液位傳感器課程設(shè)計

1、摘要 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1緒論3 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 引言3電容式液位測量技術(shù)的發(fā)展4電容式液位測量現(xiàn)狀4電容式液位測量存在的問題5電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢5 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2本設(shè)計的電容式液位測量方法6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 測量原理及實現(xiàn)思路6液體的物理參數(shù)對液位測量的影響8 HYPERLINK l boo

2、kmark29 o Current Document 極板設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 液位測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3硬件設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 電源電路設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 電容測量電路設(shè)計13 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 放大調(diào)零電路設(shè)計14 HYPE

3、RLINK l bookmark56 o Current Document A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計16 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 4誤差分析17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 電容測量誤差對精度的影響17 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 影響液位測量的主要因素18 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 5總結(jié)19 HYPERLINK l bookmark79 o Current Docume

4、nt 參考文獻20摘要在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生 產(chǎn)，經(jīng)常需要對液位進行精確測量，繼而進行自動調(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。然而隨著工業(yè)自動化規(guī)模的不斷擴大，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)計采用一種與介質(zhì)無關(guān)的電容式液位測量方法

5、，解決了 傳統(tǒng)電容測量與被測介質(zhì)有關(guān)的技術(shù)難題。它可以應(yīng)用于動態(tài)液 位測量，尤其是在被測液體本身介質(zhì)常數(shù)和液位，隨時間和環(huán)境 等因素容易發(fā)生變化的場合，如車用燃油油位的計量，從而向當(dāng) 今高精度、數(shù)字化、集成化、智能化的科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展更邁進 了一步，對滿足石油化工等液位檢測領(lǐng)域的迫切需求具有重大的 理論和應(yīng)用價值，前景十分廣闊。消除電容式液位測量方法中介質(zhì)介電常數(shù)的因素是關(guān)鍵，設(shè) 計符合測量方法的電容極板，通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路處理為直流 電壓信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集后送入單片機或計算機，最終實現(xiàn) 算法的設(shè)計。其中電容極板設(shè)計時需注意消除和減小邊緣效應(yīng)和 寄生電容的影響，同時要保證平板電容良好的絕

6、緣性能和抗外界 干擾性。最后在整體設(shè)計和理論分析的基礎(chǔ)之上，從硬件各部分進行 具體的設(shè)計，包括硬件電路和各環(huán)節(jié)的信號量匹配等。通過理論 計算和數(shù)據(jù)分析，驗證了此液位儀具有良好的性能，達到了要求 的技術(shù)指標，同時指出了需要改進和完善的地方。1緒論引言在各種化工、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 或高度進行測量和控制，以確保生產(chǎn)的正常進行。通常方法是對 物位進行測量，而物位又可以分為液位、料位、界面三種即：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。料位是指固體顆粒

7、粉料塊料的高度或表面所在位置稱為 料位，如爐罐槽內(nèi)的顆粒狀或粉末狀固體物質(zhì)的體積或高度。界位是指兩種或以上的不同比重且不相容的分界面，如油 與水的分界面。用于測量這些參數(shù)的傳感器稱物位傳感器，其中根據(jù)測量的 物位范圍或測量對象不同又分為液位傳感器、料位傳感器及界位 傳感器。液位測量是一門測量氣液、液液或液固分界面位置的 測量技術(shù)，它包括對測量對象（被測介質(zhì)及其容器、環(huán)境條件）、 測量方法和測量儀表的研究。液位測量技術(shù)在工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，在一般的生 產(chǎn)工藝加工過程中通常只需要對物料的表面位置進行記錄和儲存，以作為確保生產(chǎn)工藝安全等方面的需要。其次隨著生產(chǎn)自動 化程度的不斷提高，必須首先

8、對液位測量數(shù)據(jù)進行控制與調(diào)節(jié)以 保證自動化生產(chǎn)能夠自動控制在最佳狀態(tài)，再就在現(xiàn)代化的企業(yè) 生產(chǎn)過程中，計算機用于生產(chǎn)控制中心已越來越普及，人們都采 用計算機控制系統(tǒng)對生產(chǎn)進行各種綜合控制與管理，所以液位測 量技術(shù)也隨之提出更高的要求，控制系統(tǒng)也更趨智能化、統(tǒng)一化， 要求測量的對象要廣、測量的精度要求高、可靠性要好、測量環(huán) 境特殊、實用性要強等。這對測量帶來很大的困難，尤其是液面 具有波動或有氣泡或液面高度隨時間改變的動態(tài)測量，被測物具 有粘滯性或是導(dǎo)電介質(zhì)等等情況時，如何提高測量精度，有時還 要考慮容器的密封性介質(zhì)、是否含有腐蝕物以及是否具有毒性和 易爆性等問題對測量要求的影響。因此，為了滿足

9、各種不同測量條件的要求，人們研制出適合于各種各樣要 求的液位傳感器。根據(jù)所選液位敏感元件的不同，可以有二十多種液位測量方 法。主要分為直接液位測量法和間接液位測量法。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。 然而隨著工業(yè)自動化規(guī)模的不斷擴大，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，具體用途為液位傳感器，即把被測液 體的液位變化按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌诜糯蠛蛡鬟f的電量或非電 量信號的敏感元件及其組裝部分。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、Ho

10、neywell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)其提出的射頻導(dǎo)納原理，推出了射頻 導(dǎo)納電容式液位計，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?輸線理論的射頻導(dǎo)納電容式液位計有較高的測量精度，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。當(dāng)前國外的電容式液位測量儀表的普遍 特點是測量精度高、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，實現(xiàn)了從主控室 到現(xiàn)場儀表的組態(tài)和維護。目前，已廣泛應(yīng)用于石油化

11、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)式電容液位計等，但產(chǎn)品 性能指標、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、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。相對其他方法液位而言，綜合指標 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

12、主要缺點是：電容式傳感器本身結(jié)構(gòu)特性決定輸出阻抗高、負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，負載能力差，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，單片機進行開發(fā)

13、的智能傳感 器對數(shù)據(jù)處理運算。電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢隨著社會經(jīng)濟的發(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)用于工業(yè)、 食品等行業(yè)，實時檢測液位（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，因為不僅這些參量本身重要，同時也因為它們是許多測 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

14、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。2本設(shè)計的電容式液位測量方法測量原理及實現(xiàn)思路傳統(tǒng)電容式液位測量基于圓柱形電容的工作原理。利用被測 介質(zhì)面的變化引起電容大小的變化。本文改進了電容結(jié)構(gòu),如圖所 示。為橫截面圖形，采用兩塊平行平板構(gòu)成測量電容，其中一塊 極板在對角線處進行等分，將被測探頭改進為兩探頭，分別同步 輸出兩路不同信號。圈13改遇平板式電容結(jié)構(gòu)圖Fig3.3 Still ctrne dia giain o f impinve cl flat-plate capacitive設(shè)兩

15、三的形極板的電容分別為。I和, %為兩平行平板的距離，H、刀分 別為三角形極板高度和底邊寬度，&、勺分別為空氣和液體的介電常數(shù)，破測液 位的高度為& 由平行平板公式可推導(dǎo)出：G二二J-.以二立以十弓）（3.10）yy , 2c, = E0+ 方 D&f）（3.11）由式310）、（3.11）可知,在空氣、液體介質(zhì)常數(shù)和液位因時間和環(huán)境 等因素容易發(fā)生變化的場合，上式相當(dāng)于二元一次方程組，G、為液位叫的 一次戚數(shù)，一次頊系數(shù)相等導(dǎo).。氣曲）,h中關(guān)于液體的介電常數(shù)的系數(shù) 都為（電-）,為了消除液位叫的二次頂，旦兩方程中液位為實際所求變量，于 是。1、馬分別對如求微分得到：訴鏈法叮伽E H-久.竺

16、=jf(3.12)互-宓頑-一-則所求液位高度虹=廿萬，只與G和G竹微變之比有關(guān)，與敲測介質(zhì)無關(guān).式3.1?）、313）和。.14）為微分法的具體理論推申 由最終皓果知，液位高 也、*九臺破沏M亂誓般的*艇LTI； ./則二G科如茁#42二聽J.只適作動態(tài)液位測量c對于邊界條仲，冼用初咐LI 被測液位的高度信號總經(jīng)改進型電容傳感器測量轉(zhuǎn)換為電容C恂大小，通過 他容電I君換電路轍村直流曰1右號,L 千町.也.發(fā).變乞，屯容仁和W：rn 應(yīng)皿變，伎設(shè)t = 此,其中7氣T是-時應(yīng)IT關(guān)系。那么起=/（妃必仃=M。把=豈f ；、心如得出死 曲C）g如 妃gH - 虹 .3.15引）M 圈一wg（h*

17、爵性&一勺）生（。如因為兩塊電容C在完全暴露和浸沒沁情所I、總X小相等,那轉(zhuǎn)換電!R打 R _卜礦=成）公式札等，則1貯）=幻侄）由（3.15從禎將電-& 上 .:;T容微變轉(zhuǎn)換為為床.微變,其中J7丸）和方（知）分別由申：）箱（3.13）得山a液體的物理參數(shù)對液位測量的影響被測液體的物理參數(shù)是選擇液位測量方法的重要依據(jù)，它與 液位傳感器的輸出特性有著密切的關(guān)系。其中最主要的物理參數(shù) 有密度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、聲速、液體的表面形狀以及腐蝕情 況等。液體的密度大小及其在浮沉式、靜壓式、稱重式以及超聲 波液位測量中起著重要作用。在電容式液位測量中，起關(guān)鍵作用 的是液體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和液體的腐蝕

18、情況。液體的電導(dǎo)率、介電常數(shù)電導(dǎo)率是電阻值的函數(shù)，與電阻成倒數(shù)關(guān)系，反映物體傳導(dǎo) 電流的能力。介電常數(shù)表征絕緣能力特性的一個系數(shù)，反映束縛 電荷能力的大小，介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電 場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為介電常數(shù) 的電導(dǎo)率。液體的腐蝕情況液位測量儀表的被測介質(zhì)多為水、酸、鹽溶液和非導(dǎo)電的液 體如油、醇、酯類等，它們對液位傳感器的接觸部分都要產(chǎn)生不同 程度的腐蝕作用，使材料的性能變壞、變脆、穿孔、變薄、老化， 影響儀表的測量精度甚至不能正常工作。制作液位傳感器的金屬 和合金材料與被測液體接觸時會產(chǎn)生化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕；非 金屬材料與被測液體接觸時會產(chǎn)生溶

19、解、溶脹、變色、發(fā)粘、硬 脆、龜裂和機械強度下降等現(xiàn)象，上述現(xiàn)象統(tǒng)稱為液體的腐蝕特 性?；瘜W(xué)腐蝕是被測液體或液面上的氣體與金屬材料表面發(fā)生化 學(xué)作用產(chǎn)生化合物，從而使金屬表面遭受破壞。電化學(xué)腐蝕是指 在腐蝕過程中，由于有電流產(chǎn)生，從而加速了金屬的腐蝕過程， 腐蝕過程中除了受金屬的電極電位和生成的腐蝕產(chǎn)物影響外，還 與其他如溫度、濕度、壓力、金屬的內(nèi)應(yīng)力和形變有關(guān)。隨著液 體的溫度和濃度的變化，液體的腐蝕能力也不同。傳感器選材的 耐腐蝕性能應(yīng)根據(jù)傳感器在使用過程中的耐用年限、測量精度和 靈敏度的變化情況而決定。耐用年限通常在12年以上，也可以 根據(jù)被測對象的具體情況和設(shè)計要求決定傳感器的耐用年限

20、。傳 感器材料的防腐方法很多，最主要的措施是合理地選用耐腐蝕金 屬和非金屬材料制作傳感器。因此，為了正確地選擇傳感器的材 料必須了解各種液體的腐蝕情況及其耐腐材料。極板設(shè)計極板設(shè)計相當(dāng)于設(shè)計一電容傳感器，將被測量的變化轉(zhuǎn)換成 電容量變化的一種裝置，實質(zhì)就是一個具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快等突出的優(yōu)點。隨著電 子技術(shù)的發(fā)展，它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點不斷 得以克服，而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器。 電容式傳感器的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點與其正確設(shè)計、 選材以及精細的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過程中，在 所要求的量程、溫度和壓力等

21、范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、 高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。對于電容極板 的設(shè)計，根據(jù)液體的物理參數(shù)對液位測量的影響分析知，設(shè)計中 考慮以下幾個方面：減少環(huán)境溫度濕度等變化所受影響，保證絕緣材料的絕緣 性能。溫度變化使傳感器內(nèi)零件的幾何尺寸和相互位置及某些介 質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤 差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。消除和減少邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容式傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線 性，因此盡量減小并消除它。適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊 長與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可 能限制測量范圍。電極應(yīng)做得盡量薄使

22、之與極間距相比很小，這 樣也可減小邊緣電場的影響。減小和消除寄生電容的影響寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)影響傳感器靈敏度，而它的變 化則為虛假信號，影響傳感器的精度。防止和減小外界干擾電容式傳感器是高阻抗傳感元件，易受外界干擾的影響。當(dāng) 外界干擾（如電磁場）在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信 號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差，甚至使傳感器無法正常 工作。通過以上理論分析歸納出，防止和減少干擾的措施有:屏蔽和接地。用良導(dǎo)體做傳感器殼體，將傳感元件包圍起 來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)套住導(dǎo)線彼此絕緣（即屏蔽電纜）， 金屬網(wǎng)可靠接地；用雙層屏蔽線可靠接地；用雙層屏蔽罩且可靠 接地；傳感器與測量電路前置級

23、一起裝在良好屏蔽殼體內(nèi)可靠接 地等等。增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線間的分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離 的遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時可采 用同軸屏蔽電纜線。盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或 寬印制線。盡量采用差動式電容傳感器。通過完善極板即傳感器結(jié)構(gòu)，可以提高靈敏度，減小非線性 誤差，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等其他環(huán)境因素導(dǎo)致的 測量誤差。除了設(shè)計中注意以上事項外，在本電容極板設(shè)計中， 如圖。為適合在導(dǎo)電和非導(dǎo)電介質(zhì)中的通用性，在電容平板上鍍 有絕緣性的綠釉，實現(xiàn)了測量各種不同介質(zhì)的要求。液位測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成電容式液位測量系統(tǒng)由電容

24、極板、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù) 采集卡和計算機軟件構(gòu)成。如圖，將被測液位的兩路信號1C和 2C通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路，處理為兩列直流電壓信號，通過數(shù)據(jù) 采集卡采集后送入單片機或計算機，最終實現(xiàn)算法的設(shè)計。其中 電容極板設(shè)計時需注意消除和減小邊緣效應(yīng)和寄生電容的影響， 同時要保證平板電容良好的絕緣性能和抗外界干擾性。圖3.5電容式瘢位測量系統(tǒng)的設(shè)計Fig3.5 Capacitiveiqiii 11 evel measiuement syslenis design3硬件設(shè)計液位測量系統(tǒng)的整個硬件測量電路如圖，可以分以下幾部 分：電源電路、電容測量電路、硬件濾波電路和放大調(diào)零電路。 為了保證測量精度和抵

25、御溫度因素的影響，在硬件電路中所有的 元器件都選用貼片元器件。電源電路設(shè)計本系統(tǒng)為12V直流供電，系統(tǒng)內(nèi)需要+5V電源、對地電源。在實驗中，采用功率為35W，輸出為12V/3A的直流開關(guān)電源。本系統(tǒng)之所以使用+5V電源是為了滿足采集卡的需要，且可以在 多種場合廣泛使用。具體實現(xiàn)如圖所示。14.2 12V/5V電源轉(zhuǎn)換電路Fig4.? 1 7/57 Powa- Conva-sian Circuit圖中標號IC1的芯片為MC78L05CP，是美國Motorola公司生 產(chǎn)的電壓轉(zhuǎn)換器。MC78L05CP的輸入電壓為20Vdc，輸出電壓為， 輸出電流最大可達到100mA，工作溫度為01250C，該芯

26、片的最 大特點是內(nèi)部熱過載保護及內(nèi)部短路電流限制。電容測量電路設(shè)計測量電容量的方法很多，本設(shè)計使用振蕩法和差動脈沖寬度 調(diào)制法結(jié)合實現(xiàn)，實際應(yīng)用電路分為兩部分：脈沖信號產(chǎn)生電路、 信號處理電路。脈沖信號產(chǎn)生電路如圖所示。G1SE-圖中分別由IC1、RB和CB, IC2、RT和CT組成的兩組矩形波圖4 （5豚沖毒號產(chǎn)生電路Fig4.6Pid5e signal generate circuitGNDvccG2.Cl 1 IC12 1111 IlrGNDvec4OTTITTL. QUTLFFIL. GKDD? TG.4PVOC+ TREEOI7TFIL QUTLPFH GWVGCt IRES振蕩器，

27、其理論頻率為f=（RC）。IC1芯片為LM567,是一種常見的低 價解碼集成電路，其內(nèi)部包含了兩個鑒相器、放大器、電壓控制 振蕩器VCO等單元。選用適當(dāng)?shù)亩〞r元件，可使LM567的振蕩 頻率在500kHz內(nèi)連續(xù)變化，引腳1、2外接濾波電容。其中CB 為參考電容，CT為被測電容。當(dāng)電容CT變化時，引腳5RT輸出 受CT控制的頻率信號，RB始終為固有頻率。通過后續(xù)信號處理 電路比較兩列頻率信號，即可變頻率脈沖信號寬度對固有頻率脈 沖信號寬度的占空比，最終得出被測電容信號電壓的實際大小。信號處理電路如圖所示，這是圖的具體實現(xiàn)電路。參考電容產(chǎn)生的脈沖的占空比為50%，以+5V為參考電壓， 則理想直流電

28、壓分量為。被測電容產(chǎn)生的脈沖的占空比為1/12, 理想直流電壓為參考電容電壓的1/6,即得出被測電容為參考電容 的 1/6。放大調(diào)零電路設(shè)計在實際測量中，被測量電容的變化范圍很大，當(dāng)介質(zhì)的介電 系數(shù)很大時，對應(yīng)電容就很大，相對應(yīng)的電壓就大；當(dāng)介質(zhì)的介 電系數(shù)很小時，電容就小，相對應(yīng)的電壓就小。所以設(shè)計了放大 調(diào)零電路，具體電路如圖和所示。圖4.1。放大調(diào)電網(wǎng)Fi4.10 Atiipli ficati oai and zero adjustment circuit囹4.】1運算散大輯屯路圈Fig4.11 paRtioiicunpliiia circuit diagianiCCTIDUT4INL-

29、IN4-IN1+1N4+VCC-VCC-IN2+JN3+gIN3-OUT2UT5該電路為反相求第運算電蹄根據(jù)虛疝T和虛折的原則*求得-l件呈竺竺陽P 把+E .R亂|成凡、時、和運常放大器組成成大借數(shù)為（1+判目二.的放 大電跖巖令+即、,財放大i言數(shù)為m ，i焰、孫：屈構(gòu)也減并 電路，調(diào)節(jié)良和風(fēng)的阻LT.枷5零點位置,瓦和j構(gòu)成簡單的低通濾波,來消 除高頻唉聲信號的干擾，通過放大調(diào)零電路的處理使得電壓信號滿足采集卡的需些為后續(xù)軟件程序提供了有利條件，本設(shè)計的液位高度與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計在前面硬件電路的設(shè)計基礎(chǔ)上，完成了對電容信號的處理， 使得輸出電壓滿足采集卡的需要，從而實現(xiàn)A

30、/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后， 通過軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)算法。本設(shè)計所用的輸出電壓是05V， 選用的轉(zhuǎn)換芯片是ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256 級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電 壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時 間僅為32，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接 和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的 實現(xiàn)通道功能的選擇。下面是它與單片機的接口電路：將上面得到的電壓信號接到輸入通道CH0或CH1上，就可以 送入單片機處理了。4誤差分析

31、電容測量誤差對精度的影響可以從測量原理及電容式液位系統(tǒng)分析出電容測量誤差的 來源：電容本身由于是非工業(yè)級應(yīng)用，只為驗證課題理論的正確性。在制作 電容極板中，采用絕緣介質(zhì)為綠釉的PCB形式，平板形狀不是絕 對平行，且長期在溶液中易發(fā)生形變，在固定時采用邊緣小螺絲 固定，會引入一定的雜散電容。信號處理由于在測量方法中采用微分運算處理，相對微變信號理論性 更為準確，可是實現(xiàn)精確的電容頻率脈沖計數(shù)有一定的難度；另 外在電路板PCB制作過程中，盡管選用了 SMT貼片式元器件，適 當(dāng)減小了雜散電容等無用信號的干擾，但不可避免的存在著誤 差，如在外界電磁干擾下也會發(fā)生信號失真，尤其是充放電的電 容值，從而造

32、成系統(tǒng)誤差。軟件差分運算在對微分法理論進行論證中，通過數(shù)據(jù)采集 卡采集到的信號用計算機軟件程序來控制實現(xiàn)運算，如在液位波 動頻繁的情況中，采樣值難免會記錄錯誤值，從而對計算結(jié)果造 成影響。雖然在電容測量中存在著誤差，但是這些誤差對所有電 容的作用都一樣，在經(jīng)過不斷調(diào)試和軟件程序平均值濾波等之 后，對液位精度的影響很小。影響液位測量的主要因素在前面已經(jīng)具體分析了液體本身的物理參數(shù)對液位測量的 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件 的材料選用起決定性作用。通過實驗驗證，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

33、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行下次采樣，從而進行微分運算，是計算 液面位置的重要依據(jù)，所以對測量精度的影響很大。閾值設(shè)置小 了，容易將非計算液位判斷為計算液位面；置大了又對微分運算 產(chǎn)生影響。所以應(yīng)根據(jù)實際情況，選擇合適的閾值。5總結(jié)本文針對電容式液位測量需要預(yù)先獲知被測液體的介電常 數(shù)并需要定期標定等不足，提出了一種無需標定且與介質(zhì)無關(guān)的 液位測量方法，不僅能夠擴大電容式液位測量的應(yīng)用范圍，而且 測量精度不會隨著時間的變化而發(fā)生改變，大大提高了液位檢測