基于远程接地的液位测量系统电容式传感器

1、 基于远程接地的液位测量系统电容式传感器作者：Ferran Reverter，秀俊丽，Gerard C.M. Meijer作者单位：卡斯特尔德费尔斯科技学院（EPSC）、加泰罗尼亚技术大学（UPC），Avda。运河奥体的S / N，08860卡斯特尔德费尔斯，巴塞罗那，西班牙。 摘要 本文介绍了基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计和实现。 电容式传感器的电极由经济实惠的材料制成：不锈钢棒和PTFE绝缘线。 接口电路依赖于简单的张弛振荡器和微控制器。 具有有源屏蔽的电缆将传感器互连到接口电路。 通过考虑互连电缆和传感器的寄生分量来分析有源屏蔽电路的稳定性。 该系统已经通过测量接地金属容器中

2、的自来水水平进行实验测试。在70cm的水平范围内，系统具有小于0.35mm的非线性误差和对于测量时间的优于0.10mm的分辨率 为20ms。关键词：液位测量，电容传感器，有源屏蔽，张弛振荡器，微控制器。 一.引言 可以通过测量浸入液体中的两个电极之间的电容来监测河流，水库或容器中的液位1。 用于液位测量的电容传感器的使用具有以下优点： - 低成本（即，可以用可承受的技术构建传感器），低功耗，高线性度以及对于应用的几何形状的容易调整。 电容式液位传感器的工作原理取决于液体的类型2,3。对于导电液体，两个传感器电极中的至少一个必须绝缘，以避免短路。 在液体 - 空气界面下方，液体表现为导体，因此，

3、电容的电介质只是电极绝缘。 在液体 - 空气界面上方，电介质是与电极之间的空气一起的电极绝缘，从而导致更小的电容。 另一方面，对于非导电液体，电极不需要绝缘。 在液体 - 空气界面下方，电介质是液体（其具有比空气的介电常数更高的介电常数），而在界面上方，它是空气。对于这两种类型的液体，如液体水平的提高，所以没有液体 - 空气界面下方的电极和静电电容的面积。 电容传感器可以分为两组4：浮动电容传感器（即其中没有电极接地的传感器）和接地电容传感器（即，两个电极中的一个接地的传感器）。 前者是优选的，因为它们可以被本质上免于杂散电容的接口电路读取4,5。 然而，由于浮动电容传感器的安全原因和/或操作

4、限制，在一些应用中仍然需要接地的电容传感器，例如：接地金属容器中的导电液体的液位测量1,6-9。 参考文献6报道了0.6mm（0.1）的非线性误差对于60cm的测量范围的分辨率为0.1mm。 另一方面，参考文献7示出了对于约70cm的测量范围的1的非线性误差和1mm的分辨率。 在许多工业应用中，传感器远离其电子器件，例如：油箱底部的水位测量8。在这些情况下，为了减少外部噪声/干扰的影响，传感器使用屏蔽电缆连接到接口电路。对于接地电容传感器，普通无源屏蔽（即连接到地的屏蔽）是不合适的，因为电缆的寄生电容（其值可以远大于传感器的寄生电容并且取决于环境条件）将与传感器。为了减少这种寄生电容的影响，接

5、地的电容传感器通常使用有源屏蔽技术连接到接口电路4,5，其依赖于连续地采样电缆的内部导体的电位并且应用它通过放大器连接到屏蔽。遗憾的是，当应用这种技术时，电缆的寄生元件会带来“电子”不稳定性和不准确性10。传感器的寄生分量（其在大尺寸传感器中可能是重要的，例如在本文中呈现的液位传感器）也可以在有源屏蔽电路的性能中起重要作用，然而，它们的效果没有但尚未分析。本文介绍了基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计和实现。 它提供了有源屏蔽电路上的寄生元件（互连电缆和传感器的）的影响的详细分析。 该系统已经通过测量接地金属容器中的导电液体（自来水）的水平而进行实验测试。 二.传感器A. 传感器原型 图

6、1显示了设计的传感器原型的图片。传感器约一米高，有两个电极，其中一个是绝缘的，以便能够测量导电液体。非绝缘电极是不锈钢棒，其在操作条件下将连接到系统接地。绝缘电极是PTFE绝缘线，其标称内径和外径分别为1mm和1.5mm。由于传感器电容直接取决于绝缘体的厚度和介电常数，因此必须使用诸如PTFE（通常称为“特氟隆”）的材料，其是温度稳定的，无孔的，不粘的，以及耐腐蚀。线材设置成U形，使得两端都在水外面。这种配置避免了密封导线末端之一的问题，此外，它使传感器电容加倍6。根据初步实验测试，不建议使用绞合线作为绝缘电极，因为线性和滞后明显恶化;这是因为水可以更容易地以相当不可预测的方式粘在线上。在传感

7、器的顶部，有一块刚性塑料用于设置线的张力。B.理想的电容传感器 当测量导电液体的水平时，总传感器电容实际上等于液体 - 空气界面下方的电极之间的电容。 该电容表示同轴电极结构，即一个电极是导线导体，另一个是围绕导线绝缘的导电液体。 因此，理想地，电容的值可以从1估计: (1)其中是真空的介电常数(= 8.8542 × 10 F/m),是电线绝缘的相对介电常数,d1和d2是线的内径和外径，h是液位, 第一因子2考虑了线被设置为U形，其在第一近似中使电容加倍。从公式 （1）中，对于= 2.04，d = 1mm和d = 1.5mm，我们具有C/h= 0.56pF / mm的灵敏度。C.电路

8、模型 图2a示出了对于电容式液位传感器所考虑的电路模型。 电容是由（1）描述的理想传感器电容，和分别是液体2,11的电阻和电容，是沿传感器的电流回路的电感。 假设传感器的激励信号的频率足够高（高于20kHz）以忽略极化阻抗的影响12。 当液体是导电的并且激发信号的频率不是非常高（例如，几十到几百千赫兹）时，的影响优于的影响，并且的影响可以忽略。 这将电路模型简化为图1所示的电路模型。 2b，其更类似于理想性能（即，其仅受的影响）。 因此，用作接口电路（第III.B节）的振荡器将在这样的频率范围内工作。 另一方面，在高频下，的效应优于的效应，因此，简化的电路模型如图1所示。 2c。 这种“高频”

9、电路模型将用于分析有源屏蔽电路的稳定性（第四部分）。D.传感器的特性 使用阻抗分析仪（Agilent 4294A）在20kHz和15MHz之间的频率范围内测量所设计的传感器原型的阻抗。 然后，使用测量结果提取图8所示的电路模型的参数。 2a。 图3显示了不同水平的自来水的表征结果。 如从（1）所预期的，电容随电平线性增加。 灵敏度为0.47 pF / mm，这与第II.B节中估计的值非常相似。 电阻随着电平遵循逆律律而降低，而电容非常线性地增加，这也是预期的11。 最后，电感随电平线性地下降; 这是因为电流环路的面积随着电平增加而减小。 三.接口电路 图4显示了为接地的电容式液位传感器设计的接

10、口电路。主要模块是：（a）模拟多路复用器，选择要测量的电容，（b）张弛振荡器，执行电容 - 周期转换，以及（c）微控制器，其执行周期到数字转换。 接口电路通过应用三信号技术13在加法（偏移）和/或乘法（增益）误差（例如，由于温度或电源电压的变化）方面进行自动校准。 该技术包括三个测量：（a）传感器测量，（b）参考测量和（c）偏移测量。 所使用的参考是330pF的NP0陶瓷电容器（），其大约是传感器电容的最大值（图3）。 偏移由电容表示，电容是（接地电路的，而不是传感器的）到接地的总杂散电容。 该偏移电容影响三个测量。A. 多路复用器 具有三个2对1（MAX4560）开关的多路复用器选择电容连接

11、到振荡器。 对于每次测量，相应的开关在位置A（即连接到振荡器），而其他两个在位置B（即连接到地）。 例如，对于传感器测量，开关在位置A，而和在位置B.表I总结了三个测量中的每一个的连接到振荡器的等效电容的值。B.张弛振荡器 简单的张弛振荡器（图5a）将接地电容C（其代表由图4中的多路复用器选择的三个电容中的一个）转换为周期调制信号14,15。 这种振荡器依赖于RC电路（由电阻器和电容C形成）和比较器（TLV3501）设置为施密特触发器。 图5b示出了在输出（）和C（）处的电压的波形。 输出信号的周期T等于14： (2)其与C成比例，并且施密特触发比较器的阈值电压（和）等于： (3) (4)我们

12、选择 = = （=10k），使得 = / 3， = 2/ 3和T = C ln 4.充电电阻器 =100k，根据 如图1所示3和Eq。 （2），使电路在21 kHz和360 kHz之间的频率范围内振荡。 该工作频率范围适用于传感器（第II.C节）和执行定时测量的随后的微控制器。 此外，的选择值远大于（图2b），因此后者对测量的影响可以被认为是微不足道的。 表I总结了三个测量中的每一个的合成周期（，和），其中k = ln 4C.单片机 微控制器控制多路复用器，然后测量振荡器输出信号的周期。 周期测量通过嵌入式数字定时器执行，从而产生数字数字N 16。 使用的微控制器是在20 MHz下运行的PIC

13、16F876（Microchip）。 嵌入式16位定时器1和CCP1捕捉模块负责定时测量具有数字定时分辨率= 200ns。 为了减少量化的相对影响，微控制器测量振荡器输出信号的128个连续周期。表I总结了三个测量中的每一个的结果数字值（,和）的值。只要我们有数字，和，通过计算以下比率应用三信号自动校准技术13： (5)根据表1和式 （5），可以通过=M 估计传感器电容的值。 四.主动屏蔽 电容传感器通过三轴电缆连接到接口电路，如图1所示。 第一屏蔽使用有源屏蔽技术（即，屏蔽以与内部导体相同的电位被驱动），因此，电缆的寄生电容对测量的影响显着减小。 第二屏蔽连接到地并且作为电流返回路径。 图6a

14、示出了与理想电容传感器和振荡器电路的电阻器（图5a）一起的有源屏蔽电路。 电缆的屏蔽由配置为电压跟随器的运算放大器（OpAmp）驱动。 具有稳定和精确的有源屏蔽电路的关键点之一是选择OpAmp 10的单位增益带宽（）。接下来，我们解释互连电缆和传感器的寄生分量 确定 图6b示出了图6的等效电路。 当考虑互连电缆的寄生部件时，参见图6a。 电容器表示电缆的内部导体和第一屏蔽之间的电容，是电路和之间的电流回路的电感，是互连导体的电阻。 该电路还包括OpAmp的输出电阻R. 该电路的稳定性条件为10： (6) 其中频率被定义为OpAmp的最大允许带宽以保证稳定性。 使用的电缆通过阻抗分析仪表征，结果

15、为= 98pF / m，= 620nH / m， =1.0/ m。 OpAmp输出电阻一般在50到20017; 最低值 =50是在稳定性方面的最坏情况，因为它产生的最小值。 关于，最差稳定性情况对应于其最大值，其又对应于最大液体水平（根据图3的= 340pF）。 此外，从第III.B节，我们有 = 100k。 因此，从（6），1m互连电缆的稳定性条件为 <16.9MHz 图6c示出了图6的等效电路。 当考虑电缆和电容式液位传感器的寄生分量时，参考图6a。 从稳定性分析的角度来看，传感器的“高频”电路模型（图2c）比“低频”模型（图2b）更关键，因此，前者是 应用于图1。6c该电路的稳定性

16、条件可以很容易地从（6）得出： (7) 当容器装满时，我们有= 340 pF，= 971 pF，= 501 nH（图3）。因此，从（7）可以看出，1m互连电缆的稳定性条件为<10.1MHz，这比上述条件更严重。 因此，传感器的寄生分量显着地减小的值，或者换句话说，它们使得电路更易于不稳定。 如果电缆或传感器的长度增加，的值将减小，因此，应当选择具有较窄带宽的OpAmp，以避免不稳定性。 另一方面，如果电缆或传感器的长度减小，将增加，并且可以选择具有更宽带宽的OpAmp。 考虑到OpAmp带宽越宽，振荡器输出信号10周期中的误差越小，带宽应尽可能宽。 五、实验结果与讨论 设计的测量系统的性

17、能使用图1所示的设置进行实验测试。 将传感器放置在与系统地面连接的金属容器（直径84厘米，直径42厘米）内。 传感器大致位于容器的中心，然而在其它位置（除了传感器非常接近容器壳的位置之外）的性能应该是相同的。 所使用的液体是自来水（电导率为0.50mS / cm），其通过使用两个管被添加到容器的底部和从容器的底部抽出。 从加入/取出的水的体积（其通过化学试管仔细控制）和容器的面积计算实际水平值。 传感器使用1 m互连电缆连接到接口电路。A. 稳定性 有源屏蔽电路的“电子”稳定性在具有不同带宽的几个商业OpAmps的最大水位（约70cm）处进行实验测试。 表II总结了测试的OpAmps，它们的标

18、称和测量的值以及稳定性结果，其与第IV部分中发现的理论稳定性条件（即 <10.1MHz）一致。 从稳定性的角度来看，表II中列出的前三个OpAmps中的任何一个都是一个好的选择。 然而，从精度的角度来看，宽带OpAmp是更可取的。 为此，选择构建有源屏蔽放大器的OpAmp是OPA743。B.线性 图7示出对于在0cm和70cm之间的范围内的不同水位测量的比率M. 为了避免物理磁滞效应，在增加模式中达到所有水平。通过最小二乘法拟合到实验数据的直线是： （8）其中h是以cm计的液位。 等式（8）示出了0.0148的灵敏度和0.0864的偏移，这基本上是由于传感器的偏移电容。 图7还示出了测量

19、的非线性误差。 最大非线性误差约为0.05FSS（满量程跨度），对应于0.35mm。 虽然传感器是远程的，但这种线性度结果仍然比6,7中指定的更好，考虑到设计的原型的简单性，这是非常令人满意的。C.分辨率 固定和稳定水位的比率M的标准偏差小于25×，其对应于0.02mm。 对应于水平h和水平h + 0.10mm的两个群体的直方图是完全可区分的，这意味着分辨率优于0.10mm。 在70cm的电平范围上，这样的分辨率对应于几乎13位。 与V.B一样，这些分辨率结果仍然优于6，7中指定的分辨率，尽管传感器是远程的。 实现该分辨率的总测量时间（即，对于三信号技术中涉及的三个测量）小于20ms，这对于液位测量是完全可接受的。D.滞后 图8示出了滞后测试的实验结果。 特定水平的比率M的值取决于达到什么“方向”的水平; 精确地：M在降低模式中高于在增加模式中。 最大滞后误差为0.13FSS，对应于0.90mm。 这种滞后的原因是“回流现象”2：当液位降低时，在传感器电极上留下一层膜，导致系统显示高于预期的值。 该回流膜取决于液体的粘度，密度和表面张力。 当液面相同并以相同的方式（即通过增加或减少）达到时，M的所得值是相同的，因此显示出良好的重复性。 图1中的滞后试验的起始点和停止点。 图8是这种情况的示例。E.温度的影响 连续测量比率