电容式导电液体液位传感器

. 整理文档 传传 感感 器器 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 电容式导电液体液位传感器电容式导电液体液位传感器 CapacitiveCapacitive conductiveconductive liquidliquid levellevel sensorsensor 学院名称：学院名称： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师姓名：指导教师姓名： 指导教师职称：指导教师职称： 教教 授授 2012 年 1 月 . 整理文档 电容式导电液体液位传感器电容式导电液体液位传感器 专业班级：* 学生姓名：* 指导老师：* 职称：* 摘要 在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需 要对液位进行测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。 通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测 量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工 业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测 量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、 液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格 低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。 本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测 非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可 实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是 很有发展前途的一种传感器 。 本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于 导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以 很方便地测量出液面的位置。 此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路 的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本 知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计 的能力。 . 整理文档 关键词：液位测量 电容式传感器 测量电路 电容 传感器测量 目录 第一章 绪论.3 1.1 引言.3 1.2 电容式液位测量技术的发展.3 1.2.1 电容式液位测量现状.3 1.2.2 电容式液位测量存在的问题.4 1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势.4 第二章 实验原理.5 2.1 电容传感器 .5 2.2 电容传感器实物图.6 2.3 电路结构.8 2.4 实验所需部件.8 2.4.1 差动放大器.8 2.4.1.1 高精度运算放大器的构成.8 2.4.1.2 OP07CP.9 2.4.2 低通滤波器.11 2.4.2.1 低通滤波器的构成.11 2.4.2.2 HA17741 1A1.11 . 整理文档 2.4.3 电容变换器.12 2.4.3.1 电容变换器的构成.12 2.4.3.2 CA3140E.14 第三章 实验结果及数据处理.16 3.1 初次实验.16 3.2 二次实验.18 第四章 影响液位测量的主要因素.19 结论和心得体会.20 致 谢.21 参考文献.22 附录：课程设计任务书.23 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中 的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行。通 常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种，其中液位又显得尤 为重要，液位是指积存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐水库 水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。用于测量这些参数的传感器称液位传感器 液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较多，按原理分有 浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计完成，其结构、量程 和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂，制造成本偏高；市面上也有现成的液 . 整理文档 位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量 电流或电压，有些为机械指针读数，不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液 面易引起读数的波动；也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案。本文利 用圆柱形电容器原理，通过测量导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小而进行监控， 设计出一种液位检测装置。使用电容式传感器进行液位测量，具有以下优点：低成本（即 对于传感器有比较成熟的技术） 、低功耗、高线性度、对应用场合的几何形状有较高的适应 性。 1.21.2 电容式液位测量技术的发展电容式液位测量技术的发展 1.2.11.2.1 电容式液位测量现状电容式液位测量现状 在电容式液位测量这一领域的研究及应用，以美国的 DREXELBROOK 公司、 Honeywell 公司为代表的外国公司已经取得了令人瞩目的成就。尤其是 DREXELBROOK 公 司依据其提出的射频导纳原理，推出了射频导纳电容式液位计，它可以克服由于挂料影响 产生的测量误差，从而在电容式液位测量这一领域取得了巨大的成功。基于均匀传输线理 论的射频导纳电容式液位计有较高的测量精度，可以应用在高温、高压、腐蚀性液位测量 场合，有着许多其他类型液位测量仪表无法比拟的优点。当前国外的电容式液位测量仪表 的普遍特点是测量精度高、自动化程度高，具有 420mA 电流输出，采用 HART 协议、 Honeywell 协议等智能通讯协议，实现了从主控室到现场仪表的组态和维护。目前，已广泛 应用于石油化工业、食品、医疗卫生等领域，一些产品也成功打入我国市场，在我国的液 位测量领域占据主导地位。当然随着国内的自主研发，电容式液位测量有所成就，典型的 是上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所等部门开发了开关和连续式电容液位计 等，但产品性能指标、功能与国外同类产品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和 智能化等方面。 1.2.21.2.2 电容式液位测量存在的问题电容式液位测量存在的问题 电容式液位测量具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、无可动部件、不 . 整理文档 易损坏、使用寿命长、需要作用能量低、并能在恶劣环境工作等优点。相对其他方法液位 而言，综合指标最好，但它也存在一些不足，从而影响了它的适用范围和测量精度。 电容式液位测量的主要缺点是： 电容式传感器本身结构特性决定输出阻抗高、负载能力差 电容式传感器的电容量一般很小，仅几十至几百皮法，使得电容式传感器的输出阻抗 高，负载能力差，从而易受外界干扰，产生不稳定现象，为此，需采取有效的技术措施， 如适当激励频率，采取屏蔽接地措施，尽量缩短传感器的引线来提高抗干扰能力。 电容式液位测量的信号处理较困难 因电容式传感器的电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及 传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容较大，给实现精确的电容信号转换带来困 难，为此，从硬件及软件两部分着手，如德国 AMG 公司开发的模数一体化集成电路 CAV424 电容电压转换器，单片机进行开发的智能传感器对数据处理运算。 1.2.31.2.3 电容式液位传感器的发展趋势电容式液位传感器的发展趋势 随着社会经济的发展，人们越来越重视能源的消耗，提出可持续发展、节约型社会的 建设。液位测量技术广泛应用于工业、食品等行业，实时检测液位（如油位的检测）的变 化情况，对确保工业生产的正常进行和防止事故的发生有着重要的作用。 液位作为物位检测的四大参量之一，其余三个分别为压力、温度、流量等三热工参量 的检测，这些参量的检测始终倍受人们的关注，因为不仅这些参量本身重要，同时也因为 它们是许多测量的基础。而液位参量作为四大参量之一，其研究开发工作可分为两个大方 向来开展。 液位传感器的横向发展主要表现为四个方面，即：非接触测量；液位测量系统的 智能化；小型化集成化；数字化。 液位传感器的纵向发展主要表现为四个方面，即：科学技术的全面发展； 科学技术的交叉发展；边沿科学技术；高精度方向发展。 . 整理文档 第二章第二章 实验原理实验原理 2.12.1 电容传感器电容传感器 电容式液位计可以连续测量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及导电液体（比如 酒、醋、酱油等）的液位，如图 1-1 所示。当液位计放入液体中时，导线芯以绝缘层为介 质与周围的液体形成柱形电容器。 图 1 由图 1 可以知道，柱形电容器的电容为 CX= 2 Hx ln d2 d1 式中， 为导线芯绝缘层的介电常数；Hx 为待测水位高度；d1 为导线芯的直径；d2 为 绝缘层的外径；电容式液位计配以适当的测量电路，便可以得到与被测液位成比例的电信 号输出。当液位改变时，内外电极间的覆盖面积随之变化，因而引起电容值的变化。 . 整理文档 可见，电容量与液体高度 Hx 成线性关系。 2.22.2 电容传感器实物图电容传感器实物图 传感器和电路实物图： 传感器实物图： . 整理文档 . 整理文档 2.32.3 电路结构电路结构 电路结构图如下： 图 2 由图 2 所示，可知电路是由电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器构成。 2.42.4 实验所需部件实验所需部件 2.4.12.4.1 差动放大器差动放大器 2.4.1.12.4.1.1 高精度运算放大器的构成高精度运算放大器的构成 高精度运算放大器几乎都是作为直流放大器使用，所以认为其频率特性并不重要。高 精度运算放大器满足以下三个条件： 1.输入失调电压小； . 整理文档 2.输入偏置电流小； 3.开环增益高； 差动放大器的电路图如图 3 所示： 图 3 差动放大器实现的功能是将信号放大。其需要的主要芯片是 1AC156M OP07CP。 2.4.1.22.4.1.2 OP07CPOP07CP OP07 的功能介绍：Op07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电 路。由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V） ，所以 OP07 在很 多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA）和 开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07 的开环增益比 通用型运算放大器 112dB（typ）高，但 GB 积与转换速率却比通用型小，全功率（full power）响应频率并不高。 其特点是：超低偏移： 150V 最大；低输入偏置电流： 1.8nA ；低失调电压漂移： 0.5V/ ；超稳定时间： 2V/month 最大；高电源电压范围： 3V 至22V OP07 的外型图片如图 4 所示： . 整理文档 图 4 其管脚图及内部结构如图 5、图 6 所示。 图 5 图 6 图 6 是 1AC156M 0P07CP 内部结构图； 图 4 为 1AC156M OP07CP 的管 脚图；其中各管脚的连接为： 1 VOS 2 -IN 3 +IN 4 V- 5 NC 6 OUT 7 V+ 8 VCS . 整理文档 OP07CP 运算放大器的电气特性 型名 输入失调电压 Type（max） 偏移电压 /(Uv/oC) Type （max） 输入偏置电流 /nA Type（max） 转换速率 /(V/us) ryp 开环增益/d B typ OP07CP60(150) 0.7（2.5）2.0（12） 0.6112 2.4.22.4.2 低通滤波器低通滤波器 顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用 是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。滤波器一词的英文 是“filter” 。 理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率 fc 之间的所有信号毫无损失的通 过，而高于截止频率 fc 的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称 LPF。在本实验 装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。 2.4.2.12.4.2.1 低通滤波器的构成低通滤波器的构成 图 7 2.4.2.22.4.2.2 HA17741HA17741 1A11A1 . 整理文档 由图 7 可知，应用到的运算放大器是 HA17741 1A1。HA17741 运算放大器实际上就是 uA741，国产型号是 F007，相近的简化就是 LM324。 图 8 如图 8 示，即为 HA17741 管脚图； 它的主要指标为：输入失调电压 10mV，开环输入电阻 1M 欧，开环增益 88100db， 单位增益带宽 1Mhz，输出开环阻抗 60 欧，输出电压转换速度 0.5V/us。 图 9 如图 9 示，是 HA17741 内部电路图； 2.4.32.4.3 电容变换器电容变换器 2.4.3.12.4.3.1 电容变换器的构成电容变换器的构成 1，调零 2，-IN 3,+IN 4, U- 5, 调零 6, OUT 7, U+ 8, NC . 整理文档 电容变换器的电路结构如图 10 所示 图 10 电容变换器的两输入端一个接待测电容 Cx,另外一端接定长电容 C,定长电容为可调容 抗的电容。其目的是提高电容传感器的灵敏度，但同时降低了电容传感器的线性度。 电容变换器工作的原理是：将传感器所测得电容量变化转化为输出直流的变化。 其中 DM74LS20N 的作用是产生方波，其输出波形用示波器观察时，其图形为： 其中 CA3140E 的作用是把 DM74LS20N 产生方波的方波作为输入，然后转化为正弦波， . 整理文档 其输出波形用示波器观察时，其图形为： 2.4.3.22.4.3.2 CA3140ECA3140E 1、 图 10 可知，电容变换器运用到的运算放大器是 CA3140E，CA3140 高输入阻抗运 算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种 BiMOS 高电压的运算放大器在一片集成芯片 上，该 CA3140A 和 CA3140 BiMOS 运算放大器功能保护 MOSFET 的栅极（PMOS 上）中 的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从 4V 至 36V（无论单或双电源),它结合了压电 PMOS 晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互 补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放 元件的功能是为了保护 MOSFET 栅极中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极 低的输入电流和高速性能，操作电源电压在 4V 至 36V。 2、CA3140E 元件的引脚如图 11 所示 . 整理文档 图 11 3、引脚功能表如图 12 所示： 引脚号功能引脚号功能 1 偏置调零端 5 偏置调零端 2 反向输入端 6 输出 3 同向输入端 7 电源+ 4 电源- 8 选通端 图 12 4、CA3140 内部方框图如图 13 所示： 图 13 5、CA3140 内部电路图如图 14 所示： . 整理文档 图 14 6、 直流电源电压 （V+和 V -端子） 36V 最大存储温度范围 -65 150 差模输入电压 8 最大结温（塑料封装） 150 直流输入电压 (V+ +8V) (V- -0.5V) 最大结温（金属罐封装） 175 输入端电流 1mA 温度范围 . 整理文档 第三章第三章 实验结果及数据处理实验结果及数据处理 3.13.1 初次实验初次实验 初次进行试验时测量得到的结果如表 1 所示： 高度/cm 023456789 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 电 压 / V 第五次 14.144.93.462.271.04-2.43-3.64-4.54-5.44 平均值/cm 14.1685.7344.2883.2981.17-2.108-3.228-4.312-5.256 高度/cm 101112131415161718 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 电 压 / V 第五次 -6.49-7.39-8.47-9.36-10.01-10.64-11.21-11.76-12.21 平均值/cm -6.26-7.218-8.094-9.156-9.746-10.43-10.97-11.57-12.082 表 1 对于初始高度设定时，充分考虑到了定值电容对测量结果的影响，通过调节初始时定 值电容的大小，对进入液面以后的电压值进行测量，得到的以上五组试验数据。 通过 MATLAB，对数据进行处理，得到如图 15 所示的图像： . 整理文档 图 15 由所测量得到的数据显示，在 6-13cm 进行测量在线性范围内；在其他区间所得的数据 成曲线形势。 3.23.2 二次实验二次实验 根据表 1 所得结论，对 6-13cm 范围的数据进行测量，所得数据如表 2 所示： 高度/cm 66.577.588.599.5 第一次 -1.88-2.43-3-3.59-4.13-4.58-5.03-5.6 电压 /V 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 误差（平均值与 拟合直线值之差） -0.07090.0104-0.0083-0.06210.09920.06050.0117-0.002 高度/cm 1010.51111.51212.513 . 整理文档 第一次 -6.09-6.66-7.02-7.65-8.12-8.62-9.16 电压 /V 第二次 -6-6.53-7.05-7.53-8.08-8.46-9.03 平均值/cm -6.045-6.595-7.035-7.59-8.1-8.54-9.095 误差（平均值与 拟合直线值之差） -0.00570.0355-0.03320.01310.0143-0.0544-0.0081 表 2 对表 2 所得数据，进行处理得到数据如图 16 所示，再进行一阶曲线拟合得到图 16 中 的直线所示。直线显示：在 6-13cm 之间为线性范围。 图 16 线性度 eL=100%=1.3807% Lmax yF.S . 整理文档 第四章第四章 影响液位测量的主要因素影响液位测量的主要因素 液体本身的物理参数会对液位测量有影响，包括液体的电导率、介电常数和腐蚀情况 等，对测量液位的敏感元件的材料选用起决定性作用。通过实验验证，以下因素在液位测 量中起关键性作用： 电容极板结构对测量的影响 敏感元件电容极板直接感受被测量，电容的准确性对测量至关重要。电容极板本身结 构，比如尺寸、长度等直接决定着液位测量的精度。增加初始值，可以使寄生电容和相对 电容传感器的电容量较小。电容极板板间距离大，寄生电容就大、精度就低；板间距离小， 寄生电容就小、精度就高。所以应根据实际情况，选择合适的电容极板尺寸。另外电容传 感器的材料和电信号引线的选用，也会对液位测量的精度产生影响。 设定值（或称为阀值）对测量精度的影响 阀值是判断是否进行下次采样，从而进行微分运算，是计算液面位置的重要依据，所 以对测量精度的影响很大。阈值设置小了，容易将非计算液位判断为计算液位面；置大了 又对微分运算产生影响。所以应根据实际情况，选择合适的阈值。 结论和心得体会结论和心得体会 测试设计这在一前我都以为是要遥不可及，但现在通过这次传感器的课程设计我明白 了，并不是如此，只要团队合作也可以搞定，我多学了许多的以前课上没有的知识，比如 怎么自己利用简单的原材料设计出有用的传感器，怎么利用电容传感器测量液位等。通过 课程设计，我们对传感器这门课程有了更深一步的了解。它是测量技术里的重要理论 技术基础，在我们测控专业的学习中占据着十分重要的地位。同时也使我们知道，要学好 这门课程，仅学习书本上的知识是不够的，还要有较强的实践能力。因为我们学习知识就 是为了实践。而只有多实践，多设计，才能更好的理解与掌握书本上的东西。另外，电容 式液位测量技术涉及多个领域，由于时间及知识储备有限，本设计还有很多需要改进的地 方，大致有如下几方面： 电容极板的可靠性及实际测量装配有待进一步研究。 . 整理文档 如将系统做成样机或成品，还需要进一步研究系统的可靠性和影响精度的各因数的 相关性等。 致致