基于遠程接地的液位測量系統(tǒng)電容式傳感器

1、 基于遠程接地的液位測量系統(tǒng)電容式傳感器作者：Ferran Reverter，秀俊麗，Gerard C.M. Meijer作者單位：卡斯特爾德費爾斯科技學院（EPSC）、加泰羅尼亞技術大學（UPC），Avda。運河奧體的S / N，08860卡斯特爾德費爾斯，巴塞羅那，西班牙。 摘要 本文介紹了基于遠程接地電容傳感器的液位測量系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。 電容式傳感器的電極由經濟實惠的材料制成：不銹鋼棒和PTFE絕緣線。 接口電路依賴于簡單的張弛振蕩器和微控制器。 具有有源屏蔽的電纜將傳感器互連到接口電路。 通過考慮互連電纜和傳感器的寄生分量來分析有源屏蔽電路的穩(wěn)定性。 該系統(tǒng)已經通過測量接地金屬容器中

2、的自來水水平進行實驗測試。在70cm的水平范圍內，系統(tǒng)具有小于0.35mm的非線性誤差和對于測量時間的優(yōu)于0.10mm的分辨率 為20ms。關鍵詞：液位測量，電容傳感器，有源屏蔽，張弛振蕩器，微控制器。 一.引言 可以通過測量浸入液體中的兩個電極之間的電容來監(jiān)測河流，水庫或容器中的液位1。 用于液位測量的電容傳感器的使用具有以下優(yōu)點： - 低成本（即，可以用可承受的技術構建傳感器），低功耗，高線性度以及對于應用的幾何形狀的容易調整。 電容式液位傳感器的工作原理取決于液體的類型2,3。對于導電液體，兩個傳感器電極中的至少一個必須絕緣，以避免短路。 在液體 - 空氣界面下方，液體表現(xiàn)為導體，因此，

3、電容的電介質只是電極絕緣。 在液體 - 空氣界面上方，電介質是與電極之間的空氣一起的電極絕緣，從而導致更小的電容。 另一方面，對于非導電液體，電極不需要絕緣。 在液體 - 空氣界面下方，電介質是液體（其具有比空氣的介電常數更高的介電常數），而在界面上方，它是空氣。對于這兩種類型的液體，如液體水平的提高，所以沒有液體 - 空氣界面下方的電極和靜電電容的面積。 電容傳感器可以分為兩組4：浮動電容傳感器（即其中沒有電極接地的傳感器）和接地電容傳感器（即，兩個電極中的一個接地的傳感器）。 前者是優(yōu)選的，因為它們可以被本質上免于雜散電容的接口電路讀取4,5。 然而，由于浮動電容傳感器的安全原因和/或操作

4、限制，在一些應用中仍然需要接地的電容傳感器，例如：接地金屬容器中的導電液體的液位測量1,6-9。 參考文獻6報道了0.6mm（0.1）的非線性誤差對于60cm的測量范圍的分辨率為0.1mm。 另一方面，參考文獻7示出了對于約70cm的測量范圍的1的非線性誤差和1mm的分辨率。 在許多工業(yè)應用中，傳感器遠離其電子器件，例如：油箱底部的水位測量8。在這些情況下，為了減少外部噪聲/干擾的影響，傳感器使用屏蔽電纜連接到接口電路。對于接地電容傳感器，普通無源屏蔽（即連接到地的屏蔽）是不合適的，因為電纜的寄生電容（其值可以遠大于傳感器的寄生電容并且取決于環(huán)境條件）將與傳感器。為了減少這種寄生電容的影響，接

5、地的電容傳感器通常使用有源屏蔽技術連接到接口電路4,5，其依賴于連續(xù)地采樣電纜的內部導體的電位并且應用它通過放大器連接到屏蔽。遺憾的是，當應用這種技術時，電纜的寄生元件會帶來“電子”不穩(wěn)定性和不準確性10。傳感器的寄生分量（其在大尺寸傳感器中可能是重要的，例如在本文中呈現(xiàn)的液位傳感器）也可以在有源屏蔽電路的性能中起重要作用，然而，它們的效果沒有但尚未分析。本文介紹了基于遠程接地電容傳感器的液位測量系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。 它提供了有源屏蔽電路上的寄生元件（互連電纜和傳感器的）的影響的詳細分析。 該系統(tǒng)已經通過測量接地金屬容器中的導電液體（自來水）的水平而進行實驗測試。 二.傳感器A. 傳感器原型 圖

6、1顯示了設計的傳感器原型的圖片。傳感器約一米高，有兩個電極，其中一個是絕緣的，以便能夠測量導電液體。非絕緣電極是不銹鋼棒，其在操作條件下將連接到系統(tǒng)接地。絕緣電極是PTFE絕緣線，其標稱內徑和外徑分別為1mm和1.5mm。由于傳感器電容直接取決于絕緣體的厚度和介電常數，因此必須使用諸如PTFE（通常稱為“特氟隆”）的材料，其是溫度穩(wěn)定的，無孔的，不粘的，以及耐腐蝕。線材設置成U形，使得兩端都在水外面。這種配置避免了密封導線末端之一的問題，此外，它使傳感器電容加倍6。根據初步實驗測試，不建議使用絞合線作為絕緣電極，因為線性和滯后明顯惡化;這是因為水可以更容易地以相當不可預測的方式粘在線上。在傳感

7、器的頂部，有一塊剛性塑料用于設置線的張力。B.理想的電容傳感器 當測量導電液體的水平時，總傳感器電容實際上等于液體 - 空氣界面下方的電極之間的電容。 該電容表示同軸電極結構，即一個電極是導線導體，另一個是圍繞導線絕緣的導電液體。 因此，理想地，電容的值可以從1估計: (1)其中是真空的介電常數(= 8.8542 × 10 F/m),是電線絕緣的相對介電常數,d1和d2是線的內徑和外徑，h是液位, 第一因子2考慮了線被設置為U形，其在第一近似中使電容加倍。從公式 （1）中，對于= 2.04，d = 1mm和d = 1.5mm，我們具有C/h= 0.56pF / mm的靈敏度。C.電路

8、模型 圖2a示出了對于電容式液位傳感器所考慮的電路模型。 電容是由（1）描述的理想傳感器電容，和分別是液體2,11的電阻和電容，是沿傳感器的電流回路的電感。 假設傳感器的激勵信號的頻率足夠高（高于20kHz）以忽略極化阻抗的影響12。 當液體是導電的并且激發(fā)信號的頻率不是非常高（例如，幾十到幾百千赫茲）時，的影響優(yōu)于的影響，并且的影響可以忽略。 這將電路模型簡化為圖1所示的電路模型。 2b，其更類似于理想性能（即，其僅受的影響）。 因此，用作接口電路（第III.B節(jié)）的振蕩器將在這樣的頻率范圍內工作。 另一方面，在高頻下，的效應優(yōu)于的效應，因此，簡化的電路模型如圖1所示。 2c。 這種“高頻”

9、電路模型將用于分析有源屏蔽電路的穩(wěn)定性（第四部分）。D.傳感器的特性 使用阻抗分析儀（Agilent 4294A）在20kHz和15MHz之間的頻率范圍內測量所設計的傳感器原型的阻抗。 然后，使用測量結果提取圖8所示的電路模型的參數。 2a。 圖3顯示了不同水平的自來水的表征結果。 如從（1）所預期的，電容隨電平線性增加。 靈敏度為0.47 pF / mm，這與第II.B節(jié)中估計的值非常相似。 電阻隨著電平遵循逆律律而降低，而電容非常線性地增加，這也是預期的11。 最后，電感隨電平線性地下降; 這是因為電流環(huán)路的面積隨著電平增加而減小。 三.接口電路 圖4顯示了為接地的電容式液位傳感器設計的接

10、口電路。主要模塊是：（a）模擬多路復用器，選擇要測量的電容，（b）張弛振蕩器，執(zhí)行電容 - 周期轉換，以及（c）微控制器，其執(zhí)行周期到數字轉換。 接口電路通過應用三信號技術13在加法（偏移）和/或乘法（增益）誤差（例如，由于溫度或電源電壓的變化）方面進行自動校準。 該技術包括三個測量：（a）傳感器測量，（b）參考測量和（c）偏移測量。 所使用的參考是330pF的NP0陶瓷電容器（），其大約是傳感器電容的最大值（圖3）。 偏移由電容表示，電容是（接地電路的，而不是傳感器的）到接地的總雜散電容。 該偏移電容影響三個測量。A. 多路復用器 具有三個2對1（MAX4560）開關的多路復用器選擇電容連接

11、到振蕩器。 對于每次測量，相應的開關在位置A（即連接到振蕩器），而其他兩個在位置B（即連接到地）。 例如，對于傳感器測量，開關在位置A，而和在位置B.表I總結了三個測量中的每一個的連接到振蕩器的等效電容的值。B.張弛振蕩器 簡單的張弛振蕩器（圖5a）將接地電容C（其代表由圖4中的多路復用器選擇的三個電容中的一個）轉換為周期調制信號14,15。 這種振蕩器依賴于RC電路（由電阻器和電容C形成）和比較器（TLV3501）設置為施密特觸發(fā)器。 圖5b示出了在輸出（）和C（）處的電壓的波形。 輸出信號的周期T等于14： (2)其與C成比例，并且施密特觸發(fā)比較器的閾值電壓（和）等于： (3) (4)我們

12、選擇 = = （=10k），使得 = / 3， = 2/ 3和T = C ln 4.充電電阻器 =100k，根據 如圖1所示3和Eq。 （2），使電路在21 kHz和360 kHz之間的頻率范圍內振蕩。 該工作頻率范圍適用于傳感器（第II.C節(jié)）和執(zhí)行定時測量的隨后的微控制器。 此外，的選擇值遠大于（圖2b），因此后者對測量的影響可以被認為是微不足道的。 表I總結了三個測量中的每一個的合成周期（，和），其中k = ln 4C.單片機 微控制器控制多路復用器，然后測量振蕩器輸出信號的周期。 周期測量通過嵌入式數字定時器執(zhí)行，從而產生數字數字N 16。 使用的微控制器是在20 MHz下運行的PIC

13、16F876（Microchip）。 嵌入式16位定時器1和CCP1捕捉模塊負責定時測量具有數字定時分辨率= 200ns。 為了減少量化的相對影響，微控制器測量振蕩器輸出信號的128個連續(xù)周期。表I總結了三個測量中的每一個的結果數字值（,和）的值。只要我們有數字，和，通過計算以下比率應用三信號自動校準技術13： (5)根據表1和式 （5），可以通過=M 估計傳感器電容的值。 四.主動屏蔽 電容傳感器通過三軸電纜連接到接口電路，如圖1所示。 第一屏蔽使用有源屏蔽技術（即，屏蔽以與內部導體相同的電位被驅動），因此，電纜的寄生電容對測量的影響顯著減小。 第二屏蔽連接到地并且作為電流返回路徑。 圖6a

14、示出了與理想電容傳感器和振蕩器電路的電阻器（圖5a）一起的有源屏蔽電路。 電纜的屏蔽由配置為電壓跟隨器的運算放大器（OpAmp）驅動。 具有穩(wěn)定和精確的有源屏蔽電路的關鍵點之一是選擇OpAmp 10的單位增益帶寬（）。接下來，我們解釋互連電纜和傳感器的寄生分量 確定 圖6b示出了圖6的等效電路。 當考慮互連電纜的寄生部件時，參見圖6a。 電容器表示電纜的內部導體和第一屏蔽之間的電容，是電路和之間的電流回路的電感，是互連導體的電阻。 該電路還包括OpAmp的輸出電阻R. 該電路的穩(wěn)定性條件為10： (6) 其中頻率被定義為OpAmp的最大允許帶寬以保證穩(wěn)定性。 使用的電纜通過阻抗分析儀表征，結果

15、為= 98pF / m，= 620nH / m， =1.0/ m。 OpAmp輸出電阻一般在50到20017; 最低值 =50是在穩(wěn)定性方面的最壞情況，因為它產生的最小值。 關于，最差穩(wěn)定性情況對應于其最大值，其又對應于最大液體水平（根據圖3的= 340pF）。 此外，從第III.B節(jié)，我們有 = 100k。 因此，從（6），1m互連電纜的穩(wěn)定性條件為 <16.9MHz 圖6c示出了圖6的等效電路。 當考慮電纜和電容式液位傳感器的寄生分量時，參考圖6a。 從穩(wěn)定性分析的角度來看，傳感器的“高頻”電路模型（圖2c）比“低頻”模型（圖2b）更關鍵，因此，前者是 應用于圖1。6c該電路的穩(wěn)定性

16、條件可以很容易地從（6）得出： (7) 當容器裝滿時，我們有= 340 pF，= 971 pF，= 501 nH（圖3）。因此，從（7）可以看出，1m互連電纜的穩(wěn)定性條件為<10.1MHz，這比上述條件更嚴重。 因此，傳感器的寄生分量顯著地減小的值，或者換句話說，它們使得電路更易于不穩(wěn)定。 如果電纜或傳感器的長度增加，的值將減小，因此，應當選擇具有較窄帶寬的OpAmp，以避免不穩(wěn)定性。 另一方面，如果電纜或傳感器的長度減小，將增加，并且可以選擇具有更寬帶寬的OpAmp。 考慮到OpAmp帶寬越寬，振蕩器輸出信號10周期中的誤差越小，帶寬應盡可能寬。 五、實驗結果與討論 設計的測量系統(tǒng)的性

17、能使用圖1所示的設置進行實驗測試。 將傳感器放置在與系統(tǒng)地面連接的金屬容器（直徑84厘米，直徑42厘米）內。 傳感器大致位于容器的中心，然而在其它位置（除了傳感器非常接近容器殼的位置之外）的性能應該是相同的。 所使用的液體是自來水（電導率為0.50mS / cm），其通過使用兩個管被添加到容器的底部和從容器的底部抽出。 從加入/取出的水的體積（其通過化學試管仔細控制）和容器的面積計算實際水平值。 傳感器使用1 m互連電纜連接到接口電路。A. 穩(wěn)定性 有源屏蔽電路的“電子”穩(wěn)定性在具有不同帶寬的幾個商業(yè)OpAmps的最大水位（約70cm）處進行實驗測試。 表II總結了測試的OpAmps，它們的標

18、稱和測量的值以及穩(wěn)定性結果，其與第IV部分中發(fā)現(xiàn)的理論穩(wěn)定性條件（即 <10.1MHz）一致。 從穩(wěn)定性的角度來看，表II中列出的前三個OpAmps中的任何一個都是一個好的選擇。 然而，從精度的角度來看，寬帶OpAmp是更可取的。 為此，選擇構建有源屏蔽放大器的OpAmp是OPA743。B.線性 圖7示出對于在0cm和70cm之間的范圍內的不同水位測量的比率M. 為了避免物理磁滯效應，在增加模式中達到所有水平。通過最小二乘法擬合到實驗數據的直線是： （8）其中h是以cm計的液位。 等式（8）示出了0.0148的靈敏度和0.0864的偏移，這基本上是由于傳感器的偏移電容。 圖7還示出了測量

19、的非線性誤差。 最大非線性誤差約為0.05FSS（滿量程跨度），對應于0.35mm。 雖然傳感器是遠程的，但這種線性度結果仍然比6,7中指定的更好，考慮到設計的原型的簡單性，這是非常令人滿意的。C.分辨率 固定和穩(wěn)定水位的比率M的標準偏差小于25×，其對應于0.02mm。 對應于水平h和水平h + 0.10mm的兩個群體的直方圖是完全可區(qū)分的，這意味著分辨率優(yōu)于0.10mm。 在70cm的電平范圍上，這樣的分辨率對應于幾乎13位。 與V.B一樣，這些分辨率結果仍然優(yōu)于6，7中指定的分辨率，盡管傳感器是遠程的。 實現(xiàn)該分辨率的總測量時間（即，對于三信號技術中涉及的三個測量）小于20ms，這對于液位測量是完全可接受的。D.滯后 圖8示出了滯后測試的實驗結果。 特定水平的比率M的值取決于達到什么“方向”的水平; 精確地：M在降低模式中高于在增加模式中。 最大滯后誤差為0.13FSS，對應于0.90mm。 這種滯后的原因是“回流現(xiàn)象”2：當液位降低時，在傳感器電極上留下一層膜，導致系統(tǒng)顯示高于預期的值。 該回流膜取決于液體的粘度，密度和表面張力。 當液面相同并以相同的方式（即通過增加或減少）達到時，M的所得值是相同的，因此顯示出良好的重復性。 圖1中的滯后試驗的起始點和停止點。 圖8是這種情況的示例。E.溫度的影響 連續(xù)測量比率