【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 need of the petrochemical industry variety measurement methods are analyzed The charge and discharge capacitance measurement is selected by paring the various methods of measurement .The design and manufacture process are introduced in detail from hardware to software by analyzing the theory of capacitance level measurement .The method based on charge and discharge antiparasitic capacitance disturbance measurement is adopted. which has high accuracy and no affection of the parasitic capacitance .Then the process of measurement is simplified and the measuring efficiency is guaranteed. The project design of the whole measuring system is given. which includes signal detection and acquisition part and signal processing part .The signal detection and acquisition part contains C/V conversion amplification and zero A/D conversion and the signal processing contains RS485 serial munication keyboard. display. watch dog and reset etc .The hardware circuit and software are designed and then debugged based on the overall design and theory analysis. The error of the sensor system is analyzed in this paper ,and the improvement scheme is proposed ,then the bination curve of the experiment data is given. The absolute error of the sensor in this paper is 5mm,the accuracy of measurement is within 1%. [Key Words]:Level measurement。 liquid level sensor。 capacitance measurement。 operational amplifier method . VIII 前言 液位傳感器及積算儀表在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在石油化工等行業(yè)，中轉(zhuǎn)罐、沉降罐、游離水脫出器、電脫出器、緩沖罐、儲(chǔ)運(yùn)罐等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要液位或界面的測(cè)量，在發(fā)電廠的汽包，油箱中也有所應(yīng)用。為此有必要設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)越的液位傳感器及其接收儀表，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人值守，全自動(dòng)的液位測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)量及顯示，提高液位測(cè)量的自動(dòng)化測(cè)量水平，節(jié)約生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理。 本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一 種電容式液位傳感器及積算儀表。其中傳感器部分實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的測(cè)量，再由 A/D 轉(zhuǎn)換電路將測(cè)量到的液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量采集到單片機(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算，最后 由 LCD 進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì) 具有高精度，高分辨率，成本低廉的特點(diǎn)，可廣泛用于需要液位測(cè)量的場(chǎng)合，如可應(yīng)用在食品，化工，石油等行業(yè)，可為這些場(chǎng)合液位測(cè)量提供方便，具有一定的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 選題背景 第 1 頁 (共 23 頁 ) 電容式液位傳感器及積算儀表的研制 液位儀表的 現(xiàn)狀 國外液位儀表公司起步早，技術(shù)先進(jìn)，現(xiàn)在的跨國公司大多是 20世紀(jì) 50年代以來由技術(shù)人員創(chuàng)辦、自己開發(fā)產(chǎn)品、然后成立公司制造和銷售、逐步發(fā)展壯大、成為跨國公司，如 E+H 公司、 Honeywell 公司。國外液位儀表的狀況是：有一系列功能齊全、測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高的產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合能選擇相應(yīng)的產(chǎn)品。目前這些產(chǎn)品在工業(yè)、石油化工業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)打入我國市場(chǎng)，占據(jù)了主導(dǎo)的地位。我國的液位儀表工業(yè)起步較晚， 20 世紀(jì) 60 年代才有專業(yè)的液位儀表廠，以生產(chǎn)機(jī)械型產(chǎn)品為主，幾個(gè)國家定點(diǎn)大廠都逐步轉(zhuǎn)為以流量?jī)x表為 主（如開封儀表廠、銀河儀表廠）。國家“七五”計(jì)劃期間，自動(dòng)化儀表行業(yè)掀起了技術(shù)引進(jìn)高潮，上海自動(dòng)化儀表五廠引進(jìn)了電容式液位開關(guān)制造技術(shù)、超聲波液位計(jì)制造技術(shù)，北京自動(dòng)化儀表四廠引進(jìn)了鋼帶液位計(jì)制造技術(shù)，鐵嶺光學(xué)儀器廠引進(jìn)了高溫雙色玻璃板液位計(jì)制造技術(shù)，同期流量行業(yè)有 22 個(gè)廠引進(jìn)了 24 個(gè)項(xiàng)目，隨著國家進(jìn)一步改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高使液位儀表需求猛增。原有生產(chǎn)能力不能滿足要求，國外產(chǎn)品大量進(jìn)來（主要是高端產(chǎn)品），原來液位行業(yè)協(xié)會(huì)中一些成員廠，有的破產(chǎn)、有的改制為民營企業(yè)，也有些改變了產(chǎn)品方向，近 年成立較多的液位儀表廠中，有國外獨(dú)資、合資，但更多的是民營廠，沒有國營廠。這些民營企業(yè)生產(chǎn)的液位儀表各項(xiàng)性能指標(biāo)和國外同類產(chǎn)品相比還有較大的差距，雖然在液位儀表領(lǐng)域我國暫時(shí)落后，但也說明了這塊市場(chǎng)發(fā)展前景良好，潛力巨大。 電容式傳感器 現(xiàn)狀 由于電容式傳感器主要是通過改變極板的面積，距離或者介電常數(shù)來改變電容量，目前主要將傳感器應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：①電容式位移傳感器。電容式位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，用來測(cè)量各種導(dǎo)電材料的間隙、長度、尺寸或位置、振動(dòng)位移等②電容式液位傳感器。電容式液位傳感器有兩個(gè)導(dǎo)電極板 (通常把容器壁作為一個(gè)電極 )，由于電極間是液體而導(dǎo)致靜電容發(fā)生變化因而可以感知液位的變化。③固態(tài)電容式指紋傳感器。這種傳感器都是利用指紋中凸起的部分置于傳感器電容像素電極時(shí)電容量會(huì)有所增加，從而通過檢測(cè)增加的電來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。雖然電容式傳感 器的研究已經(jīng)是取得了長足的進(jìn)步，但由于它先天性存在很多缺點(diǎn)，如它的電容量一般很電容式液位傳感器及積算儀表 的研制 第 2 頁 (共 23 頁 ) 小，一般在 PF 級(jí)變化，電容量的變化受環(huán)境的影響、并且存在寄生電容和分布電容，使其靈敏度和輸入輸出關(guān)系都存在非線性；應(yīng)用電容式液位傳感器測(cè)量液位會(huì)產(chǎn)生掛壁現(xiàn)象，因此會(huì)造成虛假液位現(xiàn)象，目前主要應(yīng)用射頻導(dǎo)納的方法來改進(jìn) [1]；當(dāng)前的電容式液位儀智能化程度還不是很高，雖然國內(nèi)已經(jīng)有一些這方面的研究，但還沒有實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，還有待改進(jìn)和開發(fā)。由此電容式傳感器的發(fā)展方向就是一方面加強(qiáng)電容式傳感器變換電路的集成度，為了克服寄生電容的影響，盡量將 電路和傳感器連接得緊密些或者干脆做成一體，另一方面充分開發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的智能化，將大大提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性。 方案論證 第 3 頁 (共 23 頁 ) 電容式液位測(cè)量的原理 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器的測(cè)量原理 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位計(jì)主要是利用傳感器兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化這種關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量的，圖 1為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。從整體上看， 銅 棒、聚四氛乙烯套管以及容器內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電液體共同構(gòu)成一圓柱形電容器，其中 銅 棒 是電容器的一個(gè)電極 (相當(dāng)于定片 )，被測(cè)導(dǎo)電液體則是電容器的另一個(gè)電極 (相當(dāng)于動(dòng)片 )，套在銅 棒 上的聚四氟乙烯套管為兩電極間的絕緣介質(zhì)?？梢姡何簧邥r(shí)，兩電極極板的覆蓋面積增大，可變電容傳感器的電容量就成比例地增加；反之 .電容量就減小。因此，通過測(cè)量傳感器的電容量大小就可獲知被測(cè)液體液位的高低。當(dāng)可測(cè)量液體位 H=0，即容器內(nèi)的實(shí)際液位低于 h(非測(cè)量區(qū) )時(shí) .傳感器與容器之間存在分布電容、這時(shí)的電容量 C0為 ??0 = 2????0′ ????????0/?? (1) 式中： ??0′— 聚四氟乙烯套管和容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)； L— 為液位測(cè)量范圍 (可變電容器兩電極的最大覆蓋長度 )， mm； 圖 1 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器 不銹鋼容器壁 被測(cè)導(dǎo)電液 銅管 聚四氟乙烯套管 D0 D d 電容式液位傳感器及積算儀表 的研制 第 4 頁 (共 23 頁 ) D0— 為容器內(nèi)徑， mm； d— 為個(gè)銹鋼棒直徑， mm； 當(dāng)液位高度為 H時(shí)，傳感器的電容量 CH為： CH = 2πεHlnD/d + 2πεo′(L?H)lnD0/d (2) 式中：ε — 為聚四氟乙烯的介電常數(shù)，ε≈ 2； D— 為聚四氟乙烯套管外徑， mm。 因此 .當(dāng)容器內(nèi)的液位由零增加到 H 時(shí)，傳感器的電容變化量 ?C 為： ?C = 2πεHlnD/d ? 2πεo′HlnD0/d (3) 通常， D0D, 而且 εεo′， 因而上式中第二項(xiàng)的數(shù)值要比第一項(xiàng)小得多，可以忽賂。則 ?C≈ 2πεHlnD/d (4) 在式 (4)中 .當(dāng)電極確定后，ε、 D和 d都是定值，故可以將式子改寫為： ?C=KH (5) K=2πεHlnD/d (6) 可見，只要參數(shù)ε、 D 和 d的數(shù)值穩(wěn)定，不受壓力、溫度等因素的影響，即 K 為常數(shù)，那么傳感器的電容變化量與液位的變化量之間就有著良好的線性關(guān)系。因此，通過測(cè)量傳感器電容量就可方便地求出被測(cè)液位。另外，式 (6)還表明，絕緣材料的介電常數(shù)ε較大和絕緣層厚度較薄 (D/d 較小 )時(shí)，傳感器的靈敏度較高。以上介紹的液位傳感器適用于電導(dǎo)率≥ 10?2S/M的液體，但被測(cè)液體的粘度不能大，否則，當(dāng)液位下降時(shí)，被測(cè)液體會(huì)在電極的套管上產(chǎn)生粘附層，該枯附層將繼續(xù)起著外電極的作用，從而產(chǎn)生虛假電容信號(hào)，以致形成虛假液位，使儀表指示液位高于實(shí)際液位。另外，還應(yīng)該再次指出，這種液位傳感器的底部約有 10mm 的非測(cè)量區(qū)。 方案論