裴小平 石昭明

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北武漢 430014；2.鄂州航鴻勞務(wù)承包有限公司，湖北鄂州 436000）

0.引言

在攪拌站的日常生產(chǎn)中，砂石等原材料都存放在非密閉環(huán)境中可隨時(shí)觀測(cè)其剩余量提前做好進(jìn)料安排。但礦粉、粉煤灰等粉料儲(chǔ)存在封閉的罐體之中，無(wú)法直接觀測(cè)剩余量。目前主要通過(guò)系在罐體旁的鐵錘敲罐體的形式來(lái)判斷粉料剩余量，通過(guò)敲罐體發(fā)出的聲音來(lái)大致判斷粉料剩余量，采用這種原始的方法不僅誤差大、存在高空墜物傷人的風(fēng)險(xiǎn)，不符合信息化、智能化生產(chǎn)的要求。特別是對(duì)原材要求較高的高鐵項(xiàng)目，原材料的使用需可追溯性以及檢測(cè)合格后方可使用，對(duì)物資的核算核銷要求較高。因此將粉料罐中的粉料數(shù)據(jù)化、可視化是十分必要的[1]。

1.粉料傳感器的分類

目前粉料傳感器可大致分為兩種；其中一種是能連續(xù)測(cè)量粉料位置變化的連續(xù)式物位傳感器，可用于連續(xù)控制系統(tǒng)及粉料儲(chǔ)存顯示系統(tǒng)；另一種是以點(diǎn)測(cè)方式的開(kāi)關(guān)式物位傳感器，其主要用于過(guò)程自動(dòng)控制、空轉(zhuǎn)防止、溢流等領(lǐng)域。由于我們需要實(shí)時(shí)顯示粉料罐中的物料儲(chǔ)備情況因此我們選用可連續(xù)測(cè)量物料位置的連續(xù)式物位傳感器[2]。

按照料位傳感器工作原理料位傳感器可以分為電容式、電阻式、微波式、阻力式等。由于需要測(cè)量的不是固定形態(tài)的砂石，比較適合用電容式的傳感器來(lái)測(cè)量，除此之外，電容式傳感器具動(dòng)態(tài)速度響應(yīng)快，測(cè)量范圍大、靈敏度高，能測(cè)量微小變化和變化比較慢的物理量以及對(duì)工作環(huán)境的要求不高等優(yōu)點(diǎn)。電容式傳感器主要有變介電常數(shù)型、變間距型和變面積型，其中變介電常數(shù)型是根據(jù)電容器間不同介質(zhì)的變化來(lái)測(cè)量電容器電容的變化量的，粉料的顯示可選擇變介電常數(shù)型的電容傳感器。

2.變介電常數(shù)型的電容傳感器的工作原理

變介電常數(shù)電容式傳感器是將電容間不同介電常數(shù)的介質(zhì)的變化轉(zhuǎn)化為可對(duì)外輸送電流或電壓器件。不同物質(zhì)擁有不同的介電常數(shù)，若在兩極板間加入空氣以外的其他介質(zhì)，則兩極板間的電容量也會(huì)隨之發(fā)生變化這就是變介電常數(shù)型電容傳感器的工作原理。它可以用來(lái)測(cè)量物料的位置、材料的厚度、物料的成分等[3]。

圖1 變介電常數(shù)型電容傳感器

3.微小電容的檢測(cè)方法

在粉料罐計(jì)量系統(tǒng)中對(duì)電容的檢測(cè)是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前測(cè)量電容主要有充放電法、振蕩法、諧振法、交流電橋法等。

諧振法的測(cè)量原理是用一個(gè)固定電感L與被測(cè)電容Cx并聯(lián)，再加上一個(gè)可變頻電源。調(diào)節(jié)電源頻率使其發(fā)生諧振。諧振時(shí)L和Cx的容抗相等，這樣就得到了Cx的大小。該方法可以測(cè)量幾百千赫到幾百兆赫的電容，適合用來(lái)測(cè)小電容。但其不適合自動(dòng)和在線測(cè)量。不適合用于實(shí)時(shí)測(cè)量粉料剩余量[4]。

交流電橋法雖然精度比較高，但需要調(diào)節(jié)參考阻抗來(lái)使電橋平衡，不具備自動(dòng)平衡能力，不適合用于實(shí)時(shí)測(cè)量粉料剩余量。

充放電法的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用于實(shí)時(shí)測(cè)量粉料剩余量。其工作原理是通過(guò)檢測(cè)對(duì)電容充放電時(shí)的電流，經(jīng)處理后可得到一個(gè)和電容成一定比例的輸出電壓，經(jīng)過(guò)放大電路后進(jìn)行顯示。

4.電容式傳感器在攪拌站粉料顯示的應(yīng)用方式

攪拌站粉料罐是上部分是圓柱體底部為圓錐體的組合形狀，底部的圓錐體所占比例較少且圓錐體位于底部，粉罐改裝成電容器后邊緣效應(yīng)影響較大。為避免電容的邊緣效應(yīng)，在對(duì)粉罐的改裝過(guò)程中，粉罐的錐體部分不作為電容部分。

如圖2所示，電容式傳感器需要有一定距離的電容板和施加在電容板上的電壓。目前攪拌站使用的粉料罐為中間部分是全空的，無(wú)法形成電容，更不能通過(guò)測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)量粉料的變化。為了節(jié)約改裝成本，已現(xiàn)有粉罐為改裝對(duì)象進(jìn)行改裝。

圖2 簡(jiǎn)易電容式傳感器

如圖3所示，在現(xiàn)有粉罐中間加裝金屬導(dǎo)體（圖中紅色圓柱體），用絕緣材料進(jìn)行支撐（圖中綠色部分）同時(shí)加壓電線和輸出線可固定在絕緣體上。這樣金屬導(dǎo)體和粉料罐形成了電容的兩個(gè)極板，施加一定的電壓后，紅色的金屬導(dǎo)體與粉料外殼形成電容，通過(guò)電容檢測(cè)電路檢測(cè)改部分電容，再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電容轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)過(guò)放大電路后進(jìn)行顯示。當(dāng)粉料罐內(nèi)的粉料變化時(shí)，由于兩電極板間的介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致兩極板的電容發(fā)生變化，這種變化被轉(zhuǎn)換成電壓的變化進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)顯示粉罐內(nèi)粉料剩余量的功能。通過(guò)圖3這樣的改裝就能將普通的粉料罐就改裝成電容式粉料傳感器了。

圖3 粉罐改裝效果圖

5.電容式傳感器在粉料計(jì)量應(yīng)用存在的問(wèn)題及擬解決措施

由于電容式傳感器的邊緣效應(yīng)且攪拌站粉料罐的底部為圓錐形，此位置的電容與物料的高度線性度較差，為提高傳感器的準(zhǔn)確度同時(shí)減低改造成本，在加裝中間金屬導(dǎo)體時(shí)，從粉罐的圓柱體底部開(kāi)始，使用絕緣材料進(jìn)行固定。這樣改裝后傳感器測(cè)量的粉料剩余量為粉罐錐體部分加傳感器測(cè)得量部分，由于錐體的體積是固定不變的，該部分的粉料體積重量是固定不變的，當(dāng)圓柱體內(nèi)粉料使用完畢后該傳感器顯示到達(dá)警戒值，提示需要及時(shí)進(jìn)料。同時(shí)錐體內(nèi)粉料能完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。

為形成電容空間，需在粉料罐中心處增加圓柱形金屬導(dǎo)體，且在罐體上施加電壓。粉料罐需在生產(chǎn)中在粉罐中心增加金屬導(dǎo)體，加電時(shí)需將多次試驗(yàn)以便達(dá)到施加最小電壓以獲得預(yù)期測(cè)量精度，且電壓加到罐體中心的金屬導(dǎo)體（圖3紅色部分）上，以避免罐體外側(cè)帶電。