電容式導(dǎo)電液體液位傳感器課程設(shè)計說明書

1、傳感器課程設(shè)計說明書電容式導(dǎo)電液體液位傳感器摘要在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中,為了實現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn),經(jīng)常需要對液位進行測量,繼而進行自動調(diào)節(jié)、智能控制使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。通常進行液位測量的方法有二十多種,分為直接法和間接法。直接液位測量法是以直觀的方法檢測液位的變化情況,如玻璃管或玻璃板法。然而隨著工業(yè)自動化規(guī)模的不斷擴大,因其方法原始、就地指示、精度低等逐漸被間接測量方法取代。目前國外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用間接的液位測量方法,如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。其中電容式液位測量價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單,是間接測量方法中最常用的方法之一。本設(shè)計采用一種簡單方便的電容式液位測量方

2、法,電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器,它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可實現(xiàn)非接觸測量,并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作等優(yōu)點,是很有發(fā)展前途的一種傳感器。本電容式液位測量設(shè)計方式是用等徑的長直圓筒容器,液位的高低正比于導(dǎo)電液體與測桿中導(dǎo)電金屬銅之間電容的大小,通過測量電路的轉(zhuǎn)換,就可以很方便地測量出液面的位置。此課程設(shè)計的目的是為了熟練掌握電容傳感器的基本知識和各種測量電路的原理運用；基本掌握測量液位方法的基本思路和方法；能夠利用所學(xué)的基本知識和技能,解決簡單的傳感器測量問題；培養(yǎng)綜合利用傳感器進行測量設(shè)計的能力。關(guān)鍵詞：液位測量電容式傳感器測量電路電容傳感器

3、測量目錄 TOC o 1-5 h z 第一章緒論2引言2電容式液位測量技術(shù)的發(fā)展3電容式液位測量現(xiàn)狀3電容式液位測量存在的問題3 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢4 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 第二章實驗原理4 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 電容傳感器4電容傳感器實物圖5電路結(jié)構(gòu)7實驗所需部件8 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 差動放大器8 HYPERLINK

4、l bookmark21 o Current Document 高精度運算放大器的構(gòu)成8OP07CP9 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 低通濾波器10 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 低通濾波器的構(gòu)成10HA177411A111 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 電容變換器12 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 電容變換器的構(gòu)成12CA3140E13 HYPERLI

5、NK l bookmark37 o Current Document 第三章實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理16 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 初次實驗16 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 二次實驗17第四章影響液位測量的主要因素19結(jié)論和心得體會19致20參考文獻21附錄：課程設(shè)計任務(wù)書21第一章緒論引言在各種化工、食品、石油倉儲等工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常要對存儲在儲倉罐和其它容器中的生產(chǎn)原料及產(chǎn)品液體或固體的體積或高度進行測量和控制,以確保生產(chǎn)的正常進行。通常方法是對物位進行測量,而物位又可以分為液位、料

6、位、界面三種,其中液位又顯得尤為重要,液位是指積存于各種容器的液體表面高度及所在的位置稱為液位,如油罐水庫水塔等容器所儲的液體表面的位置或高度。用于測量這些參數(shù)的傳感器稱液位傳感器液位檢測在許多控制領(lǐng)域已較為普遍,各種類型的液位檢測傳感器較多,按原理分有浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據(jù)其需要設(shè)計完成,其結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場合,大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,制造成本偏高；市面上也有現(xiàn)成的液位計,有投入式、浮球式、彈簧式等,多數(shù)成品價格驚人。以上液位計多數(shù)輸出為模擬量電流或電壓,有些為機械指針讀數(shù),不能用于遠程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面,在波動液面易引起讀數(shù)的波動；也有用電容法測

7、液位的系統(tǒng),此法是一種簡單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理,通過測量導(dǎo)電液體與測桿中導(dǎo)電金屬銅之間電容的大小而進行監(jiān)控,設(shè)計出一種液位檢測裝置。使用電容式傳感器進行液位測量,具有以下優(yōu)點：低成本即對于傳感器有比較成熟的技術(shù)、低功耗、高線性度、對應(yīng)用場合的幾何形狀有較高的適應(yīng)性。電容式液位測量技術(shù)的發(fā)展電容式液位測量現(xiàn)狀在電容式液位測量這一領(lǐng)域的研究及應(yīng)用,以美國的DREXELBROO用、Honeywell公司為代表的外國公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就。尤其是DREXELBROM依據(jù)其提出的射頻導(dǎo)納原理,推出了射頻導(dǎo)納電容式液位計,它可以克服由于掛料影響產(chǎn)生的測量誤差,從而在電容式液位測量這一

8、領(lǐng)域取得了巨大的成功?；诰鶆騻鬏斁€理論的射頻導(dǎo)納電容式液位計有較高的測量精度,可以應(yīng)用在高溫、高壓、腐蝕性液位測量場合,有著許多其他類型液位測量儀表無法比擬的優(yōu)點。當(dāng)前國外的電容式液位測量儀表的普遍特點是測量精度高、自動化程度高,具有420mA電流車出，采用HART協(xié)議、Honeywell協(xié)議等智能通訊協(xié)議，實現(xiàn)了從主控室到現(xiàn)場儀表的組態(tài)和維護。目前,已廣泛應(yīng)用于石油化工業(yè)、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域,一些產(chǎn)品也成功打入我國市場,在我國的液位測量領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)然隨著國的自主研發(fā),電容式液位測量有所成就,典型的是自動化儀表五廠、集成儀器儀表研究所等部門開發(fā)了開關(guān)和連續(xù)式電容液位計等,但產(chǎn)品性能

9、指標(biāo)、功能與國外同類產(chǎn)品仍有差距,如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。電容式液位測量存在的問題電容式液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、分辨力強、無可動部件、不易損壞、使用壽命長、需要作用能量低、并能在惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點。相對其他方法液位而言,綜合指標(biāo)最好,但它也存在一些不足,從而影響了它的適用圍和測量精度。電容式液位測量的主要缺點是:電容式傳感器本身結(jié)構(gòu)特性決定輸出阻抗高、負載能力差電容式傳感器的電容量一般很小,僅幾十至幾百皮法,使得電容式傳感器的輸出阻抗高,負載能力差,從而易受外界干擾,產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象,為此,需采取有效的技術(shù)措施,如適當(dāng)激勵頻率,采取屏蔽接地措施,盡量縮短傳

10、感器的引線來提高抗干擾能力。電容式液位測量的信號處理較困難因電容式傳感器的電容量很小,而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等使寄生電容較大,給實現(xiàn)精確的電容信號轉(zhuǎn)換帶來困難,為此，從硬件及軟件兩部分著手，如德國AMS司開發(fā)的模數(shù)一體化集成電路CAV424電容電壓轉(zhuǎn)換器,單片機進行開發(fā)的智能傳感器對數(shù)據(jù)處理運算。電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們越來越重視能源的消耗,提出可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約型社會的建設(shè)。液位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、食品等行業(yè),實時檢測液位如油位的檢測的變化情況,對確保工業(yè)生產(chǎn)的正常進行和防止事故的發(fā)生有著重要的作用。液位作為物

11、位檢測的四大參量之一,其余三個分別為壓力、溫度、流量等三熱工參量的檢測,這些參量的檢測始終倍受人們的關(guān)注,因為不僅這些參量本身重要,同時也因為它們是許多測量的基礎(chǔ)。而液位參量作為四大參量之一,其研究開發(fā)工作可分為兩個大方向來開展。液位傳感器的橫向發(fā)展主要表現(xiàn)為四個方面,即：非接觸測量；液位測量系統(tǒng)的智能化；小型化集成化；數(shù)字化。液位傳感器的縱向發(fā)展主要表現(xiàn)為四個方面,即：科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展；科學(xué)技術(shù)的交叉發(fā)展；邊沿科學(xué)技術(shù)；高精度方向發(fā)展。第二章實驗原理電容傳感器電容式液位計可以連續(xù)測量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及導(dǎo)電液體比如酒、醋、醬油等的液位,如圖1-1所示。當(dāng)液位計放入液體中時,

12、導(dǎo)線芯以絕緣層為介質(zhì)與周圍的液體形成柱形電容器。2*JT*E*HxIn。=也式中，e為導(dǎo)線芯絕緣層的介電常數(shù)；Hx為待測水位高度；di為導(dǎo)線芯的直徑；d2為絕緣層的外徑；電容式液位計配以適當(dāng)?shù)臏y量電路，便可以得到與被測液位成比例的電信號輸出。當(dāng)液位改變時，外電極間的覆蓋面積隨之變化，因而引起電容值的變化?？梢?，電容量與液體高度Hx成線性關(guān)系。電容傳感器實物圖傳感器和電路實物圖:傳感器實物圖:2.3電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)圖如下:L-可變電容2-電容停噓圖2由圖2所示，可知電路是由電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器構(gòu)成。實驗所需部件差動放大器高精度運算放大器的構(gòu)成高精度運算放大器幾乎都是作為

13、直流放大器使用，所以認為其頻率特性并不重要。高精度運算放大器滿足以下三個條件：.輸入失調(diào)電壓??；.輸入偏置電流小；.開環(huán)增益高；差動放大器的電路圖如圖3所示：圖31AC156M OP07C P差動放大器實現(xiàn)的功能是將信號放大。其需要的主要芯片是2.4.1.2OP07CPOP07的功能介紹：Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓對于OP07A大為25V，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低OP07A為2nA和開環(huán)增益高對于OP07300V/mV的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特

14、別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07的開環(huán)增益比通用型運算放大器112dBtyp高，但GB積與轉(zhuǎn)換速率卻比通用型小，全功率fullpower響應(yīng)頻率并不高。其特點是：超低偏移:0.5科V/C;超穩(wěn)定時間：OP07的外型圖片如圖150口最大；低輸入偏置電流：1.8nA;低失調(diào)電壓漂移:2V/month最大；高電源電壓圍：322V4所示：NDIPS(PlasticPackage)其管腳圖及部結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。圖4為1AC156MOP07CP的管腳圖；其中各管腳的連接為:圖（1VOS2-IN3+IN4V-5NC6OUT7V+8VCS圖6是1AC156M0P07C陪B結(jié)構(gòu)

15、圖;OP07CP!算放大器的電氣特性型名輸入失調(diào)電壓Typemax偏移電壓/Typemax輸入偏置電流/nATypemax轉(zhuǎn)換速率/ryp開環(huán)增益/dBtypOP07CP600.72.52.0120.6112低通濾波器顧名思義，所謂濾波器就是能夠過濾波動信號的器具，在電子線路中，濾波器的作用是從具有各種不同頻率成分的信號中，取出具有特定頻率成分的信號。濾波器一詞的英文是filter。理想低通濾波器器能夠讓零頻即直流到截止頻率fc之間的所有信號毫無損失的通過，而高于截止頻率fc的所有信號毫無遺留的喪失殆盡，低通濾波器簡稱LPF。在本實驗裝置中，為了過濾掉高次波的影響，采用低通濾波器進行濾波。低通

16、濾波器的構(gòu)成圖72.4.2.2HA177411A1由圖7可知,應(yīng)用到的運算放大器是HA177411A1HA17741運算放大器實際上就是uA741,國產(chǎn)型號是F007,相近的簡化就是LM324如圖8示，即為HA17741管腳圖;1,調(diào)零2,-IN3,+IN4, U-85oodb怖位增OUTU+NC它的主要指標(biāo)為：輸入失調(diào)電壓10mV,開環(huán)輸入電阻1M歐，開環(huán)增益益帶寬1Mhz,輸出開環(huán)阻抗60歐，輸出電壓轉(zhuǎn)換速度0.5V/US。如圖9示，是HA17741部電路圖;電谷變換器電容變換器的構(gòu)成電容變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖10所示CA3140EP123SK.圖10電容變換器的兩輸入端一個接待測電容Cx,

17、另外一端接定長電容C,定長電容為可調(diào)容抗的電容。其目的是提高電容傳感器的靈敏度，但同時降低了電容傳感器的線性度。電容變換器工作的原理是：將傳感器所測得電容量變化轉(zhuǎn)化為輸出直流的變化。其中DM74LS20N勺作用是產(chǎn)生方波，其輸出波形用示波器觀察時,其圖形為：其中CA3140E勺作用是把DM74LS201r生方波的方波作為輸入，然后轉(zhuǎn)化為正弦波，其輸出波形用示波器觀察時，其圖形為：CA3140E1、圖10可知,電容變換器運用到的運算放大器是CA3140E,CA3140高輸入阻抗運算放大器，是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140B

18、iMOS運算放大器功能保護MOSFET勺柵極PMOSt中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V無論單或雙電源,它結(jié)合了壓電PMOS1體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點.互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體卓越性能的運放元件的功能是為了保護MOSFE柵極中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低的輸入電流和高速性能，操作電源電壓在4V至36V。2、CA3140E元件的弓|腳如圖11所示OFFSET NULLirjv. INPUTNON IMV.1NPLJTSTROBIV+OUTRU-OFF3ET NULL圖113、引腳功能表如圖12所示:弓1腳號功能弓1腳號

19、功能1偏置調(diào)零端5偏置調(diào)零端2反向輸入端6輸出3同向輸入端7電源+4電源-8選通端圖124、CA3140部方框圖如圖13所示:2mA4mAj*f-IV*ejascircurrCURRENTSOURCESANDREGULATORV20OH* V1，r2O&LiAr2pA V2fhAOFFSET NULL圖135、CA3140部電路圖如圖14所示:BIAS CIRCUITINPUT STAGESECOND STft6EOUTPUT STAGE圖146、直流電源電壓V+和V-端子36V最大存儲溫度圍-65C150C差模輸入電壓8最大結(jié)溫塑料封裝150c直流輸入電壓最大結(jié)溫金屬罐封裝175c輸入端電流

20、1mA溫度圍第三章實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理3.1初次實驗初次進行試驗時測量得到的結(jié)果如表1所示:高度/cm023456789電壓/V%L、次14.185.964.894.141.45-2.06-3.18-4.13-5.13第二次14.197.145.213.940.93-1.74-2.84-3.9-4.97第三次14.25.734.6141.43-1.97-3.03-4.24-5.14第四次14.134.943.272.141-2.34-3.45-4.75-5.6第五次14.144.93.462.271.04-2.43-3.64-4.54-5.44平均值/cm14.1685.7344.2883.29

21、81.17-2.108-3.228-4.312-5.256高度/cm101112131415161718電壓/VA次-6.25-7.11-8.01-9.08-9.6-10.23-11.03-11.67-12.26第二次-5.88-6.89-7.53-8.78-9.26-9.9-10.59-11.38-11.94第三次-6.14-7.06-8.02-8.99-9.65-10.44-10.94-11.5-12.01第四次-6.54-7.64-8.44-9.57-10.21-10.94-11.08-11.54-11.99第五次-6.49-7.39-8.47-9.36-10.01-10.64-11.2

22、1-11.76-12.21平均值/cm-6.26-7.218-8.094-9.156-9.746-10.43-10.97-11.57-12.082表1對于初始高度設(shè)定時，充分考慮到了定值電容對測量結(jié)果的影響，通過調(diào)節(jié)初始時定值電容的大小，對進入液面以后的電壓值進行測量，得到的以上五組試驗數(shù)據(jù)。通過MATLAB對數(shù)據(jù)進行處理，得到如圖15所示的圖像：水面昌度與輸出電壓關(guān)系2 J 6 e 1C 12 U 1618水面高度圖15由所測量得到的數(shù)據(jù)顯示，在6-13cm進行測量在線性圍；在其他區(qū)間所得的數(shù)據(jù)成曲線形勢。3.2二次實驗根據(jù)表1所得結(jié)論，對6-13cm圍的數(shù)據(jù)進行測量，所得數(shù)據(jù)如表2所示:高

23、度/cm66.577.588.599.5電壓/VA次-1.88-2.43-3-3.59-4.13-4.58-5.03-5.6第二次-1.94-2.57-2.98-3.3-4.1-4.59-5.06-5.48平均值/cm-1.91-2.5-2.99-3.445-4.115-4.585-5.045-5.54誤差平均值與擬合直線值之差-0.07090.0104-0.0083-0.06210.09920.06050.0117-0.002高度/cm1010.51111.51212.513電壓湊L、次-6.09-6.66-7.02-7.65-8.12-8.62-9.16/V第二次-6-6.53-7.05-

24、7.53-8.08-8.46-9.03平均值/cm-6.045-6.595-7.035-7.59-8.1-8.54-9.095誤差平均值與擬合直線值之差-0.00570.0355-0.03320.01310.0143-0.0544-0.0081表2對表2所得數(shù)據(jù)，進行處理得到數(shù)據(jù)如圖16所示，再進行一階曲線擬合得到圖16中的直線所示。直線顯示：在6-13cm之間為線性圍。線性區(qū)水面高度與輸出電壓美系8910111213線性區(qū)水面高度線性度eL=圖16M00%=1.3807%第四章影響液位測量的主要因素液體本身的物理參數(shù)會對液位測量有影響,包括液體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和腐蝕情況等,對測量液位的敏感

25、元件的材料選用起決定性作用。通過實驗驗證,以下因素在液位測量中起關(guān)鍵性作用：電容極板結(jié)構(gòu)對測量的影響敏感元件電容極板直接感受被測量,電容的準(zhǔn)確性對測量至關(guān)重要。電容極板本身結(jié)構(gòu),比如尺寸、長度等直接決定著液位測量的精度。增加初始值,可以使寄生電容和相對電容傳感器的電容量較小。電容極板板間距離大,寄生電容就大、精度就低；板間距離小,寄生電容就小、精度就高。所以應(yīng)根據(jù)實際情況,選擇合適的電容極板尺寸。另外電容傳感器的材料和電信號引線的選用,也會對液位測量的精度產(chǎn)生影響。設(shè)定值或稱為閥值對測量精度的影響閥值是判斷是否進行下次采樣,從而進行微分運算,是計算液面位置的重要依據(jù),所以對測量精度的影響很大。

26、閾值設(shè)置小了,容易將非計算液位判斷為計算液位面；置大了又對微分運算產(chǎn)生影響。所以應(yīng)根據(jù)實際情況,選擇合適的閾值。結(jié)論和心得體會測試設(shè)計這在一前我都以為是要遙不可及,但現(xiàn)在通過這次傳感器的課程設(shè)計我明白了并不是如此,只要團隊合作也可以搞定,我多學(xué)了許多的以前課上沒有的知識,比如怎么自己利用簡單的原材料設(shè)計出有用的傳感器,怎么利用電容傳感器測量液位等。通過課程設(shè)計,我們對傳感器這門課程有了更深一步的了解。它是測量技術(shù)里的重要理論技術(shù)基礎(chǔ),在我們測控專業(yè)的學(xué)習(xí)中占據(jù)著十分重要的地位。同時也使我們知道,要學(xué)好這門課程,僅學(xué)習(xí)書本上的知識是不夠的,還要有較強的實踐能力。因為我們學(xué)習(xí)知識就是為了實踐。而只有多實踐,多設(shè)計,才能更好的理解與掌握書本上的東西。另外,電容式液位測量技術(shù)涉及多個領(lǐng)域,由于時間及知識儲備有限,本設(shè)計還有很多需要改進的地方,大致有如下幾方面：電容極板的可靠性及實際測量裝配有待進一步研究。如將系統(tǒng)做成樣機