电容式液位计蒋明

1、电容式液位计 专 业 : 机械设计 科 目 ：传感器与测试技术学 号 姓 名 ：蒋明日 期 ：2013/5/12 1. 序言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

2、器原理，结合单片机设计出一种智能液位检测装置。液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，随着生产过程自动化程度的不断提高和计算机的普及，人们对液位测量技术也提出了更高要求，要求测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、测量环境特殊、实用性要强等。为了满足各种不同测量条件的要求，人们己研制出很多适合于各种各样要求的液位传感器1。我的课程设计题目是电容式液位计的设计。电容式液位计是依据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化。它可将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式可适

3、用于高温、高压、强腐蚀，易结晶，防堵塞，防冷冻及固体粉状、粒状物料。它可测量强腐蚀型介质的液位，测量高温介质的液位，测量密封容器的液位，与介质的粘度、密度、工作压力无关。前端采用电容式传感器，将液位高度转换成电信号，再利用单片机处理，最终采用液晶显示或数码管显示的方法将液位高度显示出来，并具备远端通信功能（RS485接口）。在本课题设计中，需要完成传感器的设计，侧重于理论分析与电路设计，要求给出详细的计算过程以及分析所设计传感器的各项性能指标。在设计过程中，学会如何收集资料、分析资料，并把在书本中所学到的理论知识综合地应用到解决实际问题当中来；同时，提高英语笔译能力和独立工作及相互协作能力，为

4、将来的工作和学习打下坚实的基础。2.方案设计2.1 总体系统框图图二 系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。显示设备：在此用到8段数码管。控制设备：控制电动机的运行

5、或关闭。2.2传感器设计2.2.1传感器原理 电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。2.2.2电容式液位测量装置的结构和工作原理电容法是用一电容探头感受物面位置的变化。附图（图7-17电容式液位测量结构示意图）a所示为几种用于连续测量的电容探头结构。l是部分或整体绝缘的棍电极，3、4是拉紧或放松的绳电极。如果容器壁由导电材料制成，则只需装入电极1或3或4，容器壁作为另一电极与外壳相连（接

6、地）。如果容器壁由非金属材料制成，则必须使用具有内外电极的管式电极2，或对电极l、3、4另附一个反电极5，也可用金属带6与l、3、4组合，5、6均需接地。测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。空气的介电常数0l，被测物的介电常数为r。物位变化时，电容器的电容变化值C与被测材料的物位高度x成线性关系，即(12.12)式中 h电容器的总高度；C0初始电容值。图7-17b所示是一些进行物位极限位置监控的电容测头结构。这时不再希望探头的电容值在整个高度范围内线性变化，而是希望物位在达到极限位置时电容能发生突变。l和2是部分或全部绝缘的棍电极或绳电极，3是侧面安装的棍电极，它以70角倾斜

7、安装可防止被测液的粘附，4是平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器内物位的测量，如搅拌器。如果容器为非导电材料制成，同样需另外附加一个反向电极。上面提到的整体绝缘探头用于导电材料物位的测量。2.2.3 测量原理图三由图三可知, 当可测量液位H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0 , 根据文献得到电容量为: （1） 式中, C0 为电容量, 单位为F ; 0 为容器内气体的等效介电常数,单位为F/ m; L 为液位最大高度; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。当可测量液位为H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH :

8、 （2）式中, 为容器内气体的等效介电常数, 单位为F/ m。因此, 当传感器内液位由零增加到H 时, 其电容的变化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 参数0 , , R1 , R0 都是定值。所以电容的变化量C 与液位变化量H 呈近似线性关系。因为参数0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 变形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 为常数) (4)。可见, 传感器的电容量值CH 的大小与电容器浸入液体的深度H 成线性关系。由此, 只要测出电容值便能计算出水位。硬件系统设计智能电容液位传感器的硬件系统框图如图2 所示。电容传感器作为555

9、电路的槽路电容,实现电容的变化值和相应频率信号值的转换;频率信号通过光电耦合电路传给单片机,单片机及其外围电路完成频率量的精确测量和液位的计算;为了补偿环境温度对电容值的影响,用DS1820 进行温度测量并通过单片机在软件上做修正;最后的实验结果显示在LCD上。电容传感器光电耦合LCD显示电容频率转换电路单片机数据处理温度采集图1 系统原理框图2 电路设计2.1电容- 频率转换电路图2 为一个由555 定时器构成的多谐振荡器。在这个电路中,定时元件由传感器电容C、串连电阻Ra和Rb 组成。充电时间为1 = ( Ra + Rb) Cln2 ;放电时间为2 = Rb Cln2。当RbRa 时,1

10、近似等于2 , 输出为方波,其周期T 为:T = 2 Rb Cln2 (6)图2 电容频率转换电路555 电路的输出频率的周期与电容量成正比。无液体时电容量为C0 ,则输出频率的周期T0为:T0 = 2 R2C0ln2 （7）那么所求电容值Cx为: （8）从上式可以看出,由于T0 、R2 都是不变的,输出信号U0的周期与被测电容Cx 为线性关系。频率测量电路图3 测频原理框图输入信号通过放大整形电路形成计数的窄脉冲；晶体振荡器产生高稳定度的时基信号，经过分频作为双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测信号通过闸门进入计数器计数显示。若闸门开启时间为Tc、输入信号频率为fx，则计数值为由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理电路中对换一下被测信号Tx和时标信号的输入通道就能完成周期的