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(cè)量技術(shù)的發(fā)展4電容式液位測(cè)量現(xiàn)狀4電容式液位測(cè)量存在的問題5電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢(shì)5 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2本設(shè)計(jì)的電容式液位測(cè)量方法6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 測(cè)量原理及實(shí)現(xiàn)思路6液體的物理參數(shù)對(duì)液位測(cè)量的影響8 HYPERLINK l boo

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

3、RLINK l bookmark56 o Current Document A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)16 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 4誤差分析17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 電容測(cè)量誤差對(duì)精度的影響17 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 影響液位測(cè)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(xiàn)20摘要在工業(yè)自動(dòng)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(duì)液位進(jìn)行精確測(cè)量，繼而進(jìn)行自動(dòng)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(cè)量的方法有二十多種，分為直接法和間接 法。直接液位測(cè)量法是以直觀的方法檢測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)r(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是間接測(cè)量方法中最常用的方法之一。本設(shè)計(jì)采用一種與介質(zhì)無關(guān)的電容式液位測(cè)量方法

5、，解決了 傳統(tǒng)電容測(cè)量與被測(cè)介質(zhì)有關(guān)的技術(shù)難題。它可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)液 位測(cè)量，尤其是在被測(cè)液體本身介質(zhì)常數(shù)和液位，隨時(shí)間和環(huán)境 等因素容易發(fā)生變化的場(chǎng)合，如車用燃油油位的計(jì)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(jìn) 了一步，對(duì)滿足石油化工等液位檢測(cè)領(lǐng)域的迫切需求具有重大的 理論和應(yīng)用價(jià)值，前景十分廣闊。消除電容式液位測(cè)量方法中介質(zhì)介電常數(shù)的因素是關(guān)鍵，設(shè) 計(jì)符合測(cè)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(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集后送入單片機(jī)或計(jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn) 算法的設(shè)計(jì)。其中電容極板設(shè)計(jì)時(shí)需注意消除和減小邊緣效應(yīng)和 寄生電容的影響，同時(shí)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(jì)和理論分析的基礎(chǔ)之上，從硬件各部分進(jìn)行 具體的設(shè)計(jì)，包括硬件電路和各環(huán)節(jié)的信號(hào)量匹配等。通過理論 計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了此液位儀具有良好的性能，達(dá)到了要求 的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)指出了需要改進(jìn)和完善的地方。1緒論引言在各種化工、食品、石油倉儲(chǔ)等工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常要對(duì)存 儲(chǔ)在儲(chǔ)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(cè)量和控制，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行。通常方法是對(duì) 物位進(jìn)行測(cè)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(chǔ)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(cè)量這些參數(shù)的傳感器稱物位傳感器，其中根據(jù)測(cè)量的 物位范圍或測(cè)量對(duì)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(cè)量是一門測(cè)量氣液、液液或液固分界面位置的 測(cè)量技術(shù)，它包括對(duì)測(cè)量對(duì)象（被測(cè)介質(zhì)及其容器、環(huán)境條件）、 測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x表的研究。液位測(cè)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(duì)物料的表面位置進(jìn)行記錄和儲(chǔ)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(dòng) 化程度的不斷提高，必須首先

8、對(duì)液位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)以 保證自動(dòng)化生產(chǎn)能夠自動(dòng)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(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)控制中心已越來越普及，人們都采 用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行各種綜合控制與管理，所以液位測(cè) 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(cè)量的對(duì)象要廣、測(cè)量的精度要求高、可靠性要好、測(cè)量環(huán) 境特殊、實(shí)用性要強(qiáng)等。這對(duì)測(cè)量帶來很大的困難，尤其是液面 具有波動(dòng)或有氣泡或液面高度隨時(shí)間改變的動(dòng)態(tài)測(cè)量，被測(cè)物具 有粘滯性或是導(dǎo)電介質(zhì)等等情況時(shí)，如何提高測(cè)量精度，有時(shí)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(duì)測(cè)量要求的影響。因此，為了滿足

9、各種不同測(cè)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(cè)量方 法。主要分為直接液位測(cè)量法和間接液位測(cè)量法。直接液位測(cè)量 法是以直觀的方法檢測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)量方法，具體用途為液位傳感器，即把被測(cè)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(hào)的敏感元件及其組裝部分。電容式液位測(cè)量現(xiàn)狀在電容式液位測(cè)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(jì)，它可以克服由于掛料影響產(chǎn)生的測(cè)量誤差， 從而在電容式液位測(cè)量這一領(lǐng)域取得了巨大的成功。基于均勻傳 輸線理論的射頻導(dǎo)納電容式液位計(jì)有較高的測(cè)量精度，可以應(yīng)用 在高溫、高壓、腐蝕性液位測(cè)量場(chǎng)合，有著許多其他類型液位測(cè) 量?jī)x表無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前國外的電容式液位測(cè)量?jī)x表的普遍 特點(diǎn)是測(cè)量精度高、自動(dòng)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(chǎng)儀表的組態(tài)和維護(hù)。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(chǎng)，在我國的 液位測(cè)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(cè)量有所成就，典型的是上海自動(dòng)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(cè)量存在的問題電容式液位測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、分 辨力強(qiáng)、無可動(dòng)部件、不易損壞、使用壽命長(zhǎng)、需要作用能量低、 并能在惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)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(cè)量精 度。電容式液位測(cè)量的

12、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，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(lì)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(cè)量的信號(hào)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(cè)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(hào)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)

13、的智能傳感 器對(duì)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。電容式液位傳感器的發(fā)展趨勢(shì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暷茉吹南模岢隹?持續(xù)發(fā)展、節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。液位測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 食品等行業(yè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)液位（如油位的檢測(cè)）的變化情況，對(duì)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(cè)的四大參量之一，其余三個(gè)分別為壓力、 溫度、流量等三熱工參量的檢測(cè)，這些參量的檢測(cè)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(cè) 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(gè)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(gè)方面，即：非接觸 測(cè)量；液位測(cè)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(gè)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(jì)的電容式液位測(cè)量方法測(cè)量原理及實(shí)現(xiàn)思路傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量基于圓柱形電容的工作原理。利用被測(cè) 介質(zhì)面的變化引起電容大小的變化。本文改進(jìn)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(cè)量電容，其中一塊 極板在對(duì)角線處進(jìn)行等分，將被測(cè)探頭改進(jìn)為兩探頭，分別同步 輸出兩路不同信號(hào)。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(cè)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(shí)間和環(huán)境 等因素容易發(fā)生變化的場(chǎng)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(shí)際所求變量，于 是。1、馬分別對(duì)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(cè)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(tái)破沏M亂誓般的*艇LTI； ./則二G科如茁#42二聽J.只適作動(dòng)態(tài)液位測(cè)量c對(duì)于邊界條仲，冼用初咐LI 被測(cè)液位的高度信號(hào)總經(jīng)改進(jìn)型電容傳感器測(cè)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(hào),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(shí)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?yàn)閮蓧K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(duì)液位測(cè)量的影響被測(cè)液體的物理參數(shù)是選擇液位測(cè)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(cè)量中起著重要作用。在電容式液位測(cè)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(gè)系數(shù)，反映束縛 電荷能力的大小，介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電 場(chǎng)，原外加電場(chǎng)（真空中）與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為介電常數(shù) 的電導(dǎo)率。液體的腐蝕情況液位測(cè)量?jī)x表的被測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)液體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕；非 金屬材料與被測(cè)液體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生溶

19、解、溶脹、變色、發(fā)粘、硬 脆、龜裂和機(jī)械強(qiáng)度下降等現(xiàn)象，上述現(xiàn)象統(tǒng)稱為液體的腐蝕特 性。化學(xué)腐蝕是被測(cè)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(cè)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(cè)對(duì)象的具體情況和設(shè)計(jì)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(jì)極板設(shè)計(jì)相當(dāng)于設(shè)計(jì)一電容傳感器，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成 電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等突出的優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)與其正確設(shè)計(jì)、 選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計(jì)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(duì)于電容極板 的設(shè)計(jì)，根據(jù)液體的物理參數(shù)對(duì)液位測(cè)量的影響分析知，設(shè)計(jì)中 考慮以下幾個(gè)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(zhǎng)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(cè)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(chǎng)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(hào)，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(chǎng)）在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信 號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)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(cè)量電路前置級(jí)

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(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時(shí)可采 用同軸屏蔽電纜線。盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或 寬印制線。盡量采用差動(dòng)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(cè)量誤差。除了設(shè)計(jì)中注意以上事項(xiàng)外，在本電容極板設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了測(cè)量各種不同介質(zhì)的要求。液位測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成電容式液位測(cè)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(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成。如圖，將被測(cè)液位的兩路信號(hào)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(hào)，通過數(shù)據(jù) 采集卡采集后送入單片機(jī)或計(jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)算法的設(shè)計(jì)。其中 電容極板設(shè)計(jì)時(shí)需注意消除和減小邊緣效應(yīng)和寄生電容的影響， 同時(shí)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(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Fig3.5 Capacitiveiqiii 11 evel measiuement syslenis design3硬件設(shè)計(jì)液位測(cè)量系統(tǒng)的整個(gè)硬件測(cè)量電路如圖，可以分以下幾部 分：電源電路、電容測(cè)量電路、硬件濾波電路和放大調(diào)零電路。 為了保證測(cè)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(jì)本系統(tǒng)為12V直流供電，系統(tǒng)內(nèi)需要+5V電源、對(duì)地電源。在實(shí)驗(yàn)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(chǎng)合廣泛使用。具體實(shí)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(biāo)號(hào)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(dá)到100mA，工作溫度為01250C，該芯

26、片的最 大特點(diǎn)是內(nèi)部熱過載保護(hù)及內(nèi)部短路電流限制。電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)測(cè)量電容量的方法很多，本設(shè)計(jì)使用振蕩法和差動(dòng)脈沖寬度 調(diào)制法結(jié)合實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用電路分為兩部分：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、 信號(hào)處理電路。脈沖信號(hào)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(hào)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L(zhǎng)M567,是一種常見的低 價(jià)解碼集成電路，其內(nèi)部包含了兩個(gè)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(shí)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(cè)電容。當(dāng)電容CT變化時(shí)，引腳5RT輸出 受CT控制的頻率信號(hào)，RB始終為固有頻率。通過后續(xù)信號(hào)處理 電路比較兩列頻率信號(hào)，即可變頻率脈沖信號(hào)寬度對(duì)固有頻率脈 沖信號(hào)寬度的占空比，最終得出被測(cè)電容信號(hào)電壓的實(shí)際大小。信號(hào)處理電路如圖所示，這是圖的具體實(shí)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(cè)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(cè)電容為參考電容 的 1/6。放大調(diào)零電路設(shè)計(jì)在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)量電容的變化范圍很大，當(dāng)介質(zhì)的介電 系數(shù)很大時(shí)，對(duì)應(yīng)電容就很大，相對(duì)應(yīng)的電壓就大；當(dāng)介質(zhì)的介 電系數(shù)很小時(shí)，電容就小，相對(duì)應(yīng)的電壓就小。所以設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(shí)、和運(yùn)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(cái)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(diǎn)位置,瓦和j構(gòu)成簡(jiǎn)單的低通濾波,來消 除高頻唉聲信號(hào)的干擾，通過放大調(diào)零電路的處理使得電壓信號(hào)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(jì)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(jì)在前面硬件電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，完成了對(duì)電容信號(hào)的處理， 使得輸出電壓滿足采集卡的需要，從而實(shí)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(jì)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(dá)256 級(jí)，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(shí) 間僅為32，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。下面是它與單片機(jī)的接口電路：將上面得到的電壓信號(hào)接到輸入通道CH0或CH1上，就可以 送入單片機(jī)處理了。4誤差分析

31、電容測(cè)量誤差對(duì)精度的影響可以從測(cè)量原理及電容式液位系統(tǒng)分析出電容測(cè)量誤差的 來源：電容本身由于是非工業(yè)級(jí)應(yīng)用，只為驗(yàn)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(duì)平行，且長(zhǎng)期在溶液中易發(fā)生形變，在固定時(shí)采用邊緣小螺絲 固定，會(huì)引入一定的雜散電容。信號(hào)處理由于在測(cè)量方法中采用微分運(yùn)算處理，相對(duì)微變信號(hào)理論性 更為準(zhǔn)確，可是實(shí)現(xiàn)精確的電容頻率脈沖計(jì)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(hào)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(huì)發(fā)生信號(hào)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(yùn)算在對(duì)微分法理論進(jìn)行論證中，通過數(shù)據(jù)采集 卡采集到的信號(hào)用計(jì)算機(jī)軟件程序來控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，如在液位波 動(dòng)頻繁的情況中，采樣值難免會(huì)記錄錯(cuò)誤值，從而對(duì)計(jì)算結(jié)果造 成影響。雖然在電容測(cè)量中存在著誤差，但是這些誤差對(duì)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(duì)液位精度的影響很小。影響液位測(cè)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(duì)液位測(cè)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(duì)測(cè)量液位的敏感元件 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(cè)量 中起關(guān)鍵性作用：電容極板結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量的影響敏感元件電容極板直接感受被測(cè)量，電容的準(zhǔn)

33、確性對(duì)測(cè)量至 關(guān)重要。電容極板本身結(jié)構(gòu)，比如尺寸、長(zhǎng)度等直接決定著液位 測(cè)量的精度。增加初始值，可以使寄生電容和相對(duì)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(hào)引線 的選用，也會(huì)對(duì)液位測(cè)量的精度產(chǎn)生影響。設(shè)定值（或稱為閥值）對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量精度的影響很大。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(duì)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。5總結(jié)本文針對(duì)電容式液位測(cè)量需要預(yù)先獲知被測(cè)液體的介電常 數(shù)并需要定期標(biāo)定等不足，提出了一種無需標(biāo)定且與介質(zhì)無關(guān)的 液位測(cè)量方法，不僅能夠擴(kuò)大電容式液位測(cè)量的應(yīng)用范圍，而且 測(cè)量精度不會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，大大提高了液位檢測(cè)