电容式导电液体液位传感器

1、传 感 器 课 程 设 计 说 明 书电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor学院名称： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 教 授 2012年 1 月电容式导电液体液位传感器专业班级：* 学生姓名：* 指导老师：* 职称：*摘要 在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着

2、工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器 。本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测

3、量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。关键词：液位测量 电容式传感器 测量电路 电容 传感器测量目录第一章 绪论31.1 引言31.2 电容式液位测量技术的发展31.2.1 电容式液位测量现状31.2.2 电容式液位测量存在的问题41.2.3 电容式液位传感器的发展趋势4第二章 实验原理52.1 电容传感器52.2电容传感器实物图62.3 电路结构82.4 实验所需部件82.4.1

4、 差动放大器82.4.1.1 高精度运算放大器的构成82.4.1.2 OP07CP92.4.2 低通滤波器112.4.2.1 低通滤波器的构成112.4.2.2 HA17741 1A1112.4.3 电容变换器122.4.3.1 电容变换器的构成122.4.3.2 CA3140E14第三章 实验结果及数据处理163.1 初次实验163.2 二次实验18第四章 影响液位测量的主要因素19结论和心得体会20致 谢21参考文献22附录：课程设计任务书23第一章 绪论1.1 引言在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控

5、制，以确保生产的正常进行。通常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种，其中液位又显得尤为重要，液位是指积存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐水库水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。用于测量这些参数的传感器称液位传感器液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂，制造成本偏高；市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针读数，

6、不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液面易引起读数的波动；也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案。本文利用圆柱形电容器原理，通过测量导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小而进行监控，设计出一种液位检测装置。使用电容式传感器进行液位测量，具有以下优点：低成本（即对于传感器有比较成熟的技术）、低功耗、高线性度、对应用场合的几何形状有较高的适应性。1.2 电容式液位测量技术的发展 电容式液位测量现状在电容式液位测量这一领域的研究及应用，以美国的DREXELBROOK公司、Honeywell公司为代表的外国公司已经取得了令人瞩目的成就。尤其是DREXELBROOK公司依据其提出的

7、射频导纳原理，推出了射频导纳电容式液位计，它可以克服由于挂料影响产生的测量误差，从而在电容式液位测量这一领域取得了巨大的成功。基于均匀传输线理论的射频导纳电容式液位计有较高的测量精度，可以应用在高温、高压、腐蚀性液位测量场合，有着许多其他类型液位测量仪表无法比拟的优点。当前国外的电容式液位测量仪表的普遍特点是测量精度高、自动化程度高，具有420mA电流输出，采用HART协议、Honeywell协议等智能通讯协议，实现了从主控室到现场仪表的组态和维护。目前，已广泛应用于石油化工业、食品、医疗卫生等领域，一些产品也成功打入我国市场，在我国的液位测量领域占据主导地位。当然随着国内的自主研发，电容式液

8、位测量有所成就，典型的是上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所等部门开发了开关和连续式电容液位计等，但产品性能指标、功能与国外同类产品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。 电容式液位测量存在的问题电容式液位测量具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、无可动部件、不易损坏、使用寿命长、需要作用能量低、并能在恶劣环境工作等优点。相对其他方法液位而言，综合指标最好，但它也存在一些不足，从而影响了它的适用范围和测量精度。电容式液位测量的主要缺点是：电容式传感器本身结构特性决定输出阻抗高、负载能力差电容式传感器的电容量一般很小，仅几十至几百皮法，使得电容式传感器的输出阻抗高，

9、负载能力差，从而易受外界干扰，产生不稳定现象，为此，需采取有效的技术措施，如适当激励频率，采取屏蔽接地措施，尽量缩短传感器的引线来提高抗干扰能力。电容式液位测量的信号处理较困难因电容式传感器的电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容较大，给实现精确的电容信号转换带来困难，为此，从硬件及软件两部分着手，如德国AMG公司开发的模数一体化集成电路CAV424电容电压转换器，单片机进行开发的智能传感器对数据处理运算。 电容式液位传感器的发展趋势随着社会经济的发展，人们越来越重视能源的消耗，提出可持续发展、节约型社会的建设。液位测量技术广泛应用

10、于工业、食品等行业，实时检测液位（如油位的检测）的变化情况，对确保工业生产的正常进行和防止事故的发生有着重要的作用。液位作为物位检测的四大参量之一，其余三个分别为压力、温度、流量等三热工参量的检测，这些参量的检测始终倍受人们的关注，因为不仅这些参量本身重要，同时也因为它们是许多测量的基础。而液位参量作为四大参量之一，其研究开发工作可分为两个大方向来开展。液位传感器的横向发展主要表现为四个方面，即：非接触测量；液位测量系统的智能化；小型化集成化；数字化。液位传感器的纵向发展主要表现为四个方面，即：科学技术的全面发展；科学技术的交叉发展；边沿科学技术；高精度方向发展。第二章 实验原理2.1 电容传

11、感器电容式液位计可以连续测量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及导电液体（比如酒、醋、酱油等）的液位，如图1-1所示。当液位计放入液体中时，导线芯以绝缘层为介质与周围的液体形成柱形电容器。图1由图1可以知道，柱形电容器的电容为CX=2*Hxlnd2d1式中，为导线芯绝缘层的介电常数；Hx为待测水位高度；d1为导线芯的直径；d2为绝缘层的外径；电容式液位计配以适当的测量电路，便可以得到与被测液位成比例的电信号输出。当液位改变时，内外电极间的覆盖面积随之变化，因而引起电容值的变化。可见，电容量与液体高度Hx成线性关系。2.2电容传感器实物图传感器和电路实物图：传感器实物图：2.3 电路结构电路结构

12、图如下：图2由图2所示，可知电路是由电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器构成。2.4 实验所需部件2.4.1 差动放大器.1 高精度运算放大器的构成高精度运算放大器几乎都是作为直流放大器使用，所以认为其频率特性并不重要。高精度运算放大器满足以下三个条件：1.输入失调电压小；2.输入偏置电流小；3.开环增益高；差动放大器的电路图如图3所示：图3差动放大器实现的功能是将信号放大。其需要的主要芯片是1AC156M OP07CP。.2 OP07CPOP07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25

13、V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07的开环增益比通用型运算放大器112dB（typ）高，但GB积与转换速率却比通用型小，全功率（full power）响应频率并不高。其特点是：超低偏移： 150V最大；低输入偏置电流： 1.8nA ；低失调电压漂移： 0.5V/ ；超稳定时间： 2V/month最大；高电源电压范围： ±3V至±22VOP

14、07的外型图片如图4所示：图4其管脚图及内部结构如图5、图6所示。图4为1AC156M OP07CP的管脚图；其中各管脚的连接为：1 VOS 2 -IN3 +IN 4 V-5 NC 6 OUT7 V+ 8 VCS 图5图6图6是1AC156M 0P07CP内部结构图；OP07CP运算放大器的电气特性型名输入失调电压Type（max）偏移电压/(Uv/oC)Type （max）输入偏置电流/nAType（max）转换速率/(V/us)ryp开环增益/d BtypOP07CP60(150)0.7（2.5）2.0（12）0.61122.4.2 低通滤波器顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具

15、，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。滤波器一词的英文是“filter”。理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称LPF。在本实验装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。.1 低通滤波器的构成图7.2 HA17741 1A1由图7可知，应用到的运算放大器是HA17741 1A1。HA17741运算放大器实际上就是uA741，国产型号是F007，相近的简化就是LM324。1，调零2，-IN3,+IN4, U-5, 调零6, OU

16、T7, U+8, NC 图8如图8示，即为HA17741管脚图；它的主要指标为：输入失调电压10mV，开环输入电阻1M 欧，开环增益88100db，单位增益带宽1Mhz，输出开环阻抗60欧，输出电压转换速度0.5V/us。图9如图9示，是HA17741内部电路图；2.4.3 电容变换器.1 电容变换器的构成电容变换器的电路结构如图10所示图10电容变换器的两输入端一个接待测电容Cx,另外一端接定长电容C,定长电容为可调容抗的电容。其目的是提高电容传感器的灵敏度，但同时降低了电容传感器的线性度。电容变换器工作的原理是：将传感器所测得电容量变化转化为输出直流的变化。其中DM74LS20N的作用是产

17、生方波，其输出波形用示波器观察时，其图形为：其中CA3140E的作用是把DM74LS20N产生方波的方波作为输入，然后转化为正弦波，其输出波形用示波器观察时，其图形为：.2 CA3140E1、 图10可知，电容变换器运用到的运算放大器是CA3140E，CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电

18、压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放元件的功能是为了保护MOSFET栅极中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低的输入电流和高速性能，操作电源电压在4V至36V。2、CA3140E元件的引脚如图11所示图113、引脚功能表如图12所示：引脚号功能引脚号功能1偏置调零端5偏置调零端2反向输入端6输出3同向输入端7电源+4电源-8选通端图124、CA3140内部方框图如图13所示：图135、CA3140内部电路图如图14所示：图146、直流电源电压（V+和V -端子）36V最大存储温度范围-65 150差模输入电压8最大结温（塑料封装）150直流输入电压(V+ +8V

19、) (V- -0.5V)最大结温（金属罐封装）175输入端电流1mA温度范围第三章 实验结果及数据处理3.1 初次实验初次进行试验时测量得到的结果如表1所示：高度/cm023456789电压/V第一次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.

20、54-5.44平均值/cm14.1685.7344.2883.2981.17-2.108-3.228-4.312-5.256高度/cm101112131415161718电压/V第一次-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.

21、49-7.39-8.47-9.36-10.01-10.64-11.21-11.76-12.21平均值/cm-6.26-7.218-8.094-9.156-9.746-10.43-10.97-11.57-12.082表1对于初始高度设定时，充分考虑到了定值电容对测量结果的影响，通过调节初始时定值电容的大小，对进入液面以后的电压值进行测量，得到的以上五组试验数据。通过MATLAB，对数据进行处理，得到如图15所示的图像：图15由所测量得到的数据显示，在6-13cm进行测量在线性范围内；在其他区间所得的数据成曲线形势。3.2 二次实验根据表1所得结论，对6-13cm范围的数据进行测量，所得数据如表2

22、所示：高度/cm66.577.588.599.5电压/V第一次-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误差（平均值与拟合直线值之差）-0.07090.0104-0.0083-0.06210.09920.06050.0117-0.002高度/cm1010.51111.51212.513电压/V第一次-6.09-6.66-7.02-7.65-8.12-8.62-9.16第二次-6-6.53

23、-7.05-7.53-8.08-8.46-9.03平均值/cm-6.045-6.595-7.035-7.59-8.1-8.54-9.095误差（平均值与拟合直线值之差）-0.00570.0355-0.03320.01310.0143-0.0544-0.0081表2对表2所得数据，进行处理得到数据如图16所示，再进行一阶曲线拟合得到图16中的直线所示。直线显示：在6-13cm之间为线性范围。图16线性度eL=±LmaxyF.S×100%=1.3807%第四章 影响液位测量的主要因素液体本身的物理参数会对液位测量有影响，包括液体的电导率、介电常数和腐蚀情况等，对测量液位的敏感元

24、件的材料选用起决定性作用。通过实验验证，以下因素在液位测量中起关键性作用：电容极板结构对测量的影响敏感元件电容极板直接感受被测量，电容的准确性对测量至关重要。电容极板本身结构，比如尺寸、长度等直接决定着液位测量的精度。增加初始值，可以使寄生电容和相对电容传感器的电容量较小。电容极板板间距离大，寄生电容就大、精度就低；板间距离小，寄生电容就小、精度就高。所以应根据实际情况，选择合适的电容极板尺寸。另外电容传感器的材料和电信号引线的选用，也会对液位测量的精度产生影响。设定值（或称为阀值）对测量精度的影响阀值是判断是否进行下次采样，从而进行微分运算，是计算液面位置的重要依据，所以对测量精度的影响很大

25、。阈值设置小了，容易将非计算液位判断为计算液位面；置大了又对微分运算产生影响。所以应根据实际情况，选择合适的阈值。结论和心得体会测试设计这在一前我都以为是要遥不可及，但现在通过这次传感器的课程设计我明白了，并不是如此，只要团队合作也可以搞定，我多学了许多的以前课上没有的知识，比如怎么自己利用简单的原材料设计出有用的传感器，怎么利用电容传感器测量液位等。通过课程设计，我们对传感器这门课程有了更深一步的了解。它是测量技术里的重要理论技术基础，在我们测控专业的学习中占据着十分重要的地位。同时也使我们知道，要学好这门课程，仅学习书本上的知识是不够的，还要有较强的实践能力。因为我们学习知识就是为了实践。而只有多实践，多设计，才能更好的理解与掌握书本上的东西。另外，电容式液位测量技术涉及多个领域，由于时间及知识储备有限，本设计还有很多需要改进的地方，大致有如下几方面：电容极板的可靠性及实际测量装配有待进一步研究。如将系统做成样机或成品，还需要进一步研究系统的可靠性和影响精度的各因数的相关性等。致 谢经过本课程设计，我学到了许多关于传感器的知识，我的动手能力有一定的提高，从中也体验到很多乐趣。设计过程