电容式物位计在应用中应注意的几个问题

一、电容式物位计的工作原理
电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成。其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求知物位数值。
电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的。其结构如同2个长度为L 、半径分别为R和r的圆筒型金属导体，中间隔以绝缘物质，当中间所充介质是介电常数为ε1的气体时，两圆筒的电容量为：

如果电极的一部分被介电常数为ε2的液体（非导电性的）浸没时，则必须会有电容量的增量△C 产生（因ε2>ε1），此时两极间的电容量C=C1+△C。假如电极被浸没长度为l，则电容增量为：

当ε2、ε1、R、r不变时，电容量增量△C与电极浸没的长度l 成正比，因此测出电容增量数值便可知道液位高度。
如果被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。假设中间介质的介电常数为ε3，电极被浸没长度为l，则此时电容器所具有的电容量为：

其中：R 和r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径。由于ε3 为常数，所以C 与l 成正比。
二、电容式物位计在应用中应注意的几个问题
1、选型
由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的型式。
（1）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连， 保证仪表正常测量。
（2）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外
部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。
（3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒型容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒型电容器。
所以应根据现场实际情况，即被测介质的性质（导电特性、粘滞性）、容器类型（规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐），选择合适的电容物位计。
2、测量回路中接地点的处理
仪表测量回路中接地点的正确、可靠与否直接影响被测参数的测量。大修时，我厂采用BTY-C型电容物位计对油品精制8个碱液罐进行液面监控，由于碱液罐位于防爆区，所以最初设计测量回路中引入齐纳式输入安全栅（见图1）。

图1 采用齐纳式输入安全栅的系统接线图
安装调试发现，系统无法正常工作：安全栅2端电压高达23V，而变送器（电容物位计）供电电压为0V，也就是说已短路。仔细查找原因，发现是由于电容物位计的电路结构所致。电容物位计的探头为等效电容的一极，对于外壁规则的金属容器，其罐壁为电容的另一极。因此变送器信号负接地，而齐纳栅也接地则变送器被短路。于是将接地COM点悬空，观察到开始时变送器输出在4mA，安全栅2端电压在0.86V，不长时间变为1.6V，7V，变送器工作很不稳定，这是由于COM点悬空，系统回路受外部干扰所致。于是抛开安全栅与COM板，将24V电源直接送到变送器，串入标准电流表检测变送器工作情况，变送器工作正常。得出结论：由于电容物位计信号负与大地（罐壁）相连，因此不能选用齐纳式安全栅。经与厂家协商，选用IS4000系列隔离式安全栅，因为BTY-C系列电容物位计与IS4000系列隔离式安全栅已进行系统安全防爆联合取证。选用IS4000系列隔离式安全栅系统接线如图2所示。由于隔离式安全栅的电源、输入、输出信号三者隔离，避免了系统间的相互干扰，以及系统多点接地问题。

图2 采用IS4000 系列隔离式安全栅的系统接线图
3、应用中常见故障的处理
如果电容式物位计选型正确、安装合理，一般很少出现故障，因此选型和安装时应注意：
（1）介质的介电常数应稳定（对于非导电介质）；
（2）对于软缆型传感器，安装时需考虑传感器周围均衡，应远离爬梯等；
（3）安装时应远离设备出入口；
（4）同轴型传感器应防堵。
常见故障有二种：
（1）传感器漏电（对于导电介质用传感器，绝缘层磨损时会漏电）；
（2）电路损坏。
判定方法：
（1）用万用表电阻档测量传感器引线与大地间电阻，若阻值无限大，则传感器不漏电；否则传感器漏电需更换。
（2）将传感器断电，拆掉传感器引线， 通电用手触摸电路传感器端子，同时观察输出电流：若电流有变化，则电路板没有损坏；否则电路板损坏，需更换。
如果被测介质是导电的粘滞性介质，当液位下降时，由于电极套管上仍粘附一层被测介质，因此会造成虚假的液位指示，在这种情况下应定期清洗探头。而在测量粘滞性非导电液体时，当液位下降后，光电极上会附上一薄层介质，但这不影响仪表的正常测量。
4、标定方法
（1）如果现场条件好、液面可以随意调整，那么先使液面下降至零点，调整零点电位器使显示仪表指示0%，电流输出为4mA；使液面上升至满点，调整量程电位器使显示仪表指示100%，电流输出为20mA。重复上述调整步骤，直到零满位准确为止。
（2）如果不可能重复进行现场设备液位排空和满位的调整，则采用传感器提升方法。
假设安装时液面高度为h1，将传感器提起△h，从公式△h/h=(I1-I2)/16计算出I2。其中h 为满量程时液面高度；I1为液面高度为h1的电流输出；I2为液面提起△h的电流输出。调整传感器量程电位器使输出电流为I2。
放回传感器，根据h1/h=(I-4)/16计算I值，其中I为液面高度为h1时的电流输出。调整传感器零点电位器，使输出电流为I值。至此标定结束。
三、结论
电容式物位计适用于各种导电、非导电液体的液位或粘性料位的远距离连续测量和指示，也可以和其它电动仪表配套使用，以实现液位或料位的自动记录、调节和控制。其亦可用于导电和非导电液体之间及二种介电常数不同的非导电液体之间的界面测量。电容物位计合理的选型与正确的接地是其实现准确测量以及安全运行的前提。