電容式導(dǎo)電液體液位傳感器

1、傳 感 器 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書電容式導(dǎo)電液體液位傳感器Capacitive conductive liquid level sensor學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 教 授 2012年 1 月電容式導(dǎo)電液體液位傳感器專業(yè)班級：* 學(xué)生姓名：* 指導(dǎo)老師：* 職稱：*摘要 在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，經(jīng)常需要對液位進(jìn)行測量，繼而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)、智能控制使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。通常進(jìn)行液位測量的方法有二十多種，分為直接法和間接法。直接液位測量法是以直觀的方法檢測液位的變化情況，如玻璃管或玻璃板法。然而隨著

2、工業(yè)自動化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐漸被間接測量方法取代。目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用間接的液位測量方法，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。其中電容式液位測量價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，是間接測量方法中最常用的方法之一。本設(shè)計(jì)采用一種簡單方便的電容式液位測量方法，電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器,它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的一種傳感器 。本電容式液位測量設(shè)計(jì)方式是用等徑的長直圓筒容器，液位的高低正比于導(dǎo)電液體與測桿中導(dǎo)電金屬銅之間電容的大小，通過測

3、量電路的轉(zhuǎn)換，就可以很方便地測量出液面的位置。此課程設(shè)計(jì)的目的是為了熟練掌握電容傳感器的基本知識和各種測量電路的原理運(yùn)用；基本掌握測量液位方法的基本思路和方法；能夠利用所學(xué)的基本知識和技能，解決簡單的傳感器測量問題；培養(yǎng)綜合利用傳感器進(jìn)行測量設(shè)計(jì)的能力。關(guān)鍵詞：液位測量 電容式傳感器 測量電路 電容 傳感器測量目錄第一章 緒論31.1 引言31.2 電容式液位測量技術(shù)的發(fā)展31.2.1 電容式液位測量現(xiàn)狀31.2.2 電容式液位測量存在的問題41.2.3 電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢4第二章 實(shí)驗(yàn)原理52.1 電容傳感器52.2電容傳感器實(shí)物圖62.3 電路結(jié)構(gòu)82.4 實(shí)驗(yàn)所需部件82.4.1

4、 差動放大器82.4.1.1 高精度運(yùn)算放大器的構(gòu)成82.4.1.2 OP07CP92.4.2 低通濾波器112.4.2.1 低通濾波器的構(gòu)成112.4.2.2 HA17741 1A1112.4.3 電容變換器122.4.3.1 電容變換器的構(gòu)成122.4.3.2 CA3140E14第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理163.1 初次實(shí)驗(yàn)163.2 二次實(shí)驗(yàn)18第四章 影響液位測量的主要因素19結(jié)論和心得體會20致 謝21參考文獻(xiàn)22附錄：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書23第一章 緒論1.1 引言在各種化工、食品、石油倉儲等工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常要對存儲在儲倉罐和其它容器中的生產(chǎn)原料及產(chǎn)品液體或固體的體積或高度進(jìn)行測量和控

5、制，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行。通常方法是對物位進(jìn)行測量，而物位又可以分為液位、料位、界面三種，其中液位又顯得尤為重要，液位是指積存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位，如油罐水庫水塔等容器內(nèi)所儲的液體表面的位置或高度。用于測量這些參數(shù)的傳感器稱液位傳感器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(jì)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(jì)，有投入式、浮球式、彈簧式等，多數(shù)成品價(jià)格驚人。以上液位計(jì)多數(shù)輸出為模擬量電流或電壓，有些為機(jī)械指針讀數(shù)，

6、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)，此法是一種簡單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，通過測量導(dǎo)電液體與測桿中導(dǎo)電金屬銅之間電容的大小而進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)計(jì)出一種液位檢測裝置。使用電容式傳感器進(jìn)行液位測量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：低成本（即對于傳感器有比較成熟的技術(shù)）、低功耗、高線性度、對應(yīng)用場合的幾何形狀有較高的適應(yīng)性。1.2 電容式液位測量技術(shù)的發(fā)展 電容式液位測量現(xiàn)狀在電容式液位測量這一領(lǐng)域的研究及應(yīng)用，以美國的DREXELBROOK公司、Honeywell公司為代表的外國公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就。尤其是DREXELBROOK公司依據(jù)其提出的

7、射頻導(dǎo)納原理，推出了射頻導(dǎo)納電容式液位計(jì)，它可以克服由于掛料影響產(chǎn)生的測量誤差，從而在電容式液位測量這一領(lǐng)域取得了巨大的成功?；诰鶆騻鬏斁€理論的射頻導(dǎo)納電容式液位計(jì)有較高的測量精度，可以應(yīng)用在高溫、高壓、腐蝕性液位測量場合，有著許多其他類型液位測量儀表無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前國外的電容式液位測量儀表的普遍特點(diǎn)是測量精度高、自動化程度高，具有420mA電流輸出，采用HART協(xié)議、Honeywell協(xié)議等智能通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了從主控室到現(xiàn)場儀表的組態(tài)和維護(hù)。目前，已廣泛應(yīng)用于石油化工業(yè)、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，一些產(chǎn)品也成功打入我國市場，在我國的液位測量領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)然隨著國內(nèi)的自主研發(fā)，電容式液

8、位測量有所成就，典型的是上海自動化儀表五廠、上海集成儀器儀表研究所等部門開發(fā)了開關(guān)和連續(xù)式電容液位計(jì)等，但產(chǎn)品性能指標(biāo)、功能與國外同類產(chǎn)品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。 電容式液位測量存在的問題電容式液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、分辨力強(qiáng)、無可動部件、不易損壞、使用壽命長、需要作用能量低、并能在惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點(diǎn)。相對其他方法液位而言，綜合指標(biāo)最好，但它也存在一些不足，從而影響了它的適用范圍和測量精度。電容式液位測量的主要缺點(diǎn)是：電容式傳感器本身結(jié)構(gòu)特性決定輸出阻抗高、負(fù)載能力差電容式傳感器的電容量一般很小，僅幾十至幾百皮法，使得電容式傳感器的輸出阻抗高，

9、負(fù)載能力差，從而易受外界干擾，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，為此，需采取有效的技術(shù)措施，如適當(dāng)激勵頻率，采取屏蔽接地措施，盡量縮短傳感器的引線來提高抗干擾能力。電容式液位測量的信號處理較困難因電容式傳感器的電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等使寄生電容較大，給實(shí)現(xiàn)精確的電容信號轉(zhuǎn)換帶來困難，為此，從硬件及軟件兩部分著手，如德國AMG公司開發(fā)的模數(shù)一體化集成電路CAV424電容電壓轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的智能傳感器對數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。 電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們越來越重視能源的消耗，提出可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約型社會的建設(shè)。液位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用

10、于工業(yè)、食品等行業(yè)，實(shí)時(shí)檢測液位（如油位的檢測）的變化情況，對確保工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行和防止事故的發(fā)生有著重要的作用。液位作為物位檢測的四大參量之一，其余三個分別為壓力、溫度、流量等三熱工參量的檢測，這些參量的檢測始終倍受人們的關(guān)注，因?yàn)椴粌H這些參量本身重要，同時(shí)也因?yàn)樗鼈兪窃S多測量的基礎(chǔ)。而液位參量作為四大參量之一，其研究開發(fā)工作可分為兩個大方向來開展。液位傳感器的橫向發(fā)展主要表現(xiàn)為四個方面，即：非接觸測量；液位測量系統(tǒng)的智能化；小型化集成化；數(shù)字化。液位傳感器的縱向發(fā)展主要表現(xiàn)為四個方面，即：科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展；科學(xué)技術(shù)的交叉發(fā)展；邊沿科學(xué)技術(shù)；高精度方向發(fā)展。第二章 實(shí)驗(yàn)原理2.1 電容傳

11、感器電容式液位計(jì)可以連續(xù)測量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及導(dǎo)電液體（比如酒、醋、醬油等）的液位，如圖1-1所示。當(dāng)液位計(jì)放入液體中時(shí)，導(dǎo)線芯以絕緣層為介質(zhì)與周圍的液體形成柱形電容器。圖1由圖1可以知道，柱形電容器的電容為CX=2*Hxlnd2d1式中，為導(dǎo)線芯絕緣層的介電常數(shù)；Hx為待測水位高度；d1為導(dǎo)線芯的直徑；d2為絕緣層的外徑；電容式液位計(jì)配以適當(dāng)?shù)臏y量電路，便可以得到與被測液位成比例的電信號輸出。當(dāng)液位改變時(shí)，內(nèi)外電極間的覆蓋面積隨之變化，因而引起電容值的變化?？梢姡娙萘颗c液體高度Hx成線性關(guān)系。2.2電容傳感器實(shí)物圖傳感器和電路實(shí)物圖：傳感器實(shí)物圖：2.3 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)

12、圖如下：圖2由圖2所示，可知電路是由電容傳感器、電容變換器、差動放大器、低通濾波器構(gòu)成。2.4 實(shí)驗(yàn)所需部件2.4.1 差動放大器.1 高精度運(yùn)算放大器的構(gòu)成高精度運(yùn)算放大器幾乎都是作為直流放大器使用，所以認(rèn)為其頻率特性并不重要。高精度運(yùn)算放大器滿足以下三個條件：1.輸入失調(diào)電壓??；2.輸入偏置電流??；3.開環(huán)增益高；差動放大器的電路圖如圖3所示：圖3差動放大器實(shí)現(xiàn)的功能是將信號放大。其需要的主要芯片是1AC156M OP07CP。.2 OP07CPOP07的功能介紹：Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25

13、V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07的開環(huán)增益比通用型運(yùn)算放大器112dB（typ）高，但GB積與轉(zhuǎn)換速率卻比通用型小，全功率（full power）響應(yīng)頻率并不高。其特點(diǎn)是：超低偏移： 150V最大；低輸入偏置電流： 1.8nA ；低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ ；超穩(wěn)定時(shí)間： 2V/month最大；高電源電壓范圍： ±3V至±22VOP

14、07的外型圖片如圖4所示：圖4其管腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。圖4為1AC156M OP07CP的管腳圖；其中各管腳的連接為：1 VOS 2 -IN3 +IN 4 V-5 NC 6 OUT7 V+ 8 VCS 圖5圖6圖6是1AC156M 0P07CP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；OP07CP運(yùn)算放大器的電氣特性型名輸入失調(diào)電壓Type（max）偏移電壓/(Uv/oC)Type （max）輸入偏置電流/nAType（max）轉(zhuǎn)換速率/(V/us)ryp開環(huán)增益/d BtypOP07CP60(150)0.7（2.5）2.0（12）0.61122.4.2 低通濾波器顧名思義，所謂濾波器就是能夠過濾波動信號的器具

15、，在電子線路中，濾波器的作用是從具有各種不同頻率成分的信號中，取出具有特定頻率成分的信號。濾波器一詞的英文是“filter”。理想低通濾波器器能夠讓零頻（即直流）到截止頻率fc之間的所有信號毫無損失的通過，而高于截止頻率fc的所有信號毫無遺留的喪失殆盡，低通濾波器簡稱LPF。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，為了過濾掉高次波的影響，采用低通濾波器進(jìn)行濾波。.1 低通濾波器的構(gòu)成圖7.2 HA17741 1A1由圖7可知，應(yīng)用到的運(yùn)算放大器是HA17741 1A1。HA17741運(yùn)算放大器實(shí)際上就是uA741，國產(chǎn)型號是F007，相近的簡化就是LM324。1，調(diào)零2，-IN3,+IN4, U-5, 調(diào)零6, OU

16、T7, U+8, NC 圖8如圖8示，即為HA17741管腳圖；它的主要指標(biāo)為：輸入失調(diào)電壓10mV，開環(huán)輸入電阻1M 歐，開環(huán)增益88100db，單位增益帶寬1Mhz，輸出開環(huán)阻抗60歐，輸出電壓轉(zhuǎn)換速度0.5V/us。圖9如圖9示，是HA17741內(nèi)部電路圖；2.4.3 電容變換器.1 電容變換器的構(gòu)成電容變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖10所示圖10電容變換器的兩輸入端一個接待測電容Cx,另外一端接定長電容C,定長電容為可調(diào)容抗的電容。其目的是提高電容傳感器的靈敏度，但同時(shí)降低了電容傳感器的線性度。電容變換器工作的原理是：將傳感器所測得電容量變化轉(zhuǎn)化為輸出直流的變化。其中DM74LS20N的作用是產(chǎn)

17、生方波，其輸出波形用示波器觀察時(shí)，其圖形為：其中CA3140E的作用是把DM74LS20N產(chǎn)生方波的方波作為輸入，然后轉(zhuǎn)化為正弦波，其輸出波形用示波器觀察時(shí)，其圖形為：.2 CA3140E1、 圖10可知，電容變換器運(yùn)用到的運(yùn)算放大器是CA3140E，CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器,是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運(yùn)算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140 BiMOS運(yùn)算放大器功能保護(hù)MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（無論單或雙電源),它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電

18、壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn).(互補(bǔ)對稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運(yùn)放元件的功能是為了保護(hù)MOSFET柵極中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低的輸入電流和高速性能，操作電源電壓在4V至36V。2、CA3140E元件的引腳如圖11所示圖113、引腳功能表如圖12所示：引腳號功能引腳號功能1偏置調(diào)零端5偏置調(diào)零端2反向輸入端6輸出3同向輸入端7電源+4電源-8選通端圖124、CA3140內(nèi)部方框圖如圖13所示：圖135、CA3140內(nèi)部電路圖如圖14所示：圖146、直流電源電壓（V+和V -端子）36V最大存儲溫度范圍-65 150差模輸入電壓8最大結(jié)溫（塑料封裝）150直流輸入電壓(V+ +8V

19、) (V- -0.5V)最大結(jié)溫（金屬罐封裝）175輸入端電流1mA溫度范圍第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理3.1 初次實(shí)驗(yàn)初次進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)測量得到的結(jié)果如表1所示：高度/cm023456789電壓/V第一次14.185.964.894.141.45-2.06-3.18-4.13-5.13第二次14.197.145.213.940.93-1.74-2.84-3.9-4.97第三次14.25.734.6141.43-1.97-3.03-4.24-5.14第四次14.134.943.272.141-2.34-3.45-4.75-5.6第五次14.144.93.462.271.04-2.43-3.64-4.

20、54-5.44平均值/cm14.1685.7344.2883.2981.17-2.108-3.228-4.312-5.256高度/cm101112131415161718電壓/V第一次-6.25-7.11-8.01-9.08-9.6-10.23-11.03-11.67-12.26第二次-5.88-6.89-7.53-8.78-9.26-9.9-10.59-11.38-11.94第三次-6.14-7.06-8.02-8.99-9.65-10.44-10.94-11.5-12.01第四次-6.54-7.64-8.44-9.57-10.21-10.94-11.08-11.54-11.99第五次-6.

21、49-7.39-8.47-9.36-10.01-10.64-11.21-11.76-12.21平均值/cm-6.26-7.218-8.094-9.156-9.746-10.43-10.97-11.57-12.082表1對于初始高度設(shè)定時(shí)，充分考慮到了定值電容對測量結(jié)果的影響，通過調(diào)節(jié)初始時(shí)定值電容的大小，對進(jìn)入液面以后的電壓值進(jìn)行測量，得到的以上五組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過MATLAB，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖15所示的圖像：圖15由所測量得到的數(shù)據(jù)顯示，在6-13cm進(jìn)行測量在線性范圍內(nèi)；在其他區(qū)間所得的數(shù)據(jù)成曲線形勢。3.2 二次實(shí)驗(yàn)根據(jù)表1所得結(jié)論，對6-13cm范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，所得數(shù)據(jù)如表2

22、所示：高度/cm66.577.588.599.5電壓/V第一次-1.88-2.43-3-3.59-4.13-4.58-5.03-5.6第二次-1.94-2.57-2.98-3.3-4.1-4.59-5.06-5.48平均值/cm-1.91-2.5-2.99-3.445-4.115-4.585-5.045-5.54誤差（平均值與擬合直線值之差）-0.07090.0104-0.0083-0.06210.09920.06050.0117-0.002高度/cm1010.51111.51212.513電壓/V第一次-6.09-6.66-7.02-7.65-8.12-8.62-9.16第二次-6-6.53

23、-7.05-7.53-8.08-8.46-9.03平均值/cm-6.045-6.595-7.035-7.59-8.1-8.54-9.095誤差（平均值與擬合直線值之差）-0.00570.0355-0.03320.01310.0143-0.0544-0.0081表2對表2所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理得到數(shù)據(jù)如圖16所示，再進(jìn)行一階曲線擬合得到圖16中的直線所示。直線顯示：在6-13cm之間為線性范圍。圖16線性度eL=±LmaxyF.S×100%=1.3807%第四章 影響液位測量的主要因素液體本身的物理參數(shù)會對液位測量有影響，包括液體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和腐蝕情況等，對測量液位的敏感元

24、件的材料選用起決定性作用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以下因素在液位測量中起關(guān)鍵性作用：電容極板結(jié)構(gòu)對測量的影響敏感元件電容極板直接感受被測量，電容的準(zhǔn)確性對測量至關(guān)重要。電容極板本身結(jié)構(gòu)，比如尺寸、長度等直接決定著液位測量的精度。增加初始值，可以使寄生電容和相對電容傳感器的電容量較小。電容極板板間距離大，寄生電容就大、精度就低；板間距離小，寄生電容就小、精度就高。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的電容極板尺寸。另外電容傳感器的材料和電信號引線的選用，也會對液位測量的精度產(chǎn)生影響。設(shè)定值（或稱為閥值）對測量精度的影響閥值是判斷是否進(jìn)行下次采樣，從而進(jìn)行微分運(yùn)算，是計(jì)算液面位置的重要依據(jù)，所以對測量精度的影響很大

25、。閾值設(shè)置小了，容易將非計(jì)算液位判斷為計(jì)算液位面；置大了又對微分運(yùn)算產(chǎn)生影響。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的閾值。結(jié)論和心得體會測試設(shè)計(jì)這在一前我都以為是要遙不可及，但現(xiàn)在通過這次傳感器的課程設(shè)計(jì)我明白了，并不是如此，只要團(tuán)隊(duì)合作也可以搞定，我多學(xué)了許多的以前課上沒有的知識，比如怎么自己利用簡單的原材料設(shè)計(jì)出有用的傳感器，怎么利用電容傳感器測量液位等。通過課程設(shè)計(jì)，我們對傳感器這門課程有了更深一步的了解。它是測量技術(shù)里的重要理論技術(shù)基礎(chǔ)，在我們測控專業(yè)的學(xué)習(xí)中占據(jù)著十分重要的地位。同時(shí)也使我們知道，要學(xué)好這門課程，僅學(xué)習(xí)書本上的知識是不夠的，還要有較強(qiáng)的實(shí)踐能力。因?yàn)槲覀儗W(xué)習(xí)知識就是為了實(shí)踐。而只有多實(shí)踐，多設(shè)計(jì)，才能更好的理解與掌握書本上的東西。另外，電容式液位測量技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，由于時(shí)間及知識儲備有限，本設(shè)計(jì)還有很多需要改進(jìn)的地方，大致有如下幾方面：電容極板的可靠性及實(shí)際測量裝配有待進(jìn)一步研究。如將系統(tǒng)做成樣機(jī)或成品，還需要進(jìn)一步研究系統(tǒng)的可靠性和影響精度的各因數(shù)的相關(guān)性等。致 謝經(jīng)過本課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多關(guān)于傳感器的知識，我的動手能力有一定的提高，從中也體驗(yàn)到很多樂趣。設(shè)計(jì)過程