液位传感器课程设计

1、摘要 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1绪论3 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 引言3电容式液位测量技术的发展4电容式液位测量现状4电容式液位测量存在的问题5电容式液位传感器的发展趋势5 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2本设计的电容式液位测量方法6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 测量原理及实现思路6液体的物理参数对液位测量的影响8 HYPERLINK l boo

2、kmark29 o Current Document 极板设计9 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 液位测量系统的基本构成11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3硬件设计12 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 电源电路设计12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 电容测量电路设计13 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 放大调零电路设计14 HYPE

3、RLINK l bookmark56 o Current Document A/D转换电路设计16 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 4误差分析17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 电容测量误差对精度的影响17 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 影响液位测量的主要因素18 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 5总结19 HYPERLINK l bookmark79 o Current Docume

4、nt 参考文献20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精确测量，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。本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法

5、，解决了 传统电容测量与被测介质有关的技术难题。它可以应用于动态液 位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境 等因素容易发生变化的场合，如车用燃油油位的计量，从而向当 今高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进 了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的 理论和应用价值，前景十分广阔。消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设 计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流 电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现 算法的设计。其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和 寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝

6、缘性能和抗外界 干扰性。最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行 具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。通过理论 计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求 的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。1绪论引言在各种化工、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、界面三种即：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。料位是指固体颗粒

7、粉料块料的高度或表面所在位置称为 料位，如炉罐槽内的颗粒状或粉末状固体物质的体积或高度。界位是指两种或以上的不同比重且不相容的分界面，如油 与水的分界面。用于测量这些参数的传感器称物位传感器，其中根据测量的 物位范围或测量对象不同又分为液位传感器、料位传感器及界位 传感器。液位测量是一门测量气液、液液或液固分界面位置的 测量技术，它包括对测量对象（被测介质及其容器、环境条件）、 测量方法和测量仪表的研究。液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，在一般的生 产工艺加工过程中通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺安全等方面的需要。其次随着生产自动 化程度的不断提高，必须首先

8、对液位测量数据进行控制与调节以 保证自动化生产能够自动控制在最佳状态，再就在现代化的企业 生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采 用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理，所以液位测 量技术也随之提出更高的要求，控制系统也更趋智能化、统一化， 要求测量的对象要广、测量的精度要求高、可靠性要好、测量环 境特殊、实用性要强等。这对测量带来很大的困难，尤其是液面 具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量，被测物具 有粘滞性或是导电介质等等情况时，如何提高测量精度，有时还 要考虑容器的密封性介质、是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和 易爆性等问题对测量要求的影响。因此，为了满足

9、各种不同测量条件的要求，人们研制出适合于各种各样要 求的液位传感器。根据所选液位敏感元件的不同，可以有二十多种液位测量方 法。主要分为直接液位测量法和间接液位测量法。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，具体用途为液位传感器，即把被测液 体的液位变化按一定规律转变为便于放大和传递的电量或非电 量信号的敏感元件及其组装部分。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、Ho

10、neywell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

11、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

12、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，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

13、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

14、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。2本设计的电容式液位测量方法测量原理及实现思路传统电容式液位测量基于圆柱形电容的工作原理。利用被测 介质面的变化引起电容大小的变化。本文改进了电容结构,如图所 示。为横截面图形，采用两块平行平板构成测量电容，其中一块 极板在对角线处进行等分，将被测探头改进为两探头，分别同步 输出两路不同信号。圈13改遇平板式电容结构图Fig3.3 Still ctrne dia giain o f impinve cl flat-plate capacitive设两

15、三的形极板的电容分别为。I和, %为两平行平板的距离，H、刀分 别为三角形极板高度和底边宽度，&、勺分别为空气和液体的介电常数，破测液 位的高度为& 由平行平板公式可推导出：G二二J-.以二立以十弓）（3.10）yy , 2c, = E0+ 方 D&f）（3.11）由式310）、（3.11）可知,在空气、液体介质常数和液位因时间和环境 等因素容易发生变化的场合，上式相当于二元一次方程组，G、为液位叫的 一次戚数，一次顼系数相等导.。气曲）,h中关于液体的介电常数的系数 都为（电-）,为了消除液位叫的二次顶，旦两方程中液位为实际所求变量，于 是。1、马分别对如求微分得到：诉链法叮伽E H-久.竺

16、=jf(3.12)互-宓顽-一-则所求液位高度虹=廿万，只与G和G竹微变之比有关，与敲测介质无关.式3.1?）、313）和。.14）为微分法的具体理论推申 由最终皓果知，液位高 也、*九台破沏M乱誓般的*艇LTI； ./则二G科如茁#42二听J.只适作动态液位测量c对于边界条仲，冼用初咐LI 被测液位的高度信号总经改进型电容传感器测量转换为电容C恂大小，通过 他容电I君换电路辙村直流曰1右号,L 千町.也.发.变乞，屯容仁和W：rn 应皿变，伎设t = 此,其中7气T是-时应IT关系。那么起=/（妃必仃=M。把=岂f ；、心如得出死 曲C）g如 妃gH - 虹 .3.15引）M 圈一wg（h*

17、爵性&一勺）生（。如因为两块电容C在完全暴露和浸没沁情所I、总X小相等,那转换电!R打 R _卜矿=成）公式札等，则1贮）=幻侄）由（3.15从祯将电-& 上 .:;T容微变转换为为床.微变,其中J7丸）和方（知）分别由申：）箱（3.13）得山a液体的物理参数对液位测量的影响被测液体的物理参数是选择液位测量方法的重要依据，它与 液位传感器的输出特性有着密切的关系。其中最主要的物理参数 有密度、电导率、介电常数、声速、液体的表面形状以及腐蚀情 况等。液体的密度大小及其在浮沉式、静压式、称重式以及超声 波液位测量中起着重要作用。在电容式液位测量中，起关键作用 的是液体的电导率、介电常数和液体的腐蚀

18、情况。液体的电导率、介电常数电导率是电阻值的函数，与电阻成倒数关系，反映物体传导 电流的能力。介电常数表征绝缘能力特性的一个系数，反映束缚 电荷能力的大小，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电 场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数 的电导率。液体的腐蚀情况液位测量仪表的被测介质多为水、酸、盐溶液和非导电的液 体如油、醇、酯类等，它们对液位传感器的接触部分都要产生不同 程度的腐蚀作用，使材料的性能变坏、变脆、穿孔、变薄、老化， 影响仪表的测量精度甚至不能正常工作。制作液位传感器的金属 和合金材料与被测液体接触时会产生化学腐蚀与电化学腐蚀；非 金属材料与被测液体接触时会产生溶

19、解、溶胀、变色、发粘、硬 脆、龟裂和机械强度下降等现象，上述现象统称为液体的腐蚀特 性。化学腐蚀是被测液体或液面上的气体与金属材料表面发生化 学作用产生化合物，从而使金属表面遭受破坏。电化学腐蚀是指 在腐蚀过程中，由于有电流产生，从而加速了金属的腐蚀过程， 腐蚀过程中除了受金属的电极电位和生成的腐蚀产物影响外，还 与其他如温度、湿度、压力、金属的内应力和形变有关。随着液 体的温度和浓度的变化，液体的腐蚀能力也不同。传感器选材的 耐腐蚀性能应根据传感器在使用过程中的耐用年限、测量精度和 灵敏度的变化情况而决定。耐用年限通常在12年以上，也可以 根据被测对象的具体情况和设计要求决定传感器的耐用年限

20、。传 感器材料的防腐方法很多，最主要的措施是合理地选用耐腐蚀金 属和非金属材料制作传感器。因此，为了正确地选择传感器的材 料必须了解各种液体的腐蚀情况及其耐腐材料。极板设计极板设计相当于设计一电容传感器，将被测量的变化转换成 电容量变化的一种装置，实质就是一个具有可变参数的电容器。 电容式传感器具有结构简单、动态响应快等突出的优点。随着电 子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断 得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。 电容式传感器的高灵敏度、高精度等独特的优点与其正确设计、 选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在 所要求的量程、温度和压力等

21、范围内，应尽量使它具有低成本、 高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。对于电容极板 的设计，根据液体的物理参数对液位测量的影响分析知，设计中 考虑以下几个方面：减少环境温度湿度等变化所受影响，保证绝缘材料的绝缘 性能。温度变化使传感器内零件的几何尺寸和相互位置及某些介 质的介电常数发生变化，从而改变传感器的电容量，产生温度误 差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。消除和减少边缘效应边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低而且产生非线 性，因此尽量减小并消除它。适当减小极间距，使电极直径或边 长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可 能限制测量范围。电极应做得尽量薄使

22、之与极间距相比很小，这 样也可减小边缘电场的影响。减小和消除寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联影响传感器灵敏度，而它的变 化则为虚假信号，影响传感器的精度。防止和减小外界干扰电容式传感器是高阻抗传感元件，易受外界干扰的影响。当 外界干扰（如电磁场）在传感器上和导线之间感应出电压并与信 号一起输送至测量电路时就会产生误差，甚至使传感器无法正常 工作。通过以上理论分析归纳出，防止和减少干扰的措施有:屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起 来，并可靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘（即屏蔽电缆）， 金属网可靠接地；用双层屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠 接地；传感器与测量电路前置级

23、一起装在良好屏蔽壳体内可靠接 地等等。增加原始电容量，降低容抗。导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线之间要离 的远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时可采 用同轴屏蔽电缆线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或 宽印制线。尽量采用差动式电容传感器。通过完善极板即传感器结构，可以提高灵敏度，减小非线性 误差，减小寄生电容的影响和温度、湿度等其他环境因素导致的 测量误差。除了设计中注意以上事项外，在本电容极板设计中， 如图。为适合在导电和非导电介质中的通用性，在电容平板上镀 有绝缘性的绿釉，实现了测量各种不同介质的要求。液位测量系统的基本构成电容式液位测量系统由电容

24、极板、电容电压转换电路、数据 采集卡和计算机软件构成。如图，将被测液位的两路信号1C和 2C通过电容电压转换电路，处理为两列直流电压信号，通过数据 采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。其中 电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响， 同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。图3.5电容式瘢位测量系统的设计Fig3.5 Capacitiveiqiii 11 evel measiuement syslenis design3硬件设计液位测量系统的整个硬件测量电路如图，可以分以下几部 分：电源电路、电容测量电路、硬件滤波电路和放大调零电路。 为了保证测量精度和抵

25、御温度因素的影响，在硬件电路中所有的 元器件都选用贴片元器件。电源电路设计本系统为12V直流供电，系统内需要+5V电源、对地电源。在实验中，采用功率为35W，输出为12V/3A的直流开关电源。本系统之所以使用+5V电源是为了满足采集卡的需要，且可以在 多种场合广泛使用。具体实现如图所示。14.2 12V/5V电源转换电路Fig4.? 1 7/57 Powa- Conva-sian Circuit图中标号IC1的芯片为MC78L05CP，是美国Motorola公司生 产的电压转换器。MC78L05CP的输入电压为20Vdc，输出电压为， 输出电流最大可达到100mA，工作温度为01250C，该芯

26、片的最 大特点是内部热过载保护及内部短路电流限制。电容测量电路设计测量电容量的方法很多，本设计使用振荡法和差动脉冲宽度 调制法结合实现，实际应用电路分为两部分：脉冲信号产生电路、 信号处理电路。脉冲信号产生电路如图所示。G1SE-图中分别由IC1、RB和CB, IC2、RT和CT组成的两组矩形波图4 （5豚冲毒号产生电路Fig4.6Pid5e signal generate circuitGNDvccG2.Cl 1 IC12 1111 IlrGNDvec4OTTITTL. QUTLFFIL. GKDD? TG.4PVOC+ TREEOI7TFIL QUTLPFH GWVGCt IRES振荡器，

27、其理论频率为f=（RC）。IC1芯片为LM567,是一种常见的低 价解码集成电路，其内部包含了两个鉴相器、放大器、电压控制 振荡器VCO等单元。选用适当的定时元件，可使LM567的振荡 频率在500kHz内连续变化，引脚1、2外接滤波电容。其中CB 为参考电容，CT为被测电容。当电容CT变化时，引脚5RT输出 受CT控制的频率信号，RB始终为固有频率。通过后续信号处理 电路比较两列频率信号，即可变频率脉冲信号宽度对固有频率脉 冲信号宽度的占空比，最终得出被测电容信号电压的实际大小。信号处理电路如图所示，这是图的具体实现电路。参考电容产生的脉冲的占空比为50%，以+5V为参考电压， 则理想直流电

28、压分量为。被测电容产生的脉冲的占空比为1/12, 理想直流电压为参考电容电压的1/6,即得出被测电容为参考电容 的 1/6。放大调零电路设计在实际测量中，被测量电容的变化范围很大，当介质的介电 系数很大时，对应电容就很大，相对应的电压就大；当介质的介 电系数很小时，电容就小，相对应的电压就小。所以设计了放大 调零电路，具体电路如图和所示。图4.1。放大调电网Fi4.10 Atiipli ficati oai and zero adjustment circuit囹4.】1运算散大辑屯路圈Fig4.11 paRtioiicunpliiia circuit diagianiCCTIDUT4INL-

29、IN4-IN1+1N4+VCC-VCC-IN2+JN3+gIN3-OUT2UT5该电路为反相求第运算电蹄根据虚疝T和虚折的原则*求得-l件呈竺竺阳P 把+E .R乱|成凡、时、和运常放大器组成成大借数为（1+判目二.的放 大电跖岩令+即、,财放大i言数为m ，i焰、孙：屈构也减并 电路，调节良和风的阻LT.枷5零点位置,瓦和j构成简单的低通滤波,来消 除高频唉声信号的干扰，通过放大调零电路的处理使得电压信号满足采集卡的需些为后续软件程序提供了有利条件，本设计的液位高度与输出电压的关系A/D转换电路设计在前面硬件电路的设计基础上，完成了对电容信号的处理， 使得输出电压满足采集卡的需要，从而实现A

30、/D模数转换。然后， 通过软件控制程序实现算法。本设计所用的输出电压是05V， 选用的转换芯片是ADC0832。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电 压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时 间仅为32，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接 和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的 实现通道功能的选择。下面是它与单片机的接口电路：将上面得到的电压信号接到输入通道CH0或CH1上，就可以 送入单片机处理了。4误差分析

31、电容测量误差对精度的影响可以从测量原理及电容式液位系统分析出电容测量误差的 来源：电容本身由于是非工业级应用，只为验证课题理论的正确性。在制作 电容极板中，采用绝缘介质为绿釉的PCB形式，平板形状不是绝 对平行，且长期在溶液中易发生形变，在固定时采用边缘小螺丝 固定，会引入一定的杂散电容。信号处理由于在测量方法中采用微分运算处理，相对微变信号理论性 更为准确，可是实现精确的电容频率脉冲计数有一定的难度；另 外在电路板PCB制作过程中，尽管选用了 SMT贴片式元器件，适 当减小了杂散电容等无用信号的干扰，但不可避免的存在着误 差，如在外界电磁干扰下也会发生信号失真，尤其是充放电的电 容值，从而造

32、成系统误差。软件差分运算在对微分法理论进行论证中，通过数据采集 卡采集到的信号用计算机软件程序来控制实现运算，如在液位波 动频繁的情况中，采样值难免会记录错误值，从而对计算结果造 成影响。虽然在电容测量中存在着误差，但是这些误差对所有电 容的作用都一样，在经过不断调试和软件程序平均值滤波等之 后，对液位精度的影响很小。影响液位测量的主要因素在前面已经具体分析了液体本身的物理参数对液位测量的 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

33、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。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。5总结本文针对电容式液位测量需要预先获知被测液体的介电常 数并需要定期标定等不足，提出了一种无需标定且与介质无关的 液位测量方法，不仅能够扩大电容式液位测量的应用范围，而且 测量精度不会随着时间的变化而发生改变，大大提高了液位检测