工业生产料位测量.doc

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重庆邮电大学移通学院

传感器实验报告

实验题目:

工业生产料位测量

班级:

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姓名：

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学号：

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电工电子技术实验中心

工业生产料位测量方案的设计

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，经常需要对料位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。

通常进行料位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。

直接料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料位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。

其中电容式料位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一

一、结构简介

在柱形电容器的极板之间，充以不同高度的介质时，电容量的大小也会有所不同。

因此，可通过测量电容量的变化来检测液位。

上图是一种由两个同轴圆筒极板组成的电容器，在两圆筒之间充以介电常数为的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为

式中L为两极板相互遮盖部分的长度；d与D分别为圆筒形内电极的外径和外电极的内径；为两电极间介质的介电常数。

所以，当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数的积成比例。

这样，将电容传感器（探头）插入被检测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起电容量的变化，从而可检测出物位。

二、传感器的组成

它主要是由细长的不锈钢管（半径为）、同轴绝缘导线（半径为）以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。

该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化,从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

忽略边缘效应（L>>D），则液位为0时，

，（）

当液位变化时，

因此，用此传感器就可以把液位的变化转变为电容的变化。

三电路及测量原理

电容、被加上一个可控高频振荡电源，振荡角频率保持恒定，高频振荡供电电压变化以保证，而做为电路的输出。

因此：

因为

故

将换居一固定电容，其电容值等于（即），将换成测量筒电容。

这样，当液位为0时，，输出为0；当液位增加时，增加，电路输出增加。

当液位为H时，调整满量程旋钮，使电路输出达满量程电流。

这样，就把液位的变化转变为电路输出电流的变化。

四、测量精度分析

根据单元组合仪表原理可知，电路理论输出应为：

式中：

为液位为H时电容变化最大值即。

而实际输出应为：

则误差

将、、代入上式得：

故精度等级为

五、误差分析

误差来源主要包括：

（1）温度对结构尺寸参数的影响

（2）温度对介电常数的影响

（3）结构设计中边缘效应的影响

（4）结构设计中采用绝缘材料的影响

（5）寄生电容的干扰的影响

六、影响液位测量的主要因素及解决方法

（1）电容极板结构对测量的影响

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，寄生电容大、精度低；板间距离小，寄生电容小、精度高。

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。

（2）温度对测量的影响

在不同温度下，传感器所用材料都将发生不同程度的尺寸变化，这些都将影响传感器的精度。

同时，各种介质的介电常数也是随温度的变化而变化的。

所以应当选用适当的温度补偿电路，减小温度带来的影响。

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。

七、心得体会

传感器与测试技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。

许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。

实验就是使学生加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；具有测试系统的选择及应用能力；具有实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使学生初步掌握测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深对理论知识的理解。

测试技术实验课是本门课程的重要环节，其目的是培养学生的分析和解决实际问题的能力，从而掌握机械工程测试技术手段，为将来从事技术工作和科学研究奠定扎实的基础。

通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：

1、了解常用传感器的原理和应用，以及传感器使用的注意事项及各种测试中不同传感器的选择方法。

2、培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论；

3、培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；

我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。

实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。