电容式液位传感器设计Word文档格式.docx

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第1章摘要

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。

车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，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。

第2章引言

电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。

电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。

电容式传感器具有以下几个特点：

1）机构简单，体积小，分辨力高；

2）可实非接触式测量；

3）动态效应好。

电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；

4）温度稳定性好。

它本身发热量极小；

5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作

6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。

第3章电容式液位传感器的结构与测量原理

3.1电容式液位传感器的结构

电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：

（1）

公式中

——电容极板间介质的介电常数；

A——两平行板所覆盖的面积；

d——两平行板之间的距离。

因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。

是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。

特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。

其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。

电容式液位传感器的电极结构如图1所示。

图1（a）适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容CX与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为电极。

图1电容式液位传感器的电极结构

图1（b）适用于非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，液体为绝缘性的，这时在棒状电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使外液位相同。

中央圆棒及与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于液位，这种结构的物位传感器最适合于液位测量，对于粉粒测量容易产生滞留物在极间。

图1（c）用于导电性液体，其形状和位置和图1（a）一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容CX是由绝缘材料的介电常数和待测液位高度决定的，与液体的介电常数无关，导电液体使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，液位升降相当于电极面积改变。

3.2电容式液位传感器的工作原理

导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量，属于面积变化型电容传感器。

以图1（a）为例设导电容器直径为D，中央电极直径为d，上部空气的介电常数为ε1，下部液体的介电常数为ε2,电极总长为H0，浸没在液体中的长度为H1，则根据同心圆筒状电容的公式可写出空气部分的电容数学模型为：

（2）

液体部分的电容为：

（3）

如果忽略杂散电容及端部的边界效应后，则两电极间的总电容为：

=

（4）

其中：

表示被测电容；

为初始电容，液体为零时测出的电容，这个电容可以在初始标定时消除；

表示被测液位的高度;

表示传感器的灵敏度；

电极包有绝缘层后，若与容器同心安装，则如图2所示，其中图2（a）为结构图，图2（b）为等效电路图。

图2带有绝缘层的电极图及相应的等效电路图

设电极绝缘层的直径为D1，容器直径为D，电极直径为d，各电容值的介电常数见图示：

其中，电极绝缘层电介质的介电常数为

，液体电介质的介电常数为

空气电介质的介电常数为

。

等效电路中的C1表示与液位无关的杂散电容，C2表示空气部分的电极绝缘层为电介质的电容，其值为：

（5）

C3表示在空气介质的电介质的电容，其值为：

（6）

C4表示液体中电极绝缘层为电介质的电容，其值为：

（7）

表示被测液体为电介质的电容，其值为：

（8）

由图2（b）可知，

与

是串联关系，

与

也是串联关系，将这两个串联电路又与

并联,故得：

（9）

对于确定的介质而言，式中的C0为前两项的常数和，可以看作不变的初始电容，而第三项可看作是灵敏度K1与H1之积，当容器中的液体为导电介质时，C5=0，则：

（10）

由以上分析可得,测量两种液体间的界位时，果均为不导电液体，采用裸露电极。

若其中有一种为导电液体，就必须用包绝缘层的电极，式（3）和（8）都是测量不导电的液位值，其灵敏度与两种介电常数的差成正比，因此，当两种液体的密度相同，而介电常数相差很大时，采用电容法则更有价值。

具有粘性的导电介质的液体即使采用绝缘层的电极，会产生挂料现象，使测量误差较大，不能得到满意的真实液位的测量结果。

第4章测量电路设计

4.1测量电路

本设计采用二极管T形网络（双T电桥）如下图所示。

它是利用电容器充放电原理组成的电路。

其中e是高频电源，提供幅值电压为E的对称方波；

C1和C2为差动电容传感器；

D1和D2为两只理想二极管；

R1和R2为固定电阻，且R1=R2；

RL为负载电阻（或后接仪器仪表的出入电阻）。

该电路的工作原理如下：

当电源为正半周时，二极管D1导通而D2截止，其等效电路如图（b）所示。

此时电容C1很快充电至E，电源e经R1以电流I1向负载RL供电；

与此同时，电容C2经R2和RL放电，放电电流I2（t）。

流经RL的电流IL（t）是I1和I2（t）之和，他们的极性如图（b）所示。

当电源e为负半周时，二极管D2导通而D1截止，其等效电路如图（c）所示。

流经RL的电流IL（t）是I1和I2（t）之和，他们的极性如图（c）所示。

利用电路分析可以求得电源e的负半周电路的输出为：

式中，

为电容C1的放电时间常数。

同理，在电源e的正半周期电路的输出为

为电容C2的放电时间常数。

由此可得输出电流的平均值

为

式中，f为电源e的频率；

k1、k2为系数，

输出电压的平均值

适当选择电路中元件的参数以及电源频率f，则上式中指数项所引起的误差可以小于1%。

式中，k为常数，

为电容传感器测量时的电容变化量。

二极管T形网络电路特点：

（1）e，C1，C2接地；

（2）工作电平高，D1，D2工作在线性区灵敏度与电源幅值和频率有关；

（3）输出电压高；

（4）输出阻抗与C1、C2无关，与R1，R2同数量级，可用mA或A表直接测量；

（5）RL影响电容放电速度，宜小些，RL＝1k时，上升时间20s，可测量动态信号。

4.2整流电路

将模拟电压转化为数字信号所用的转换芯片为ADC0809，它仅能将单极性电压转换为数字量，所以我们将测量电路转换后的电压先经整流电路、滤波器和稳压电路将输入电压变为单极性电压供给放大电路。

4.3放大电路

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图4-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.

图4-3放大电路

要将30mV电压放大成10V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=1000K,R2=6K，R4=R1//R2后边的是一个反相器，把第一个运放得到的电压反相成正的，其中R3=R5=2K,R6=R3//R5。

第5章误差分析

5.1机械结构参数的影响

从公式与分析方法中可以看出：

传感器的电容量是结构参数的函数，温度的变化会引起外圆筒直径的变化，从而引起电容量的变化，导致测量误差，所以，选用制作电容的材料的线膨胀系数应足够小，如，选用铝合金材料，线膨胀系数为23．0xl0／℃，可以满足使用要求；

如果采用合适的非金属材料，其变形系数会更小。

在高精度要求的场合下，还可以通过测量温度，进行温度修正，以达到更高的测量精度。

为了减小加工和装配对电容量与液位关系的影响，应尽量提高加工精度，保证二圆筒的直径精度，特别是装配时要保证二筒轴线的平行度。

5.2测量电路的影响

由于测量电路电缆存在分布电容，这种即使每米几pF的影响要获得高的测量精度也是不能接受的。

因此，在使用屏蔽电缆防止引入干扰的同时，还应采取驱动屏蔽技术，使电缆的影响降到最小。

第6章结论

当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体△Cx通过转换器转换成与物位成比例的直流电压信号，间接测量出液位H1。

心得体会

经过了一个多星期的课程设计，总的来说基本完成了课设的任务要求，使理论与实践相结合，学到了很多知识。

设计的过程也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。

首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。

其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。

此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。

在此我感老师对我的帮助和鼓励！

总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！

参考文献：

1.单成祥牛彦文春传感器设计基础国防工业2007年第1版

2.艾敏感材料与传感器化学工业2004年第1版

3.丁镇生传感器及传感器技术应用电子工业1998年第1版

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5.何希才传感器及其应用电路电子工业2001年第1版

6.吴东鑫新型实用传感器应用指南电子工业1998年第1版

7.继文传感器与应用电路设计科学2002年第1版

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