反应釜液位控制电路信号变换综合设计课程设计.docx
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反应釜液位控制电路信号变换综合设计课程设计
题目：
反应釜液位控制电路课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
测控技术与仪器
学号
学生姓名
专业班级
设计题目
反应釜液位控制电路
课程设计（论文）任务
设计任务：
采用电容式液位传感器设计一个控制电路，设计放大、电压比较和输出控制电路等信号处理电路；关闭进料电磁阀。
用于测量和控制反应釜内为粘稠的胶状液体的高度。
进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。
设计要求：
反应釜内为粘稠的胶状液体，液体的温度基本恒定保持为30℃。
采用电容式液位传感器，设计传感器放大电路，将液位信号转变为标准电压信号，利用电压比较器和与反应釜设定的液位（电压表示）相比较，（液位高度2米，设定液位为1米）。
液位高于液位上限时，关闭进料电磁阀。
说明书要求：
1.格式规范，符合学校要求；
2.说明书中应有液位控制电路设计方法比较与论证方案，电路原理及具体的实现方案，电路器件型号、参数等；自行设计，焊接电路板。
3.硬件电路应由protel绘制；不能采用单片机设计。
4.按规则格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天）
2、选择相应的传感器、设计硬件电路图。
（2天）
3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。
（3天）
4、仿真调试或硬件电路板焊接、调试。
（2天）
5、撰写、打印设计说明书（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
液位的检测在现代工业生产过程中具有重要的地位。
一方面通过液位的检测可确定容器里的原料、半成品或成品的数量，以保证能连续供应生产中各个环节所需的物料或进行经济核算；另一面是通过检测，连续监测或调节容器内流入和流出物料的平衡，使之保持在一定的高度，使生产正常进行，以保证产品的质量、产量和安全。
本设计主要为了控制反应釜液位高度而设计，全部采用模拟电路进行设计，没有采用任何数字芯片，选用电容式液位传感器进行设计，设计包括传感器检测信号、放大、滤波、电压比较和输出控制等信号处理电路，当液位到达某一上限值后将电磁阀关闭等动作。
整个设计中运用了很多信号转换电路，帮助初学者很好的了解测控电路的基本知识与基本的模拟电路设计。
关键词：
液位、电容式传感器、反应釜、模拟电路；
目录
第一章绪论1
第二章课程设计方案论证2
2.1系统设计原理2
2.2系统电路设计方案对比2
2.3系统整体框图设计3
第三章整体硬件电路设计4
3.1反应釜的介绍4
3.2传感器设计4
3.2.1传感器原理4
3.2.2传感器的组成5
3.2.3测量原理5
3.2.3直流稳定电路设计6
3.2.4将电容转化成电信号部分7
3.2.5电信号放大电路设计7
3.2.6电压比较电路设计8
3.2.7控制电路设计9
第四章测试与仿真10
4.1仿真的发展与其意义10
4.2仿真的步骤10
4.3本设计的仿真11
4.3.1降压电路的仿真11
4.3.2稳压电路仿真12
4.3.3传感器电压仿真13
4.3.4放大电路的仿真14
4.3.5电压比较器的仿真15
第五章课设总结16
参考文献17
附录18
第一章绪论
在科学技术高速发展的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在日常生产、生活过程中，主要依靠检测技术来对信息进行获取、传输和处理。
在现代工业生产中，主要依靠检测技术来实现自动控制、自动调节，它是自动控制系统的感受器官，通过这个感受器官了解他们的特性、状态的物理量，如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分等信息。
对这些信息参数大小、变化速度等进行监督和控制，就能是生产过程处于最佳状态，做到安全、经济，最终达到预期的结果。
液位的检测在现代工业生产当中是一个重要参数，检测并控制液位能更好的进行工业生产，达到安全、经济、方便快捷。
本设计即为工业反应釜液位实时监测系统，为了对液位这一参量达到更好的检测与内部溶液的要求，本设计选用电容式液位传感器，电容式传感器电路结构简单、实用，易于现场控制，并且由于它的测量原理使它可以适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示。
随着数字电子电路的广泛发展，以及相比之下在某些领域数字电路能更好的代替模拟电路，使得模拟电路的设计渐渐的走出人们视线，这是一个错误的观点，模拟电路更不能让我们初学者忽视，并且我们要更好的了解掌握模拟电路，它是电子电路的基础，是学习的基本掌握要求。
本设计就以模拟电路为主要设计出发点来设计整个系统。
整体看来，本设计并不是很完美，含有很多方面的缺点，相对现在工业上使用的系统有些落后，但这个设计能很好的传授基础设计理念。
本系统电路设计包括信号放大电路设计、滤波电路设计、信号转换电路设计、电压比较电路与输出控制电路设计，其中还包括很多基本的模拟电路设计，很多基本器件的使用规则，并且整个电路设计与控制不含有数字电路部分（不含有数字控制芯片），能更好的方便初学者了解并掌握模拟电路的基础与模拟电路的设计。
第二章课程设计方案论证
2.1系统设计原理
由于工业反应釜多为圆筒式机械结构，因此本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。
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。
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。
从放大电路出来的是模拟量，在对此信号进行滤波等处理，最终将稳定的电压信号与反应釜设定的电压值进行电压比较，输出两种情况的电压值来触发电磁阀的开关。
2.2系统电路设计方案对比
由于对液位检测的传感器众多，但此设计规定为电容式传感器，但其后的信号转换与处理电路方案需要自行设计，所以需要选出最佳方案。
电容式液位传感器需要将电容值转换为电压值或者频率值，这需要设计信号转换电路，电容式转换电路重要为C/F与C/V两种转换，电路方案很多，如电桥平衡式、振荡器式、谐振式、脉冲调宽式、运算放大式等电路。
每种方案都有自己的优缺点，这里就不一一列举，给出一个图片进行比较。
本设计选用电桥电路进行设计。
图2.1各种检测电路优缺点比较
对于电压比较器电路的设计与实现，由于控制端只需要两种电平情况，所以电压比较器不需要过于复杂电路，本设计选用比较好的电压比较芯片:
LM339,此芯片为四电压比较器集成电路，选用一个部分连接成基本电压比较器，将运放的反相端接参考电压，同相端接传感器输出并经过放大的电压。
2.3系统整体框图设计
整体框图相当于一个整体设计思想，本系统相对于一个“反馈系统”，从反应釜出到最后去控制反应釜。
具体框图如下：
图2.2系统整体框图
第三章整体硬件电路设计
3.1反应釜的介绍
反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。
如图所示：
图3.1不锈钢反应釜图3.2反应釜
3.2传感器设计
3.2.1传感器原理
电容式液位传感器是通过电容传感器把液位转换成电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求得液位数值。
本系统采用的电容式液位传感器系统，它利用被测液体的导电率,通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压信号,在传送到后面的各个单元电路，最后根据最终信号进行电路控制环节，使反应釜内的液位保持在一定的范围内，到达最终的目的。
3.2.2传感器的组成
电容传感器对液位测量的原理图如图3.3所示。
它主要是由细长的不锈钢管做外电极（半径为R）、同轴绝缘导线为内电极（半径为r）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。
图3.3传感器原理图
3.2.3测量原理
由图3.3可知,当可测量液位h=0时,外电极与内电极构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0,根据文献资料得到电容量为:
（1-1）
式中,C0为电容量,单位为F；ε为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m；L为液位最大高度；R为外电极半径；r为内电极半径,单位为m。
当可测量液位为h时,内电极与外电极之间存在电容Ch:
（1-2）
式中,ε0为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m。
因此,当传感器内液位由零增加到h时,其电容的变化量ΔC可由式（1-1）和式（1-2）得
（1-3）
由式可知,参数ε0,ε,R,r都是定值。
所以电容的变化量ΔC与液位变化量h呈近似线性关系。
因为参数ε0,ε,R,r,L都是定值,由式（1-2）变形可得:
Ch=a0+b0h（a0和b0为常数）可见,传感器的电容量值Ch的大小与电容器浸入液体的深度h成线性关系。
由此,只要测出电容值便能计算出液位。
了解到液位的情况就可以对反应釜进行控制。
3.2.3直流稳定电路设计
直流稳压电路包括：
变压器降压、整流电路、滤波电路、稳压电路。
变压器降压的目的是将比较高的电压通过变压器转变降压到所需要的电压值。
变压器内部为电感线圈。
整流电路的目的是将交流分量的电压值变为直流分量，完成这一任务主要依靠二极管的单向导电的特性。
滤波电路在于滤除整流后的电压，将整流后的直流电压的纹波滤除到，是电压值含有很少的干扰电压。
通常选用电容滤波电路
稳压电路目的是将电压稳定在一定的数值上，是电压以一定的值输出，降低电压的波动，为电路提供稳定的电压值。
图3.4稳压电路
3.2.4将电容转化成电信号部分
本系统采用电桥式测量电路来转换。
将电容传感器作为其中一个桥臂，其他三个桥臂为固定的电容值，四个桥臂的供电由变压器对12V电压降压取得，具体电路图如下图所示。
图3.5运算放大器测量电路原理图
图中，V1是交流电源电压，并经过T1将电压降为传感器电路需要的电压值。
C1、C2、C3是固定电容，C4是传感器电容，连接在电桥电路的四个桥臂上，Uo是输出信号电压。
根据文氏桥式电路工作原理可知，当两对相对桥臂的电容值乘积相等时，输出值为0，即为电桥平衡条件。
（1-4）
又因为C4为传感器电容，有电容式传感器原理得C4=εA/d，其中ε、A为固定值，d为液位上升改变值，所以能得出电容的改变量与液位上升的关系，根据电桥式转换电路就能得出传感器输出电压值与反应釜液位的情况。
3.2.5电信号放大电路设计
由于从传感器得出的电压一般在0~50mv之间，电压信号微弱并且太小而不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图3.5所示，采用最基本的比例运算反放大电路.
图3.6比例运算放大电路
本设计采用两级运算放大器进行放大，如图所示，放大增益为
（1-5）
由图中的电阻值计算得放大增益为200被。
可以完全满足后续电路的使用。
3.2.6电压比较电路设计
模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路，比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系。
比较器输入的是模拟量，输出的是数字量。
电压比较电路的作用是将放大电路放大的电压信号与基准电压进行比较，电压比较器输出的只有两种电平模式：
“1”；“0”。
为后续控制电路的开关模式提供输入。
图2.7基本电压比较电路
图中，U1为输入的参考电压，U2为输入的放大电压值，在输出点接个4.7k的上拉电阻，目的是使输出的电平嵌在稳定的电平值上。
3.2.7控制电路设计
控制电路采用继电器进行控制，电路原理图如下
图2.8控制电路图
图中，K1为继电器，三极管处于开关状态，VCC为12V的直流电源。
当U=0，三极管处于截止状态，此时没有电路通过K1，因此继电器不工作；当U=1，三极管处于饱和导通状态，此时12V电压加在电路上，继电器K1开始进行工作，K1常开触头闭合，控制反应釜阀门的电动机转动。
第四章测试与仿真
4.1仿真的发展与其意义
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。
最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。
其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。
系统的设计完成后要进行应用，由于一个系统是在于理论上的设计，没有考察很多现实情况，因此会有很多不足与漏洞。
仿真就是我们的试用过程，当一个系统设计完成后我们要考察其可靠性，通过测试与仿真的观察，我们可以得出这个系统在实际中存在的缺陷与不足之处，这样方便我们进行改正，有助于我们更好的完善一个系统的设计。
4.2仿真的步骤
对于每一个成功的仿真研究项目,其应用都包含着特定的步骤。
不论仿真项目的类型和研究目的有何不同，仿真的基本过程是保持不变的，要进行如下9步：
1.问题定义
2.制定目标
3.描述系统并对所有假设列表
4.罗列出所有可能替代方案
5.收集数据和信息
6.建立计算机模型
7.校验和确认模型
8.运行模型
9.分析输出
4.3本设计的仿真
电子电路设计的仿真软件目前有很多种,例如：
美国NI公式的mulsitim，美国MathWorks公司的matlab，瑞士PleximGmbH公司plecs，Altium公司生产的protel等等软件。
本设计属于基本的模拟电路仿真，所以选择比较好用的仿真软件mulsitim。
4.3.1降压电路的仿真
图4.112V降压仿真
图4.2波形图
图中为220V电压将为12V电压，由图中两个电压波形对比可明显看出电压的幅值下降程度，并且由图4.1可以看出具体数字为11.99V。
4.3.2稳压电路仿真
图4.3电路中各点电压值
图中第一个电压表为降压后的电压值；第二个电压表值为整流后的电压值，为直流电压；第三个电压表值为稳压电压值。
图4.4整流电路仿真
图4.5滤波稳压后电路仿真
如图可以看出整流后电压为直流电压，并且电压上有明显的纹波电压波动，经过滤波后明显的消除的纹波电压的干扰，电压值为恒定的电压输出。
4.3.3传感器电压仿真
图4.6传感器仿真
图4.7传感器输入与输出波形
图4.6显示的为假设液位占最高液位百分之八十的时候传感器输出的数值，只要微小的改变就能引起电压的变化，可以从数值中看到电压值很小，需要后续的放大电路进行放大。
图4.7为输入与输出的波形，可以看出传感器输出的波形上有纹波，这点可以再前面加个滤波电路处理掉。
如图所示
图4.8滤波后传感器的图
4.3.4放大电路的仿真
图4.9放大仿真
图4.10放大电路波形图
图4.8中电路表显示各级的电路图，可以明显的看到放大倍数为200被，图4.9为波形图，可以明显的看出波形幅值的不同。
4.3.5电压比较器的仿真
图4.11电压比较器输出波形
图为电压比较器输出波形，正弦波形为输入波形，模拟参量；方波为输出波形，数字参量。
连个波形的交接处为所设置的参考电压点。
第五章课设总结
经历的一周的课设到此落下帷幕，从开始的审题到最后的仿真，到现在的论文的编写，攻破了很多模拟电路的知识。
这是一个模拟电路的课设，从开始到最后大多电路的设计都使用的是模拟电路的设计，这很好的为我们实践下以前学习过的模拟电子电路设计与传感器应用，本课设规定要求使用电容式传感器，对于电容式传感器了解甚少，只知道理论上的知识与原理，还有基本的转换电路，对于这些东西没有真正的使用过，在本次设计中，查阅了很多关于电容式传感器应用的实例，也很好的应用在本次设计上，同时也补缺上这方面的知识，对于后面电路的设计，如放大电路、滤波电路、电压比较电路、控制电路，都积极的查阅书本与网络资料，找出比较基本的电路进行设计，这样能更好的掌握模拟电路的基础。
对于电压比较器的设计，是本次设计中学习最都的一个环节，查阅很多关于比较器的资料与目前比较器常用的型号芯片。
电路的仿真是本次设计最重要的一个环节，multisim是一款很好的模拟电路仿真软件，本次设计接触到很多模拟器件，在仿真中对这些器件不会使用，通过查资料解决了这些问题，并学到了关于此款软件的仿真应用，此外，根据这次仿真的波形，了解到一些电路输入与输出的波形图，例如：
稳压电路中桥式整流的输出波形中的纹波，滤波电路对纹波的滤除；变压器降压的体现；电压比较器的工作波形等等。
本次设计的系统的可靠性并不是绝对的完美，只是在软件中实施的仿真的考察，并没有对实际中环境因素的加入，所以当使用本系统时还用进行更加完善的处理。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006
[2]张国雄.测控电路.北京：
机械工业出版社，2011
[3]宋文绪.传感器与检测技术.北京：
高等教育出版社，2009
[4]蒋黎红.电子技术基础实验与Multisim仿真.北京：
电子工业出版社，2010
[5]王成华等.电路与模拟电子学.北京：
科学出版社，2003
[6]李科节.新编传感器技术手册.北京：
国防工业出版社，2002
附录
图一整体电路图
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