烟草制丝加料装置液位测量方法及其影响因素

摘要：文章主要讨论了物位测量的常用方法及影响测量精度的部分因素，其中重点讨论了电容液位计、超声波液位变送器及静态称重系统的测量方法与区别，并对现阶段广泛使用的静态称重模式进行了阐述，以便更好地应用于加料装置上。

关键词：烟草制丝；物位测量；测量精度；限位测量；连续测量；介电系数

中图分类号：TS432文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）21-0065-03

加料（香）装置是烟草行业使用的加料机、加香机、回潮加料机所配备的料液储存、保温、物位监测及料液添加、喷射的装置，物位测量是其极重要的一项功能。用户要求物位测量准确、精度高。因此本文主要介绍物位测量，并重点讨论电容液位计，超声波液位变送器及静态称重系统的测量方法与区别，并对现阶段广泛使用的静

态称重模式进行阐述，以便更好地应用于加料装置上。

1物位测量的功能

通过物位的测量，可以正确获知料桶中所储存料液的体积或距离；监视料桶的物位高度，并对它的上下极限位置进行报警。所以测量物位的目的一般有三种：一种是对测量物位的绝对值要求准确，借此确定料桶中储存料液的数量，以保证生产过程中能够按照预先计划来加料，以满足工艺的要求；一种是对测量物位的相对值要求准确，以连续控制，这是用物位仪表进行监视；另一种是对物料质量进行测量，摒弃了传统的通过监测料液的体积和距离以达到监测物料高度的方法，此种监测方式能够实现与加料系统连锁，具有自动送料功能，并能对进料量进行复核，这是用称重显示控制器进行监视。

2物位测量的常用方法

现阶段，物位测量一般采用玻璃管液位计、压力式液位计、料罐称重式、电容液位计及超声波液位变送器等形式。对于不同的介质，不同的测量精度要求，它们各有利弊。物位测量用于加料装置的监测，就必须能满足料液本身所具有会影响测量精度的一些特征，能满足对测量本身的一些具体要求，一是料液的温度、压力、腐蚀性对测量的影响；二是料液的粘滞性，周围的噪音对测量的影响；三是料液被搅拌对测量的影响；四是料桶的形状对测量的影响。

下文分析超声波液位变送器、介质变化型电容液位计及静态称重系统用于加料装置液位监测时的一些特点。

2.1介质变化型电容液位计监测料液

2.1.1介质变化型电容液位计的测量原理。此测量的工作原理是基于电容器之间电容量的变化来实现的，当测量探头裸露在大气中时，它与桶壁形成一微小电容，而当料液覆盖电极时，则形成一具有较高容抗的电容及电阻的并联电路。探头的屏蔽层可以减小探头部分的料液粘接影响，如图1所示：

图1 图2

平板电容器的电容量为：

C=8.84εr×10-2×a/d

式中：

a为极板间面积（cm2）；d为极板之距离（cm）；εr为料液之介电系数。

由此可知，圆柱形电容器的电容量：

C=εr×24×L/logD/d（1）

式中：

L为探头之长度（cm）；d为探头之直径（cm）；εr为料液之介电系数；D为桶体直径（cm）。

故在实际应用中有：

△C=（εr-1）×24×L/logD/d（2）

由此变交电容（△C）被液位计转换为变交电压（△U）。然后，若在电容式限位测量中此变交电压（△U）被转换为继电器动作；而在电容式连续测量中变交电压（△U）被转换为0～20mA或4～20mA输出信号。故此种测量根据不同的安装形式可分别用于连续测量及限位测量。

2.1.2料桶的形状对测量的影响。由于桶体由圆柱体及椭圆封头组成，从公式（2）可知，料桶的形状对测量精度基本上没有影响，我们可以不用考虑料桶的形状对测量精度的影响。

2.1.3料液温度、压力、腐蚀性、介电系数等对测量的影响。虽然此种监测是接触式测量，但是由于探头的绝缘及过程连接的特点，在加上采用了一些防腐材料，保证了其良好的抗蚀能力；其可靠、坚实的机械结构使其在真空至50bar压力范围内具有极好的气密性，合适的密封及绝缘材料可保证探头在-120～-80℃工温下工作良好。

同时，由于此种是接触式测量，料液被搅拌中液面所起波浪和气泡对测量基本上也没有什么影响。

由测量原理示意图分析，可以得出如下结论：（1）若物料具有很强的导电能力，此时介电系数C探头起决定作用。此时C料液可忽略不计；（2）若物料为弱导电体，此时测量结果仅取决于C料液及测量频率。

2.1.4料液的粘滞性、周围的噪音对测量的影响。由于此种监测是基于电容器之间电容量的变化来实现的，从工作原理上避免了声波对测量的影响。

随着工作时间的加长，探头必将严重积垢，此时即使实际物位已经降低，探头上依然存在大量驻存物料，若物料为导电性物质时，此时对测量精度就可能有严重影响，对于不同的测量目的影响程度也将不同。

若用于连续测量，此时探头的严重积垢就将引起零点数据漂移，带来严重影响，测量误差可达十几升。

若用于限位测量，我们可以选用带实时补偿积垢的探头，那么探头的积垢对测量将没有任何影响，测量精度相当高。

2.2超声波液位变送器监测料液的部分探讨

2.2.1超声波液位变送器的测量原理。超声波测距是采用声波反射原理，是基于脉冲法测距的原理来实现的，从而避免传感器直接与料液接触，实现非接触测量。如图2所示。

超声波液位变送器产生每秒8次的脉冲，由发送器底部发出。当脉冲离开变送器后，扩展为一个8°的锥形波，将发生两次主要的反射：一次是遇到料液反射回来，另一次是到达桶底时再次反射回来。

根据S=tv/2，可以得出：

S=△t×c/2 （3）

其中c=（1/βρ）1/2，式中S为变送器到液面之距离；t为从探头发射超声波到接收到反射波的时间；c为超声波在料液中的传输速度；β为料液的绝热压缩系数；ρ为料液密度。

上述表达式是在特定的条件下成立的，它同时还受多种因素的影响。在各种因素中温度的影响最大。实际应用中必须对其进行修正。

在超声波液位变送器中通过内部转换可同时提供4～20mA输出信号和两个继电器输出，故此种测量可同时提供连续测量及限位测量。所带2个继电器输出，可进行高低料位切换，与供料系统实施供料控制。

2.2.2回波、料桶的形状及结构对测量的影响。在实际的测量中，当探头发射超声波后，将接收到一连串的反射波，其中包括桶壁的多次回波、液面的回波以及一些随机干扰，对测量有较大的影响，必须加以消除。为此，我们进行粗略的分析。

由于多次的反射和透射超声波的能量将很快地衰减，我们可以根据对衰减的计算，选择有效的反射回波次数n，确定出n次桶壁回波所需时间tc，从而使液位变送器在采集回波信号时，当部分不需要的回波信号到来时，采集回波信号通道关闭，使其不参与液位计算。

超声波液位变送器提供了内部的滤波功能，通过设置使变送器和液面之间的所有障碍物的回波和反射都减小，从而使桶壁、搅拌器等对测量的影响尽量减小。

2.2.3温度对测量的影响。超声波液位变送器在测量可以气体特性（声速）利用减小温度及水蒸气对测量的影响。

超声波在常温常压的气体中的传播速度为：

v=（rRT/μ）1/2

式中：

μ为气体的摩尔质量；r为气体的比热；R为气体的常数；T为气体的热力学温度。

由公式可知，温度越高声速越大，温度越低声速越小。0℃时，空气中声速的实验值为331.45m/s，空气中声速的表达式为：

endprint

v=331.45［（θ+273.16）/273.16］1/2

式中：

θ为摄氏温度；在实际的测量中，可按v=331.45m/s+0.59m/sXT℃计算声速，就可以使测量的结果更精确。

2.2.4料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数、周围的噪音对测量的影响。由于超声波液位变送器是非接触测量，料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数对测量精度没有任何影响。另外，由于超声波液位变送器产生每秒8次的脉冲，所以周围的噪音对测量精度也没有任何影响。

2.2.5液面的波浪和气泡及超声波液位变送器分辨率对测量的影响。由于料液被搅拌中液面会起波浪和气泡，而超声波液位变送器又是采用非接触测量，不可避免会对测量结果产生影响，只有在料桶结构设计中尽量降低这种影响。

此外，由于受测距原理的限制，此种测量分辨率一般只能达到+/-3mm。

2.3静态称重系统监测料液的部分探讨

图3

2.3.1静态称重系统的监测原理。静态称重系统由三只高精度紧密型称重传感器和智能化称重显示仪表组成。料桶置于秤台上，在重力的作用下，称重传感器弹性体产生形变，使粘贴于弹性体应梁的电阻应变计桥路失去平衡，输出与重量数据成比例的电压信号，该信号进入显示显示仪表，经线性放大，A/D转换后成为数字信号，由微处理器进行处理并直接在仪表上显示。

2.3.2料桶的形状对测量的影响。圆柱型桶体由三个支脚固定在秤台上，秤台平整牢固地放置在三只称

（下转第34页）

（上接第66页）

重传感器上，对料液质量变化进行监测。只要三个称重传感器受力均匀，就能够保证称量的精度和准确性。圆柱形桶体从结构上能够保证三个称重传感器均匀受力，桶体的形状不会对测量造成影响。

2.3.3料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量的影响。由于静态称重系统是通过检测料液的重量达到监测目的，料液在称量的过程中，不与称重装置发生直接接触，所以料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量精度不会产生影响。

2.3.4外来因素对测量的影响。只有在料液和料桶保持静止时，称重传感器弹性体产生形变才可以稳定，输出的电压信号才恒定，才能保证输出数据和精度准确，说明料液、料桶受到冲击和振动对测量的精度影响是很大的。料液在搅拌过程中，料液产生的波浪和起泡会对桶体产生冲击，使桶体振动，外连管路和桶体加热产生冷凝水量都会对测量精度产生影响。

外连管路、桶体加热产生冷凝水我们通过采用软管连接和对冷凝水回水系统加设冷凝水罐等方法进行了解决；另外，静态称重系统是智能化称重设备，通过控制软件，采取清零、去皮等操作，保证测量精度的准确。

3总结

由上面的讨论可以看出，在加料装置的监测中，由于糖料液的粘附，糖料液的牌号不同、导电电导率的不同，会导致电容式物位传感器测量时零点数据漂移，造成测量误差较大，调试时极难保证；利用超声波传感器则可提高检测精度，降低成本，但超声波液位变送器受测试距离的限制，对料液形态要求高；利用静态称重系统，能够实现与加料系统连锁，测量精度更加准确，且静态称重系统是智能化控制，设备的自动化水平会大大提高，这与当前行业内要求精细化加工理念相吻合，是加料装置液位测量方法的最佳选择。

参考文献

[1]严普强，黄长艺，等．现代工程测试技术基础[M]．北京：机械工业出版社，1995．

[2]谢建．超声液位测量仪的研究[[J]．自动化仪表，2002，（2）．

[3]8175/8170型超声波液位变送器操作手册[S]．

作者简介：王志全（1966-），男，吉林人，吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂制丝车间主任，工程师，研究方向：制丝设备。

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v=331.45［（θ+273.16）/273.16］1/2

式中：

θ为摄氏温度；在实际的测量中，可按v=331.45m/s+0.59m/sXT℃计算声速，就可以使测量的结果更精确。

2.2.4料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数、周围的噪音对测量的影响。由于超声波液位变送器是非接触测量，料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数对测量精度没有任何影响。另外，由于超声波液位变送器产生每秒8次的脉冲，所以周围的噪音对测量精度也没有任何影响。

2.2.5液面的波浪和气泡及超声波液位变送器分辨率对测量的影响。由于料液被搅拌中液面会起波浪和气泡，而超声波液位变送器又是采用非接触测量，不可避免会对测量结果产生影响，只有在料桶结构设计中尽量降低这种影响。

此外，由于受测距原理的限制，此种测量分辨率一般只能达到+/-3mm。

2.3静态称重系统监测料液的部分探讨

图3

2.3.1静态称重系统的监测原理。静态称重系统由三只高精度紧密型称重传感器和智能化称重显示仪表组成。料桶置于秤台上，在重力的作用下，称重传感器弹性体产生形变，使粘贴于弹性体应梁的电阻应变计桥路失去平衡，输出与重量数据成比例的电压信号，该信号进入显示显示仪表，经线性放大，A/D转换后成为数字信号，由微处理器进行处理并直接在仪表上显示。

2.3.2料桶的形状对测量的影响。圆柱型桶体由三个支脚固定在秤台上，秤台平整牢固地放置在三只称

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重传感器上，对料液质量变化进行监测。只要三个称重传感器受力均匀，就能够保证称量的精度和准确性。圆柱形桶体从结构上能够保证三个称重传感器均匀受力，桶体的形状不会对测量造成影响。

2.3.3料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量的影响。由于静态称重系统是通过检测料液的重量达到监测目的，料液在称量的过程中，不与称重装置发生直接接触，所以料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量精度不会产生影响。

2.3.4外来因素对测量的影响。只有在料液和料桶保持静止时，称重传感器弹性体产生形变才可以稳定，输出的电压信号才恒定，才能保证输出数据和精度准确，说明料液、料桶受到冲击和振动对测量的精度影响是很大的。料液在搅拌过程中，料液产生的波浪和起泡会对桶体产生冲击，使桶体振动，外连管路和桶体加热产生冷凝水量都会对测量精度产生影响。

外连管路、桶体加热产生冷凝水我们通过采用软管连接和对冷凝水回水系统加设冷凝水罐等方法进行了解决；另外，静态称重系统是智能化称重设备，通过控制软件，采取清零、去皮等操作，保证测量精度的准确。

3总结

由上面的讨论可以看出，在加料装置的监测中，由于糖料液的粘附，糖料液的牌号不同、导电电导率的不同，会导致电容式物位传感器测量时零点数据漂移，造成测量误差较大，调试时极难保证；利用超声波传感器则可提高检测精度，降低成本，但超声波液位变送器受测试距离的限制，对料液形态要求高；利用静态称重系统，能够实现与加料系统连锁，测量精度更加准确，且静态称重系统是智能化控制，设备的自动化水平会大大提高，这与当前行业内要求精细化加工理念相吻合，是加料装置液位测量方法的最佳选择。

参考文献

[1]严普强，黄长艺，等．现代工程测试技术基础[M]．北京：机械工业出版社，1995．

[2]谢建．超声液位测量仪的研究[[J]．自动化仪表，2002，（2）．

[3]8175/8170型超声波液位变送器操作手册[S]．

作者简介：王志全（1966-），男，吉林人，吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂制丝车间主任，工程师，研究方向：制丝设备。

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v=331.45［（θ+273.16）/273.16］1/2

式中：

θ为摄氏温度；在实际的测量中，可按v=331.45m/s+0.59m/sXT℃计算声速，就可以使测量的结果更精确。

2.2.4料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数、周围的噪音对测量的影响。由于超声波液位变送器是非接触测量，料液的粘滞性、压力、腐蚀性、介电系数对测量精度没有任何影响。另外，由于超声波液位变送器产生每秒8次的脉冲，所以周围的噪音对测量精度也没有任何影响。

2.2.5液面的波浪和气泡及超声波液位变送器分辨率对测量的影响。由于料液被搅拌中液面会起波浪和气泡，而超声波液位变送器又是采用非接触测量，不可避免会对测量结果产生影响，只有在料桶结构设计中尽量降低这种影响。

此外，由于受测距原理的限制，此种测量分辨率一般只能达到+/-3mm。

2.3静态称重系统监测料液的部分探讨

图3

2.3.1静态称重系统的监测原理。静态称重系统由三只高精度紧密型称重传感器和智能化称重显示仪表组成。料桶置于秤台上，在重力的作用下，称重传感器弹性体产生形变，使粘贴于弹性体应梁的电阻应变计桥路失去平衡，输出与重量数据成比例的电压信号，该信号进入显示显示仪表，经线性放大，A/D转换后成为数字信号，由微处理器进行处理并直接在仪表上显示。

2.3.2料桶的形状对测量的影响。圆柱型桶体由三个支脚固定在秤台上，秤台平整牢固地放置在三只称

（下转第34页）

（上接第66页）

重传感器上，对料液质量变化进行监测。只要三个称重传感器受力均匀，就能够保证称量的精度和准确性。圆柱形桶体从结构上能够保证三个称重传感器均匀受力，桶体的形状不会对测量造成影响。

2.3.3料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量的影响。由于静态称重系统是通过检测料液的重量达到监测目的，料液在称量的过程中，不与称重装置发生直接接触，所以料液的温度、压力、腐蚀性、粘度及噪音对测量精度不会产生影响。

2.3.4外来因素对测量的影响。只有在料液和料桶保持静止时，称重传感器弹性体产生形变才可以稳定，输出的电压信号才恒定，才能保证输出数据和精度准确，说明料液、料桶受到冲击和振动对测量的精度影响是很大的。料液在搅拌过程中，料液产生的波浪和起泡会对桶体产生冲击，使桶体振动，外连管路和桶体加热产生冷凝水量都会对测量精度产生影响。

外连管路、桶体加热产生冷凝水我们通过采用软管连接和对冷凝水回水系统加设冷凝水罐等方法进行了解决；另外，静态称重系统是智能化称重设备，通过控制软件，采取清零、去皮等操作，保证测量精度的准确。

3总结

由上面的讨论可以看出，在加料装置的监测中，由于糖料液的粘附，糖料液的牌号不同、导电电导率的不同，会导致电容式物位传感器测量时零点数据漂移，造成测量误差较大，调试时极难保证；利用超声波传感器则可提高检测精度，降低成本，但超声波液位变送器受测试距离的限制，对料液形态要求高；利用静态称重系统，能够实现与加料系统连锁，测量精度更加准确，且静态称重系统是智能化控制，设备的自动化水平会大大提高，这与当前行业内要求精细化加工理念相吻合，是加料装置液位测量方法的最佳选择。

参考文献

[1]严普强，黄长艺，等．现代工程测试技术基础[M]．北京：机械工业出版社，1995．

[2]谢建．超声液位测量仪的研究[[J]．自动化仪表，2002，（2）．

[3]8175/8170型超声波液位变送器操作手册[S]．

作者简介：王志全（1966-），男，吉林人，吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂制丝车间主任，工程师，研究方向：制丝设备。

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