電容式液位計蔣明

1、電容式液位計 專 業(yè) : 機械設(shè)計 科 目 ：傳感器與測試技術(shù)學(xué) 號 ：1234001203626姓 名 ：蔣明日 期 ：2013/5/12 1. 序言液位檢測在許多控制領(lǐng)域已較為普遍，各種類型的液位檢測傳感器較多，按原理分有浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據(jù)其需要設(shè)計完成，其結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場合，大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本偏高；市面上也有現(xiàn)成的液位計，有投入式、浮球式、彈簧式等，多數(shù)成品價格驚人。以上液位計多數(shù)輸出為模擬量電流或電壓，有些為機械指針讀數(shù)，不能用于遠(yuǎn)程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動液面易引起讀數(shù)的波動；也有用電容法測液位的系統(tǒng)，此法是一種簡單易

2、行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，結(jié)合單片機設(shè)計出一種智能液位檢測裝置。液位測量技術(shù)在工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，隨著生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高和計算機的普及，人們對液位測量技術(shù)也提出了更高要求，要求測量的對象要廣、測量的精度要高、可靠性要好、測量環(huán)境特殊、實用性要強等。為了滿足各種不同測量條件的要求，人們己研制出很多適合于各種各樣要求的液位傳感器1。我的課程設(shè)計題目是電容式液位計的設(shè)計。電容式液位計是依據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測介質(zhì)浸汲測量電極的高度變化時，引起其電容變化。它可將各種物位、液位介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，遠(yuǎn)傳至操作控制室供二次儀表或計算機裝置進行集中顯示、報警或自動控制

3、。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式可適用于高溫、高壓、強腐蝕，易結(jié)晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料。它可測量強腐蝕型介質(zhì)的液位，測量高溫介質(zhì)的液位，測量密封容器的液位，與介質(zhì)的粘度、密度、工作壓力無關(guān)。前端采用電容式傳感器，將液位高度轉(zhuǎn)換成電信號，再利用單片機處理，最終采用液晶顯示或數(shù)碼管顯示的方法將液位高度顯示出來，并具備遠(yuǎn)端通信功能（RS485接口）。在本課題設(shè)計中，需要完成傳感器的設(shè)計，側(cè)重于理論分析與電路設(shè)計，要求給出詳細(xì)的計算過程以及分析所設(shè)計傳感器的各項性能指標(biāo)。在設(shè)計過程中，學(xué)會如何收集資料、分析資料，并把在書本中所學(xué)到的理論知識綜合地應(yīng)用到解決實際問題當(dāng)中來；同時，提高英語筆譯能力

4、和獨立工作及相互協(xié)作能力，為將來的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。2.方案設(shè)計2.1 總體系統(tǒng)框圖圖二 系統(tǒng)框圖被測物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，實現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來完成。A/D轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。顯示設(shè)備：在此用到8段數(shù)碼管

5、。控制設(shè)備：控制電動機的運行或關(guān)閉。2.2傳感器設(shè)計2.2.1傳感器原理 電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測體的導(dǎo)電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進行顯示,該系統(tǒng)對液位深度具有測量、顯示與設(shè)定功能, 并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。2.2.2電容式液位測量裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理電容法是用一電容探頭感受物面位置的變化。附圖（圖7-17電容式液位測量結(jié)構(gòu)示意圖）a所示為幾種用于連續(xù)測量的電容探頭結(jié)構(gòu)。l是部分或整體絕緣的棍電極，3、4是拉緊或放松的繩電極。如果容器壁由導(dǎo)電材料制成，則只需裝入電極1或3或4，容器

6、壁作為另一電極與外殼相連（接地）。如果容器壁由非金屬材料制成，則必須使用具有內(nèi)外電極的管式電極2，或?qū)﹄姌Ol、3、4另附一個反電極5，也可用金屬帶6與l、3、4組合，5、6均需接地。測量時，電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)0l，被測物的介電常數(shù)為r。物位變化時，電容器的電容變化值C與被測材料的物位高度x成線性關(guān)系，即(12.12)式中 h電容器的總高度；C0初始電容值。圖7-17b所示是一些進行物位極限位置監(jiān)控的電容測頭結(jié)構(gòu)。這時不再希望探頭的電容值在整個高度范圍內(nèi)線性變化，而是希望物位在達(dá)到極限位置時電容能發(fā)生突變。l和2是部分或全部絕緣的棍電極或繩電極，3是側(cè)面

7、安裝的棍電極，它以70°角傾斜安裝可防止被測液的粘附，4是平面電極，可用于一些不能在內(nèi)部插入電容探頭的容器內(nèi)物位的測量，如攪拌器。如果容器為非導(dǎo)電材料制成，同樣需另外附加一個反向電極。上面提到的整體絕緣探頭用于導(dǎo)電材料物位的測量。2.2.3 測量原理圖三由圖三可知, 當(dāng)可測量液位H = 0 時, 不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據(jù)文獻得到電容量為: （1） 式中, C0 為電容量, 單位為F ; 0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),單位為F/ m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導(dǎo)線半徑, 單位為m。當(dāng)可測量液位為H 時, 不

8、銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）式中, 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù), 單位為F/ m。因此, 當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H 時, 其電容的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 參數(shù)0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關(guān)系。因為參數(shù)0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢? 傳感器的電容量值CH 的大小與電容器浸入液體的深度H 成線性關(guān)系。由此, 只要測出電容值便能計算出水位。2.2.4硬件系統(tǒng)設(shè)計智能電容液位傳感器

9、的硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。電容傳感器作為555 電路的槽路電容,實現(xiàn)電容的變化值和相應(yīng)頻率信號值的轉(zhuǎn)換;頻率信號通過光電耦合電路傳給單片機,單片機及其外圍電路完成頻率量的精確測量和液位的計算;為了補償環(huán)境溫度對電容值的影響,用DS1820 進行溫度測量并通過單片機在軟件上做修正;最后的實驗結(jié)果顯示在LCD上。電容傳感器光電耦合LCD顯示電容頻率轉(zhuǎn)換電路單片機數(shù)據(jù)處理溫度采集圖1 系統(tǒng)原理框圖2 電路設(shè)計2.1電容- 頻率轉(zhuǎn)換電路圖2 為一個由555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。在這個電路中,定時元件由傳感器電容C、串連電阻Ra和Rb 組成。充電時間為1 = ( Ra + Rb) Cln2 ;放電

10、時間為2 = Rb Cln2。當(dāng)Rb>>Ra 時,1 近似等于2 , 輸出為方波,其周期T 為:T = 2 Rb Cln2 (6)圖2 電容頻率轉(zhuǎn)換電路555 電路的輸出頻率的周期與電容量成正比。無液體時電容量為C0 ,則輸出頻率的周期T0為:T0 = 2 R2C0ln2 （7）那么所求電容值Cx為: （8）從上式可以看出,由于T0 、R2 都是不變的,輸出信號U0的周期與被測電容Cx 為線性關(guān)系。頻率測量電路圖3 測頻原理框圖輸入信號通過放大整形電路形成計數(shù)的窄脈沖；晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的時基信號，經(jīng)過分頻作為雙穩(wěn)態(tài)電路的開門信號；在開門時間內(nèi)，被測信號通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)顯示。若閘門開啟時間為Tc、輸入信號頻率為fx，則計數(shù)值為由于周期和頻率互為倒數(shù)，因此在測頻的原理電路中對換一下被測信號Tx和時標(biāo)信號的輸入通道就能完成周期