液位传感器课程设计.docx
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液位传感器课程设计
纲要2
1绪论................................................
3
前言..............................................
3
电容式液位丈量技术的发展..........................
4
电容式液位丈量现状..............................
4
电容式液位丈量存在的问题........................
5
电容式液位传感器的发展趋向......................
5
2本设计的电容式液位丈量方法..........................
6
丈量原理及实现思路................................
6
液体的物理参数对液位丈量的影响
....................8
极板设计..........................................
9
液位丈量系统的基本构成............................
11
3硬件设计12
电源电路设计12
电容丈量电路设计..................................13
放大调零电路设计14
A/D变换电路设计16
4偏差剖析17
电容丈量偏差对精度的影响17
影响液位丈量的主要要素18
5总结19
参照文件20
摘要
在工业自动化生产过程中,为了实现安全迅速有效优良的生产,常常需要对液位进行精准丈量,既而进行自动调理、智能控制使生产结果更趋完美。
往常进行液位丈量的方法有二十多种,分为直接法和间接法。
直接液位丈量法是以直观的方法检测液位的变化状况,如玻璃管或玻璃板法。
但是跟着工业自动化规模的不停扩大,因其方法原始、就地指示、精度低等渐渐被间接丈量方法代替。
目前国内外工业生产中广泛采纳间接的液位丈量方法,如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。
此中电容式液位丈量价钱便宜、构造简单,是间接丈量方法中最常用的方法之一。
本设计采纳一种与介质没关的电容式液位丈量方法,解决了传统电容丈量与被测介质有关的技术难题。
它能够应用于动向液位丈量,特别是在被测液体自己介质常数和液位,随时间和环境等要素简单发生变化的场合,如车用燃油油位的计量,进而向现在高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进了一步,对知足石油化工等液位检测领域的急迫需求拥有重要的理论和应用价值,远景十分广阔。
除去电容式液位丈量方法中介质介电常数的要素是重点,设计切合丈量方法的电容极板,经过电容电压变换电路办理为直流电压信号,由数据收集卡收集后送入单片机或计算机,最后实现算法的设计。
此中电容极板设计时需注意除去和减小边沿效应和寄生电容的影响,同时要保证平板电容优秀的绝缘性能和抗外界扰乱性。
最后在整体设计和理论剖析的基础之上,从硬件各部分进行详细的设计,包含硬件电路和各环节的信号量般配等。
经过理论计算和数据剖析,考证了此液位仪拥有优秀的性能,达到了要求的技术指标,同时指出了需要改良和完美的地方。
1绪论
前言
在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中常常要对储存在储仓罐和其余容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行丈量和控制,以保证生产的正常进行。
往常方法是对物位进行丈量,而物位又能够分为液位、料位、界面三种即:
①液位是指积蓄于各种容器内的液体表面高度及所在的地点称为液位,如油罐水库水塔等容器内所储的液体表面的地点或高度。
②料位是指固体颗粒粉料块料的高度或表面所在地点称为料位,如炉罐槽内的颗粒状或粉末状固体物质的体积或高度。
③界位是指两种或以上的不一样比重且不相容的分界面,如油与水的分界面。
用于丈量这些参数的传感器称物位传感器,此中依据丈量的物位范围或丈量对象不一样又分为液位传感器、料位传感器及界位传感器。
液位丈量是一门丈量气-液、液-液或液-固分界面地点的丈量技术,它包含对丈量对象(被测介质及其容器、环境条件)、丈量方法和丈量仪表的研究。
液位丈量技术在工程领域有着极为宽泛的应用,在一般的生产工艺加工过程中往常只要要对物料的表面地点进行记录和储藏,以作为保证生产工艺安全等方面的需要。
其次跟着生产自动
化程度的不停提升,一定第一对液位丈量数据进行控制与调理以保证自动化生产能够自动控制在最正确状态,再就在现代化的公司生产过程中,计算机用于生产控制中心已愈来愈普及,人们都采纳计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理,所以液位测
量技术也随之提出更高的要求,控制系统也更趋智能化、一致化,要求丈量的对象要广、丈量的精度要求高、靠谱性要好、丈量环
境特别、适用性要强等。
这对丈量带来很大的困难,特别是液面拥有颠簸或有气泡或液面高度随时间改变的动向丈量,被测物拥有粘滞性或是导电介质等等状况时,怎样提升丈量精度,有时还要考虑容器的密封性介质、能否含有腐化物以及能否拥有毒性和易爆性等问题对丈量要求的影响。
所以,为了满
足各种不一样丈量条件的要求,人们研制出适合于各种各种要求的液位传感器。
依据所选液位敏感元件的不一样,能够有二十多种液位丈量方法。
主要分为直接液位丈量法和间接液位丈量法。
直接液位丈量法是以直观的方法检测液位的变化状况,如玻璃管或玻璃板法。
但是跟着工业自动化规模的不停扩大,因其方法原始、就地指示、精度低等渐渐被间接丈量方法代替。
目前国内外工业生产中广泛
采纳间接的液位丈量方法,详细用途为液位传感器,即把被测液体的液位变化按必定规律转变成便于放大和传达的电量或非电量信号的敏感元件及其组装部分。
电容式液位丈量技术的发展
电容式液位丈量现状
在电容式液位丈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获得了令人瞩目的成
就。
特别是
DREXELBROOK公司依照其提出的射频导纳原理,推出了射频
导纳电容式液位计,它能够战胜因为挂料影响产生的丈量偏差,进而在电容式液位丈量这一领域获得了巨大的成功。
鉴于均匀传输线理论的射频导纳电容式液位计有较高的丈量精度,能够应用在高温、高压、腐化性液位丈量场合,有着很多其余种类液位丈量仪表没法比较的长处。
目前外国的电容式液位丈量仪表的广泛
特色是丈量精度高、自动化程度高,拥有4~20mA电流输出,采
用HART协议、Honeywell协议等智能通信协议,实现了从主控室到现场仪表的组态和保护。
目前,已宽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,在我国的液位丈量领域占有主导地位。
自然跟着国内的自主研发,电容式液位丈量有所成就,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、功能与外国同类产品仍有差距,如量程、精度、分辨率、靠谱性和智能化等方面。
电容式液位丈量存在的问题
电容式液位丈量拥有构造简单、动向响应好、敏捷度高、分
辨力强、无可动零件、不易破坏、使用寿命长、需要作用能量低、
并能在恶劣环境工作等长处。
相对其余方法液位而言,综合指标最好,但它也存在一些不足,进而影响了它的合用范围和丈量精度。
电容式液位丈量的主要弊端是:
①电容式传感器自己构造特征决定输出阻抗高、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,进而易受外界扰乱,产生不稳固现象,为此,需采纳有效的技术举措,如适合激励频次,采纳障蔽接地举措,尽量缩短传感器的引线来提升抗扰乱能力。
②电容式液位丈量的信号办理较困难
因电容式传感器的电容量很小,而传感器的引线电缆电容、丈量电路的杂散电容以及传感器极板与四周导体构成的电容等使寄生电容较大,给实现精准的电容信号变换带来困难,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电容电压变换器,单片机进行开发的智能传感器对数据办理运算。
电容式液位传感器的发展趋向
跟着社会经济的发展,人们愈来愈重视能源的耗费,提出可连续发展、节俭型社会的建设。
液位丈量技术宽泛应用于工业、食品等行业,及时检测液位(如油位的检测)的变化状况,对保证工业生产的正常进行和防备事故的发生有侧重要的作用。
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,这些参量的检测一直倍受人们的关注,因为不单这些参量自己重要,同时也因为它们是很多丈量的基础。
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素来展开。
液位传感器的横向发展主要表现为四个方面,即:
①非接触丈量;②液位丈量系统的智能化;③小型化集成化;④数字化。
液位传感器的纵向发展主要表现为四个方面,即:
①科学技术的全面发展;
②科学技术的交错发展;③边沿科学技术;④高精度方向发
展。
2本设计的电容式液位丈量方法
丈量原理及实现思路
传统电容式液位丈量鉴于圆柱形电容的工作原理。
利用被测
介质面的变化惹起电容大小的变化。
本文改良了电容构造,如图所
示。
为横截面图形,采纳两块平行平板构成丈量电容,此中一块
极板在对角线处进行平分,将被测探头改良为两探头,分别同步
输出两路不一样信号。
液体的物理参数对液位丈量的影响
被测液体的物理参数是选择液位丈量方法的重要依照,它与
液位传感器的输出特征有着亲密的关系。
此中最主要的物理参数有密度、电导率、介电常数、声速、液体的表面形状以及腐化状况等。
液体的密度大小及其在浮沉式、静压式、称重式以及超声波液位丈量中起侧重要作用。
在电容式液位丈量中,起重点作用的是液体的电导率、介电常数和液体的腐化状况。
①液体的电导率、介电常数
电导率是电阻值的函数,与电阻成倒数关系,反应物体传导电流的能力。
介电常数表征绝缘能力特征的一个系数,反应约束电荷能力的大小,介质在外加电场时会产生感觉电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最后介质中电场比值即为介电常数的电导率。
②液体的腐化状况
液位丈量仪表的被测介质多为水、酸、盐溶液和非导电的液体如油、醇、酯类等,它们对液位传感器的接触部分都要产生不一样程度的腐化作用,使资料的性能变坏、变脆、穿孔、变薄、老化,影响仪表的丈量精度甚至不可以正常工作。
制作液位传感器的金属和合金资料与被测液体接触时会产生化学腐化与电化学腐化;非金属资料与被测液体接触时会产生溶解、溶胀、变色、发粘、硬脆、龟裂和机械强度降落等现象,上述现象统称为液体的腐化特征。
化学腐化是被测液体或液面上的气体与金属资料表面发生化学作用产生化合物,进而使金属表面遭到破坏。
电化学腐化是指
在腐化过程中,因为有电流产生,进而加快了金属的腐化过程,
腐化过程中除了受金属的电极电位和生成的腐化产物影响外,还
与其余如温度、湿度、压力、金属的内应力和形变有关。
跟着液
体的温度和浓度的变化,液体的腐化能力也不一样。
传感器选材的
耐腐化性能应依据传感器在使用过程中的耐用年限、丈量精度和
敏捷度的变化状况而决定。
耐用年限往常在1~2年以上,也能够
依据被测对象的详细状况和设计要求决定传感器的耐用年限。
传
感器械料的防腐方法好多,最主要的举措是合理地采纳耐腐化金
属和非金属资料制作传感器。
所以,为了正确地选择传感器的材
料一定认识各种液体的腐化状况及其耐腐资料。
极板设计
极板设计相当于设计一电容传感器,将被丈量的变化变换成
电容量变化的一种装置,本质就是一个拥有可变参数的电容器。
电容式传感器拥有构造简单、动向响应快等突出的长处。
跟着电
子技术的发展,它所存在的易受扰乱和散布电容影响等弊端不停
得以战胜,并且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。
电容式传感器的高敏捷度、高精度等独到的长处与其正确设计、
选材以及精美的加工工艺分不开的。
在设计传感器的过程中,在
所要求的量程、温度和压力等范围内,应尽量使它拥有低成本、
高精度、高分辨力、稳固靠谱和高的频次响应等。
关于电容极板
的设计,依据液体的物理参数对液位丈量的影响剖析知,设计中
考虑以下几个方面:
①减少环境温度湿度等变化所受影响,保证绝缘资料的绝缘性能。
温度变化使传感器内零件的几何尺寸和互相地点及某些介质的介电常数发生变化,进而改变传感器的电容量,产生温度偏差。
湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。
②除去和减少边沿效应
边沿效应不单使电容式传感器的敏捷度降低并且产生非线性,所以尽量减小并除去它。
适合减小极间距,使电极直径或边长与间距比很大,可减小边沿效应的影响,但易产生击穿并有可能限制丈量范围。
电极应做得尽量薄使之与极间距对比很小,这样也可减小边沿电场的影响。
③减小和除去寄生电容的影响
寄生电容与传感器电容相并联影响传感器敏捷度,而它的变化则为虚假信
号,影响传感器的精度。
④防备和减小外界扰乱
电容式传感器是高阻抗传感元件,易受外界扰乱的影响。
当外界扰乱(如电磁场)在传感器上和导线之间感觉出电压并与信号一同输送至丈量电路时就会产生偏差,甚至使传感器没法正常工作。
经过以上理论剖析概括出,防备和减少扰乱的举措有:
①障蔽和接地。
用良导体做传感器壳体,将传感元件包围起
来,并靠谱接地;用金属网套住导线相互绝缘(即障蔽电缆),金属网靠谱接地;用双层障蔽线靠谱接地;用双层障蔽罩且靠谱
接地;传感器与丈量电路前置级一同装在优秀障蔽壳体内靠谱接地等等。
②增添原始电容量,降低容抗。
③导线间的散布电容有静电感觉,所以导线和导线之间要离的远,线要尽可能短,最好成直角摆列,若一定平行摆列时可采纳同轴障蔽电缆线。
④尽可能一点接地,防止多点接地。
地线要用粗的良导体或宽印制线。
⑤尽量采纳差动式电容传感器。
经过完美极板即传感器构造,能够提升敏捷度,减小非线性偏差,减小寄生电容的影响和温度、湿度等其余环境要素致使的丈量偏差。
除了设计中注意以上事项外,在本电容极板设计中,如图。
为适合在导电和非导电介质中的通用性,在电容平板上镀有绝缘性的绿釉,实现了丈量各种不一样介质的要求。
液位丈量系统的基本构成
电容式液位丈量系统由电容极板、电容电压变换电路、数据
收集卡和计算机软件构成]。
如图,将被测液位的两路信号1C和
2C经过电容电压变换电路,办理为两列直流电压信号,经过数据
收集卡收集后送入单片机或计算机,最后实现算法的设计。
此中
电容极板设计时需注意除去和减小边沿效应和寄生电容的影响,
同时要保证平板电容优秀的绝缘性能和抗外界扰乱性。
单片机
或
3硬件设计
液位丈量系统的整个硬件丈量电路如图,能够分以下几部
分:
电源电路、电容丈量电路、硬件滤波电路和放大调零电路。
为了保证丈量精度和抵抗温度要素的影响,在硬件电路中全部的
元器件都采纳贴片元器件。
电源电路设计
本系统为12V直流供电,系统内需要+5V电源、对地电源。
在实验中,采纳功率为35W,输出为12V/3A的直流开关电源。
本系统之所以使用+5V电源是为了知足收集卡的需要,且能够在多种场合宽泛使用。
详细实现以下图。
图中标号IC1的芯片为MC78L05CP,是美国Motorola公司生产的电压变换器。
MC78L05CP的输入电压为~20Vdc,输出电压为,
输出电流最大可达到100mA,工作温度为0~1250C,该芯片的最
大特色是内部热过载保护及内部短路电流限制。
电容丈量电路设计
丈量电容量的方法好多,本设计使用振荡法和差动脉冲宽度
调制法联合实现,本质应用电路分为两部分:
脉冲信号产生电路、
信号办理电路。
脉冲信号产生电路以下图。
图中分别由IC1、RB和CB,IC2、RT和CT构成的两组矩形波振荡器,
其理论频次为f=(RC)。
IC1芯片为LM567,是一种常有的低
价解码集成电路,其内部包含了两个鉴相器、放大器、电压控制
振荡器VCO等单元。
采纳适合的准时元件,可使LM567的振荡
频次在~500kHz内连续变化,引脚1、2外接滤波电容。
此中CB
为参照电容,CT为被测电容。
当电容CT变化时,引脚5RT输出
受CT控制的频次信号,RB一直为固有频次。
通事后续信号办理电路比较两列频次信号,即可变频次脉冲信号宽度对固有频次脉冲信号宽度的占空比,最后得出被测电容信号电压的本质大小。
信号办理电路以下图,这是图的详细实现电路。
参照电容产生的脉冲的占空比为50%,以+5V为参照电压,
则理想直流电压重量为。
被测电容产生的脉冲的占空比为1/12,
理想直流电压为参照电容电压的1/6,即得出被测电容为参照电容
的1/6。
放大调零电路设计
在本质丈量中,被丈量电容的变化范围很大,当介质的介电
系数很大时,对应电容就很大,相对应的电压就大;当介质的介
电系数很小时,电容就小,相对应的电压就小。
所以设计了放大
调零电路,详细电路如图和所示。
本设计的液位高度与输出电压的关系
5/v
0
A/D变换电路设计
在前面硬件电路的设计基础上,达成了对电容信号的办理,
使得输出电压知足收集卡的需要,进而实现A/D模数变换。
而后,
经过软件控制程序实现算法。
本设计所用的输出电压是0—5V,采纳的变换芯片是ADC0832。
ADC0832为8位分辨率A/D变换芯片,其最高分辨可达256
级,能够适应一般的模拟量变换要求。
其内部电源输入与参照电
压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片变换时
间仅为32μS,占有双数据输出可作为数据校验,以减少量据偏差,
变换速度快且稳固性能强。
独立的芯片使能输入,使多器件挂接和办理器控制变的更为方便。
经过DI数据输入端,能够轻易的实现通道功能的选择。
下边是它与单片机的接口电路:
将上边获得的电压信号接到输入通道CH0或CH1上,就能够送入单片机办理了。
4偏差剖析
电容丈量偏差对精度的影响
能够从丈量原理及电容式液位系统剖析出电容丈量偏差的根源:
①电容自己
因为是非工业级应用,只为考证课题理论的正确性。
在制作电容极板中,采纳绝缘介质为绿釉的PCB形式,平板形状不是绝对平行,且长久在溶液中易发生形变,在固准时采纳边沿小螺丝固定,会引入必定的杂散电容。
②信号办理
因为在丈量方法中采纳微分运算办理,相对微变信号理论性更为正确,但是实现精准的电容频次脉冲计数有必定的难度;另
外在电路板PCB制作过程中,只管采纳了SMT贴片式元器件,适合减小了杂散电容等无用信号的扰乱,但不行防止的存在着误
差,如在外界电磁扰乱下也会发生信号失真,特别是充放电的电容值,进而造成系统偏差。
③软件差分运算在对微分法理论进行论证中,经过数据收集卡收集到的信号用计算机软件程序来控制实现运算,如在液位颠簸屡次的状况中,采样值不免会记录错误值,进而对计算结果造成影响。
固然在电容丈量中存在着偏差,但是这些偏差对全部电容的作用都同样,在经过不停调试和软件程序均匀值滤波等以后,对液位精度的影响很小。
影响液位丈量的主要要素
在前面已经详细剖析了液体自己的物理参数对液位丈量的影响,包含液体
的电导率、介电常数和腐化状况等,对丈量液位的敏感元件的资料采纳起决定性作用。
经过实验考证,以下要素在液位丈量中起重点性作用:
①电容极板构造对丈量的影响
敏感元件电容极板直接感觉被丈量,电容的正确性对丈量至关重要。
电容极板自己构造,比方尺寸、长度等直接决定着液位丈量的精度。
增添初始值,能够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。
所以应依据本质状况,选择适合的电容极板尺寸。
此外电容传感器的资料和电信号引线的采纳,也会对液位丈量的精度产生影响。
②设定值(或称为阀值)对丈量精度的影响
阀值是判断能否进行下次采样,进而进行微分运算,是计算液面地点的重要依照,所以对丈量精度的影响很大。
阈值设置小了,简单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。
所以应依据本质状况,选择适合的阈值。
5总结
本文针对电容式液位丈量需要早先获知被测液体的介电常数并需要按期标定等不足,提出了一种无需标定且与介质没关的液位丈量方法,不单能够扩大电容式液位丈量的应用范围,并且丈量精度不会跟着时间的变化而发生改变,大大提升了液位检测设施的易用性。
此外,电容式液位丈量技术波及多个领域,因为时间及知识
贮备有限,本设计还有好多需要改良的地方,大概有以下几方面:
①电容极板的靠谱性及本质丈量装置有待进一步研究。
②理论可行的微分法,在实验中整体趋向正确,如需精准获得被测信号、实现微分式算法,在硬件和软件上仍需增强。
③如将系统做成样机或成品,还需要进一步研究系统的靠谱性和影响精度的各因数的有关性。
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