自動切換到VA，等待下一次動作。

VA與VB之間的差值為死區(qū)寬度（俗稱斯密特過程）。主要為了防止在動作區(qū)域附近料位計(jì)頻繁動作。死區(qū)寬度均為標(biāo)定值的5%左右。

對上述動作過程明白了后，就可方便地對料位計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定了。

通過對測量值的觀察，可知物料與電壓的關(guān)系，以選取合適的標(biāo)定值區(qū)域。旋動定值調(diào)整電位器可以改變標(biāo)定值的數(shù)值。

調(diào)整定值電位器時(shí)，必須用φ＜2mm的小型一字解錐進(jìn)行。所有電壓測量點(diǎn)均是相對外殼而言，外殼為零電位。

4 結(jié)語

該新型場效應(yīng)料位計(jì)，原理新穎，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)獨(dú)特，抗掛料和干擾性能較強(qiáng)。涵蓋的使用溫度范圍比較高，能達(dá)600℃的使用場所。是一種新型的料位開關(guān)量監(jiān)測手段，廣泛應(yīng)用于火電廠除灰系統(tǒng)和其他固體顆粒的高低報(bào)警以及控制系統(tǒng)之中。