論電容式粉料稱重計量原理及其在攪拌站中的應用

裴小平 石昭明

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

0.引言

在攪拌站的日常生產中，砂石等原材料都存放在非密閉環境中可隨時觀測其剩余量提前做好進料安排。但礦粉、粉煤灰等粉料儲存在封閉的罐體之中，無法直接觀測剩余量。目前主要通過系在罐體旁的鐵錘敲罐體的形式來判斷粉料剩余量，通過敲罐體發出的聲音來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險，不符合信息化、智能化生產的要求。特別是對原材要求較高的高鐵項目，原材料的使用需可追溯性以及檢測合格后方可使用，對物資的核算核銷要求較高。因此將粉料罐中的粉料數據化、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；其中一種是能連續測量粉料位置變化的連續式物位傳感器，可用于連續控制系統及粉料儲存顯示系統；另一種是以點測方式的開關式物位傳感器，其主要用于過程自動控制、空轉防止、溢流等領域。由于我們需要實時顯示粉料罐中的物料儲備情況因此我們選用可連續測量物料位置的連續式物位傳感器[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。由于需要測量的不是固定形態的砂石，比較適合用電容式的傳感器來測量，除此之外，電容式傳感器具動態速度響應快，測量范圍大、靈敏度高，能測量微小變化和變化比較慢的物理量以及對工作環境的要求不高等優點。電容式傳感器主要有變介電常數型、變間距型和變面積型，其中變介電常數型是根據電容器間不同介質的變化來測量電容器電容的變化量的，粉料的顯示可選擇變介電常數型的電容傳感器。

2.變介電常數型的電容傳感器的工作原理

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

圖1 變介電常數型電容傳感器

3.微小電容的檢測方法

在粉料罐計量系統中對電容的檢測是十分重要的一個環節，目前測量電容主要有充放電法、振蕩法、諧振法、交流電橋法等。

諧振法的測量原理是用一個固定電感L與被測電容Cx并聯，再加上一個可變頻電源。調節電源頻率使其發生諧振。諧振時L和Cx的容抗相等，這樣就得到了Cx的大小。該方法可以測量幾百千赫到幾百兆赫的電容，適合用來測小電容。但其不適合自動和在線測量。不適合用于實時測量粉料剩余量[4]。

交流電橋法雖然精度比較高，但需要調節參考阻抗來使電橋平衡，不具備自動平衡能力，不適合用于實時測量粉料剩余量。

充放電法的測量電路比較簡單，具有靈敏度高、抗干擾能力強等優點，適合用于實時測量粉料剩余量。其工作原理是通過檢測對電容充放電時的電流，經處理后可得到一個和電容成一定比例的輸出電壓，經過放大電路后進行顯示。

4.電容式傳感器在攪拌站粉料顯示的應用方式

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影響較大。為避免電容的邊緣效應，在對粉罐的改裝過程中，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，無法形成電容，更不能通過測量電容的變化來測量粉料的變化。為了節約改裝成本，已現有粉罐為改裝對象進行改裝。

圖2 簡易電容式傳感器

如圖3所示，在現有粉罐中間加裝金屬導體（圖中紅色圓柱體），用絕緣材料進行支撐（圖中綠色部分）同時加壓電線和輸出線可固定在絕緣體上。這樣金屬導體和粉料罐形成了電容的兩個極板，施加一定的電壓后，紅色的金屬導體與粉料外殼形成電容，通過電容檢測電路檢測改部分電容，再通過轉換電路將電容轉換成電壓經過放大電路后進行顯示。當粉料罐內的粉料變化時，由于兩電極板間的介質發生變化，導致兩極板的電容發生變化，這種變化被轉換成電壓的變化進行顯示，從而實現顯示粉罐內粉料剩余量的功能。通過圖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量應用存在的問題及擬解決措施

由于電容式傳感器的邊緣效應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，為提高傳感器的準確度同時減低改造成本，在加裝中間金屬導體時，從粉罐的圓柱體底部開始，使用絕緣材料進行固定。這樣改裝后傳感器測量的粉料剩余量為粉罐錐體部分加傳感器測得量部分，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，當圓柱體內粉料使用完畢后該傳感器顯示到達警戒值，提示需要及時進料。同時錐體內粉料能完成一定的生產任務。

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