電容式液位傳感器設計

1、目錄第1章 摘要.2第2章 引言.3第3章 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)與測量原理.43.1電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu).43.2電容式液位傳感器的工作原理.6第4章測量電路設計.94.1測量電路.94.2整流電路.134.3放大電路.13第5章 誤差分析.145.1機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響.145.2測量電路的影響.15第6章 結(jié)論.15心得體會.15參考文獻.16 第1章 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)常需要對液位進行精確測量，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

2、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。目前國內(nèi)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。車用燃油油位的計量，從而向當今高精度、數(shù)字化、集成化、智能本設計采用一種與介質(zhì)無關(guān)的電容式液位測量方法，解決了傳統(tǒng)電容測量與被測介質(zhì)有關(guān)的技術(shù)難題。它可以應用于動態(tài)液位測量，尤其是在被測液體本身介質(zhì)常數(shù)和液位，隨時間和環(huán)境等因素容易發(fā)生變化的場合，如化的科學技術(shù)全面發(fā)展更邁進了一步，對滿足石油化工等液位檢測領(lǐng)域的迫切

3、需求具有重大的理論和應用價值，前景十分廣闊。消除電容式液位測量方法中介質(zhì)介電常數(shù)的因素是關(guān)鍵，設計符合測量方法的電容極板，通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路處理為直流電壓信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集后送入單片機或計算機，最終實現(xiàn)算法的設計。其中電容極板設計時需注意消除和減小邊緣效應和寄生電容的影響，同時要保證平板電容良好的絕緣性能和抗外界干擾性。最后在整體設計和理論分析的基礎(chǔ)之上，從硬件各部分進行具體的設計，包括硬件電路和各環(huán)節(jié)的信號量匹配等。通過理論計算和數(shù)據(jù)分析，驗證了此液位儀具有良好的性能，達到了要求的技術(shù)指標，同時指出了需要改進和完善的地方。第2章引言電容式傳感器利用了非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化來實現(xiàn)

4、對物理量的測量。電容式傳感器廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，并正逐步擴大到壓力、差壓、液面（料位）、成分含量等方面的測量。電容式傳感器具有以下幾個特點：1）機構(gòu)簡單，體積小，分辨力高；2）可實非接觸式測量；3）動態(tài)效應好。電容式傳感器的固有頻率很高，因此動態(tài)效應時間短，且其介質(zhì)耗損小，可使用較高的工作頻率，可用于測量高速變化的參數(shù)；4）溫度穩(wěn)定性好。它本身發(fā)熱量極小；5）能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作6）電容量小，功率小，輸出阻抗高，因此，負載能力差，易受外界抗干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。第3章 電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理3.1電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式傳感器是把被

5、測的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容量變化的一種傳感器。這些被測量是用于改變組成電容器的可變參數(shù)而實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器的基本工作原理可以用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為： （1）公式中 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； A 兩平行板所覆蓋的面積； d 兩平行板之間的距離。因此只要改變其中的一個參數(shù)，就會引起電容量的變化，根據(jù)這一電容結(jié)構(gòu)關(guān)系可構(gòu)成變極距電容傳感器，變面積型電容傳感器和變介質(zhì)型傳感器、用于測量液位的電容式傳感器。是利用容器中的物料為恒定的介電常數(shù)時，極間電容正比于液位的原理而構(gòu)成的，并

6、應用電子學方法測量電容值，從而探測液面位置信息。特點是液位測量只與電容結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物料的密度無關(guān) 根據(jù)這一特點，可采用圓筒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成變面積型的液位傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)的探頭是由這兩個電極極板構(gòu)成，通過氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來探測物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡單輕巧，便于安裝、維護與使用。 電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）適用于導電容器中的絕緣液體的液位測量，且容器為立式圓筒形，容器壁為一極，沿軸線插入裸金屬棒作為另一極電極，其間構(gòu)成的電容 CX 與液位成比例，也可懸掛帶重錘的軟導線作為電極。圖1 電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)圖1（b）適用于非金屬容器，或雖為金屬容

7、器但非立式圓筒形，液體為絕緣性的，這時在棒狀電極周圍用絕緣支架套裝金屬筒，筒上下開口，或整體上均勻分布多個孔，使內(nèi)外液位相同。中央圓棒及與之同軸的套筒構(gòu)成兩個電極，其間電容和容器形狀無關(guān)，只取決于液位，這種結(jié)構(gòu)的物位傳感器最適合于液位測量，對于粉粒測量容易產(chǎn)生滯留物在極間。圖1（c）用于導電性液體，其形狀和位置和圖1（a）一樣，但中央圓棒電極上包有絕緣材料，電容CX是由絕緣材料的介電常數(shù)和待測液位高度決定的，與液體的介電常數(shù)無關(guān)，導電液體使筒壁與中央電極間的距離縮短為絕緣層的厚度，液位升降相當于電極面積改變。3.2電容式液位傳感器的工作原理導電液體電容式傳感器主要利用傳感器兩電極的覆蓋面積隨被

8、測液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化的關(guān)系進行液位測量，屬于面積變化型電容傳感器。以圖1（a）為例 設導電容器直徑為D，中央電極直徑為d，上部空氣的介電常數(shù)為1，下部液體的介電常數(shù)為2,電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為H1，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫出空氣部分的電容數(shù)學模型為： （2） 液體部分的電容為： （3） 如果忽略雜散電容及端部的邊界效應后，則兩電極間的總電容為： = (4)其中：表示被測電容；為初始電容，液體為零時測出的電容，這個電容可以在初始標定時消除；表示被測液位的高度;表示傳感器的靈敏度；電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝，則如圖2所示，其中圖2（a）為結(jié)構(gòu)圖，圖

9、2（b）為等效電路圖。 圖2 帶有絕緣層的電極圖及相應的等效電路圖設電極絕緣層的直徑為D1，容器直徑為D，電極直徑為d，各電容值的介電常數(shù)見圖示：其中，電極絕緣層電介質(zhì)的介電常數(shù)為，液體電介質(zhì)的介電常數(shù)為 空氣電介質(zhì)的介電常數(shù)為。等效電路中的 C1表示與液位無關(guān)的雜散電容 ，C2表示空氣部分的電極絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為： (5)C3 表示在空氣介質(zhì)的電介質(zhì)的電容，其值為： (6)C4 表示液體中電極絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為： (7) 表示被測液體為電介質(zhì)的電容，其值為： (8)由圖2（b）可知，與 是串聯(lián)關(guān)系，與也是串聯(lián)關(guān)系，將這兩個串聯(lián)電路又與并聯(lián),故得： (9)對于確定的介質(zhì)而言

10、，式中的C0為前兩項的常數(shù)和，可以看作不變的初始電容，而第三項可看作是靈敏度K1與H1之積，當容器中的液體為導電介質(zhì)時，C5=0，則： （10）由以上分析可得,測量兩種液體間的界位時，果均為不導電液體，采用裸露電極。若其中有一種為導電液體，就必須用包絕緣層的電極，式（3）和（8）都是測量不導電的液位值，其靈敏度與兩種介電常數(shù)的差成正比，因此，當兩種液體的密度相同，而介電常數(shù)相差很大時，采用電容法則更有價值。具有粘性的導電介質(zhì)的液體即使采用絕緣層的電極，會產(chǎn)生掛料現(xiàn)象，使測量誤差較大，不能得到滿意的真實液位的測量結(jié)果。第4章 測量電路設計4.1測量電路本設計采用二極管T形網(wǎng)絡（雙T電橋）如下圖所

11、示。它是利用電容器充放電原理組成的電路。其中e是高頻電源，提供幅值電壓為E的對稱方波；C1和C2為差動電容傳感器；D1和D2為兩只理想二極管；R1和R2為固定電阻，且R1=R2；RL 為負載電阻（或后接儀器儀表的出入電阻）。 該電路的工作原理如下：當電源為正半周時，二極管D1導通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負載RL供電；與此同時，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（b）所示。當電源e為負半周時，二極管D2導通而D1截止，其等效電路如圖（c)所示。此時電容C1很快

12、充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負載RL供電；與此同時，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（c）所示。利用電路分析可以求得電源e的負半周內(nèi)電路的輸出為：式中，為電容C1的放電時間常數(shù)。同理，在電源e的正半周期內(nèi)電路的輸出為式中，為電容C2的放電時間常數(shù)。由此可得輸出電流的平均值為式中，f為電源e的頻率；k1、k2為系數(shù)，輸出電壓的平均值為適當選擇電路中元件的參數(shù)以及電源頻率f，則上式中指數(shù)項所引起的誤差可以小于1%。式中，k為常數(shù)，為電容傳感器測量時的電容變化量。二極管T形網(wǎng)絡電路特點：（1）e，C1 ，C2接地 ；（

13、2）工作電平高，D1 ，D2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)；（3）輸出電壓高；（4）輸出阻抗與C1 、C2無關(guān)，與R1 ，R2同數(shù)量級，可用mA或mA表直接測量；（5）RL影響電容放電速度，宜小些，RL1kW時，上升時間20ms，可測量動態(tài)信號 。4.2整流電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號所用的轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809，它僅能將單極性電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以我們將測量電路轉(zhuǎn)換后的電壓先經(jīng)整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路將輸入電壓變?yōu)閱螛O性電壓供給放大電路。4.3放大電路由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大，如圖4-3所示，采用最基本的比例運算反放大電

14、路.圖4-3放大電路要將30mV電壓放大成10V，根據(jù)公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=1000K,R2=6K，R4=R1/R2后邊的是一個反相器，把第一個運放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=2K,R6=R3/R5。第5章 誤差分析5.1機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響從公式與分析方法中可以看出：傳感器的電容量是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，溫度的變化會引起內(nèi)外圓筒直徑的變化，從而引起電容量的變化，導致測量誤差，所以，選用制作電容的材料的線膨脹系數(shù)應足夠小，如，選用鋁合金材料，線膨脹系數(shù)為230 xl0 ，可以滿足使用要求；如果采用合適的非金屬材料，其變形系數(shù)會更小。在高精度要求的場合下，還可以通過測量溫

15、度，進行溫度修正，以達到更高的測量精度。為了減小加工和裝配對電容量與液位關(guān)系的影響，應盡量提高加工精度，保證二圓筒的直徑精度，特別是裝配時要保證二筒軸線的平行度。5.2測量電路的影響由于測量電路電纜存在分布電容，這種即使每米幾pF的影響要獲得高的測量精度也是不能接受的。因此，在使用屏蔽電纜防止引入干擾的同時，還應采取驅(qū)動屏蔽技術(shù)，使電纜的影響降到最小。第6章 結(jié)論當被測介質(zhì)物位變化時，傳感器電容量發(fā)生相應變化，電容量的變體 Cx 通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與物位成比例的直流電壓信號，間接測量出液位H1。心得體會經(jīng)過了一個多星期的課程設計，總的來說基本完成了課設的任務要求，使理論與實踐相結(jié)合，學到了很多知

16、識。設計的過程也是專業(yè)知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業(yè)知識的學習。首先，一個設計是結(jié)合科研課題，把學過的專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業(yè)知識，并把所學的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。此外，我們在這種自己動手的設計中，對所學專業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的分析。在此我感謝老師對我的幫助和鼓勵！總之，這次的課程設計對我來說說是一個很好鍛煉自己的機會！參考文獻：1. 單成祥 牛彥文 張春 傳感器設計基礎(chǔ) 國防工業(yè)出