馬闖-林淼-電容式液位器

目錄1設(shè)計(jì)方案 21.1設(shè)計(jì)原理 21.2系統(tǒng)框圖 22傳感器原理 32.1傳感器簡述 32.2電容式液位計(jì) 32.3傳感器的組成 52.4測量原理 53市場常見產(chǎn)品 83.1市場上常見的兩種液位器 84電容測量電路設(shè)計(jì) 84.1測量電路 85電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 125.1整流電路 125.2放大電路 126AD轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口 137總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 151設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質(zhì)時(shí)，電容量的大小也會(huì)有所不同。從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量。由于從傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大。從放大電路出來的是模擬量，因此送入ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC0809連接于單片機(jī)，把信號(hào)送入單片機(jī)。顯示電路連接于單片機(jī)用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片MC14499和單片機(jī)連接以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。1.2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(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號(hào)一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)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(shí)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(jī)：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(jī)。顯示設(shè)備：在此用到8段數(shù)碼管?？刂圃O(shè)備：控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或關(guān)閉。2傳感器原理2.1傳感器簡述電容式液位傳感器系統(tǒng);它利用被測體的介電常數(shù)不同,使電容的大小也不相同，通過傳感器將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量變化，再通過測量電路轉(zhuǎn)化成電壓脈沖寬度變化,再由單片機(jī)進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示,該系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)。2.2電容式液位計(jì)測量原理在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質(zhì)時(shí)，電容量的大小也會(huì)有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位。圖（a）是由兩個(gè)同軸圓筒極板組成的電容器，在兩圓筒之間充以介電常數(shù)為ε0的介質(zhì)時(shí)，則兩圓筒間的電容量表達(dá)式為式中L兩極板相互遮蓋部分的長度；d，D圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑；ε0兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)。所以，當(dāng)D和d一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)的ε0乘機(jī)成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被檢測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起電容量的變化，從而可檢測出物位。2.3傳感器的組成圖3-1-2為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細(xì)長的不銹鋼管(半徑為R1)、同軸絕緣導(dǎo)線(半徑為R0)以及其被測液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化,從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量。2.4測量原理由圖（a）可知,當(dāng)可測量液位H=0時(shí),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(xiàn)得到電容量為:（1）（1）式中,C0為電容量,單位為F;ε0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(shí),不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH:（2）（2）式中,ε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(shí),其電容的變化量ΔC可由式(1)和式(2)得（3）由式（3）式可知,參數(shù)ε0,ε,R1,R0都是定值。所以電容的變化量ΔC與液位變化量H呈近似線性關(guān)系。因?yàn)閰?shù)ε0,ε,R1,R0,L都是定值,由式(2)變形可得:CH=a0+b0H(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(jì)算出水位。液位高度與電容變化曲線3市場常見產(chǎn)品3.1市場上常見的兩種液位器產(chǎn)品型號(hào)FTC260電容物位測量儀SC-700電容式液位計(jì)售價(jià)8001500廠商深圳九九儀表廠淮安三暢儀表圖片展示主要規(guī)格1、檢測范圍：0.01~2000m2、承壓范圍：-0.1MPa~32MPa3、探極耐溫：-50~250℃4、環(huán)境溫度:-20~60℃5、儲(chǔ)存溫度：-55℃～+125℃6、輸出信號(hào):4～20mA、4～20mA疊加HART通訊、485通訊、CAN總線通訊7、供電電壓:12～28VDC（需經(jīng)安全柵供電）1．測量范圍0mm~474mm2．測量精度：±7%FS3．被測介質(zhì)：LNG液化天然氣等非導(dǎo)電性液體介質(zhì)。4．被測介質(zhì)溫度：-168oc~-98oc（主要指LNG液化天然氣）5．正常工作環(huán)境溫度：-40oc~+125oc6．供電電壓：+24V，正常工作電壓范圍：18v~32v，極限電壓：36v4電容測量電路設(shè)計(jì)4.1測量電路本設(shè)計(jì)采用二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）如下圖所示。它是利用電容器充放電原理組成的電路。其中e是高頻電源，提供幅值電壓為E的對(duì)稱方波；C1和C2為差動(dòng)電容傳感器；D1和D2為兩只理想二極管；R1和R2為固定電阻，且R1=R2；RL為負(fù)載電阻（或后接儀器儀表的出入電阻）。該電路的工作原理如下：當(dāng)電源為正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（b）所示。當(dāng)電源e為負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通而D1截止，其等效電路如圖（c)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（c）所示。利用電路分析可以求得電源e的負(fù)半周內(nèi)電路的輸出為：式中，為電容C1的放電時(shí)間常數(shù)。同理，在電源e的正半周期內(nèi)電路的輸出為式中，為電容C2的放電時(shí)間常數(shù)。由此可得輸出電流的平均值為式中，f為電源e的頻率；k1、k2為系數(shù)，輸出電壓的平均值為適當(dāng)選擇電路中元件的參數(shù)以及電源頻率f，則上式中指數(shù)項(xiàng)所引起的誤差可以小于1%。式中，k為常數(shù)，為電容傳感器測量時(shí)的電容變化量。二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：（1）e，C1，C2接地；（2）工作電平高，D1，D2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)；（3）輸出電壓高；（4）輸出阻抗與C1、C2無關(guān)，與R1，R2同數(shù)量級(jí)，可用mA或A表直接測量；（5）RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k時(shí)，上升時(shí)間20s，可測量動(dòng)態(tài)信號(hào)。5電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)5.1整流電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)所用的轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809，它僅能將單極性電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以我們將測量電路轉(zhuǎn)換后的電壓先經(jīng)整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路將輸入電壓變?yōu)閱螛O性電壓供給放大電路。5.2放大電路由于從傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大，如圖3-3所示，采用最基本的比例運(yùn)算反放大電路.圖3-3比例放大電路要將30mV電壓放大成5V，根據(jù)公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=500K,R2=3K，R4=R1//R2,,后邊的是一個(gè)反相器，把第一個(gè)運(yùn)放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3//R5。6AD轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，由于輸出級(jí)有8位三態(tài)輸出鎖存器，因而0809的數(shù)據(jù)輸出端可以直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上.ADC0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對(duì)0-5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。液位高度與電壓變化曲線：圖5-1ADC0809與單片機(jī)的接口電路7總結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)的過程，同時(shí)也是專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動(dòng)、更切實(shí)、更深入的專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。首先，一個(gè)設(shè)計(jì)是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實(shí)際的過程中，既可以印證學(xué)過的書本知識(shí)，又可以學(xué)到許多課堂和書本里學(xué)不到的活生生的新知識(shí)。在此我感謝老師對(duì)我的幫助和鼓勵(lì)！總之，這次的課程設(shè)計(jì)對(duì)我來說說是一個(gè)很好鍛煉自己的機(jī)會(huì)！參考文獻(xiàn)何道清、張禾.2008.傳感器與傳感器技術(shù)（第二版）.北京.科學(xué)出版社單成祥.2007.傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京.國防工業(yè)出版社張紅潤.200