论电容式粉料称重计量原理及其在搅拌站中的应用

裴小平 石昭明

（1.中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北武汉 430014；2.鄂州航鸿劳务承包有限公司，湖北鄂州 436000）

0.引言

在搅拌站的日常生产中，砂石等原材料都存放在非密闭环境中可随时观测其剩余量提前做好进料安排。但矿粉、粉煤灰等粉料储存在封闭的罐体之中，无法直接观测剩余量。目前主要通过系在罐体旁的铁锤敲罐体的形式来判断粉料剩余量，通过敲罐体发出的声音来大致判断粉料剩余量，采用这种原始的方法不仅误差大、存在高空坠物伤人的风险，不符合信息化、智能化生产的要求。特别是对原材要求较高的高铁项目，原材料的使用需可追溯性以及检测合格后方可使用，对物资的核算核销要求较高。因此将粉料罐中的粉料数据化、可视化是十分必要的[1]。

1.粉料传感器的分类

目前粉料传感器可大致分为两种；其中一种是能连续测量粉料位置变化的连续式物位传感器，可用于连续控制系统及粉料储存显示系统；另一种是以点测方式的开关式物位传感器，其主要用于过程自动控制、空转防止、溢流等领域。由于我们需要实时显示粉料罐中的物料储备情况因此我们选用可连续测量物料位置的连续式物位传感器[2]。

按照料位传感器工作原理料位传感器可以分为电容式、电阻式、微波式、阻力式等。由于需要测量的不是固定形态的砂石，比较适合用电容式的传感器来测量，除此之外，电容式传感器具动态速度响应快，测量范围大、灵敏度高，能测量微小变化和变化比较慢的物理量以及对工作环境的要求不高等优点。电容式传感器主要有变介电常数型、变间距型和变面积型，其中变介电常数型是根据电容器间不同介质的变化来测量电容器电容的变化量的，粉料的显示可选择变介电常数型的电容传感器。

2.变介电常数型的电容传感器的工作原理

变介电常数电容式传感器是将电容间不同介电常数的介质的变化转化为可对外输送电流或电压器件。不同物质拥有不同的介电常数，若在两极板间加入空气以外的其他介质，则两极板间的电容量也会随之发生变化这就是变介电常数型电容传感器的工作原理。它可以用来测量物料的位置、材料的厚度、物料的成分等[3]。

图1 变介电常数型电容传感器

3.微小电容的检测方法

在粉料罐计量系统中对电容的检测是十分重要的一个环节，目前测量电容主要有充放电法、振荡法、谐振法、交流电桥法等。

谐振法的测量原理是用一个固定电感L与被测电容Cx并联，再加上一个可变频电源。调节电源频率使其发生谐振。谐振时L和Cx的容抗相等，这样就得到了Cx的大小。该方法可以测量几百千赫到几百兆赫的电容，适合用来测小电容。但其不适合自动和在线测量。不适合用于实时测量粉料剩余量[4]。

交流电桥法虽然精度比较高，但需要调节参考阻抗来使电桥平衡，不具备自动平衡能力，不适合用于实时测量粉料剩余量。

充放电法的测量电路比较简单，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，适合用于实时测量粉料剩余量。其工作原理是通过检测对电容充放电时的电流，经处理后可得到一个和电容成一定比例的输出电压，经过放大电路后进行显示。

4.电容式传感器在搅拌站粉料显示的应用方式

搅拌站粉料罐是上部分是圆柱体底部为圆锥体的组合形状，底部的圆锥体所占比例较少且圆锥体位于底部，粉罐改装成电容器后边缘效应影响较大。为避免电容的边缘效应，在对粉罐的改装过程中，粉罐的锥体部分不作为电容部分。

如图2所示，电容式传感器需要有一定距离的电容板和施加在电容板上的电压。目前搅拌站使用的粉料罐为中间部分是全空的，无法形成电容，更不能通过测量电容的变化来测量粉料的变化。为了节约改装成本，已现有粉罐为改装对象进行改装。

图2 简易电容式传感器

如图3所示，在现有粉罐中间加装金属导体（图中红色圆柱体），用绝缘材料进行支撑（图中绿色部分）同时加压电线和输出线可固定在绝缘体上。这样金属导体和粉料罐形成了电容的两个极板，施加一定的电压后，红色的金属导体与粉料外壳形成电容，通过电容检测电路检测改部分电容，再通过转换电路将电容转换成电压经过放大电路后进行显示。当粉料罐内的粉料变化时，由于两电极板间的介质发生变化，导致两极板的电容发生变化，这种变化被转换成电压的变化进行显示，从而实现显示粉罐内粉料剩余量的功能。通过图3这样的改装就能将普通的粉料罐就改装成电容式粉料传感器了。

图3 粉罐改装效果图

5.电容式传感器在粉料计量应用存在的问题及拟解决措施

由于电容式传感器的边缘效应且搅拌站粉料罐的底部为圆锥形，此位置的电容与物料的高度线性度较差，为提高传感器的准确度同时减低改造成本，在加装中间金属导体时，从粉罐的圆柱体底部开始，使用绝缘材料进行固定。这样改装后传感器测量的粉料剩余量为粉罐锥体部分加传感器测得量部分，由于锥体的体积是固定不变的，该部分的粉料体积重量是固定不变的，当圆柱体内粉料使用完毕后该传感器显示到达警戒值，提示需要及时进料。同时锥体内粉料能完成一定的生产任务。

为形成电容空间，需在粉料罐中心处增加圆柱形金属导体，且在罐体上施加电压。粉料罐需在生产中在粉罐中心增加金属导体，加电时需将多次试验以便达到施加最小电压以获得预期测量精度，且电压加到罐体中心的金属导体（图3红色部分）上，以避免罐体外侧带电。