电容式液位测量系统的设计

设计报告电容式液位测量系统的设计摘要：电容式液位测量系统是基于改变介电常数时，电容器的电容量变化的原理来测量液位的。利用电容式传感器，ADC0809，AT89S52单片机,2764,8155和数码管等组成测量系统，对煤油的液位进行测量。它具有设定液位、显示液位和声光报警的功能。实验表明：该系统能对导电液体的液位测量，并具有结构简单、成本低、性能稳定等优点。关键词：液位测量；电容式传感器；单片机一、液位测量方法简介液位检测在现代工业生产过程中具有重要地位。目前常用的液位检测技术有静压式物位计、浮力式物位计、电器式物位计、声学式物位计、射线式物位计。二、液位测量系统设计2.1液位测量原理导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。图1中的不锈钢棒、聚四氟乙烯套管以及容器内的被测导电液体共同构成圆柱形电容器。当可测量液位H=0，传感器与容器之间存在分布电容，得到电容量为（1）式中C0为电容量，ε’为聚四氟乙烯和容器内气体的等效介电常数，L为液位最大高度；D0为容器内径，d为不锈棒直径。当液位高度为H，传感器电容量（2）式中ε为聚氟乙烯介电常数；D为聚四氟乙烯管外径。因此，当容器内液位由零增加到H时，传感器电容变化量（3）由于因此，上式第二项可忽略，（4）可见，当电极确定后，参数ε，D和d都是定值，传感器的电容量与液位的变化量呈近似线性关系。2.2测量系统结构该系统是由数据测量电路和单片机检测监控系统两个部分组成。首先，被测电路由电容式传感器与二极管环形桥路组成，如图2所示。当液体处在圆柱型电极与圆柱形容器之间，由于液面高度不同，引起介电常数变化，导致电容量的变化。电路由脉冲发生器产生信号提供激励电压，设低电平为E1，高电平为E2，脉冲方波频率为f；电桥一端接标准电容器Cc，另一端接电容式传感器CX，A为电流/电压放大器（设放大系数为A），U０为输出电压。当液位为０时，调Cc使其为０。当液位变化为H时，U０与液位成正比例关系，即（8）测量系统采用具有较高性能价格比的8031单片机，系统结构原理如图3所示，由A/D转换、键盘接口及动态显示、液位报警监测电路等组成。由传感器检测到的模拟信号，由ADC0809转换成数字信号送入8031单片机。P2.7和WR联合控制启动转换信号端（START）和ALT端，低三位地址加到ADC0809的ADDA，ADDB，ADDC端，选中ADC0809的IN0通道的地址为7FF8H，传感器检测到的液位信号可以从IN0端送入。ADC0809的时钟取自8031的ALE经二分频后的信号。当A/D转换完毕，8031读取转换后的数字量。由LED显示器，锁存器74LS373、存储器2764、8155扩展I/O的行列式键盘组成键盘接口及动态显示电路。其中，2764的CE引脚为片选信号的输入端，低电平有效，它通过LS7406与转换器ADC0809的OE端相接。2764占有的存储器地址为8000H~FFFFH。该单元设置15个键。数字键0~9的键值与键名相同，其余5个键为功能键，它们对应的键值如表1所示。在键盘扫描程序中，对数字键是直接将该键值送到显示缓冲区进行显示。在该电路中，显示分为两部分：右边四位LED管显示所设置的极限液位高度；左边四位LED数码管显示由单片机计算出的实际液位高度。对功能键需找到功能键处理程序入口地址，再转去执行该键的功能。在使用时，先按设定键，然后按数字键，设定液位高度值，最后按启动键，开始进行液位测量。当实际液位高于设定值时，由8031的P1.0口输出报警信号，驱动发光二极管进行光报警，同时，由P1.2通过7406驱动压电式蜂鸣器产生蜂鸣音响，进行声报警。三、结论尽管该电容式液位测量系统比光纤液位传感器测量系统的测量准确度低，但它具有结构简单、成本低、零点漂移小和性能稳定以及对导电和非导电的液体的液位都能测量等优点，所以，它可以对测量误差要求稍低的液位进行测量。使用时应注意：（1）传感器电极高度与被测液位高度变化有关；（2）电容式传感器必须固定在液池中，才能保证测量的准确性。由于它是接触式测量，会影响原来液体的液位，而测量出来的是新的液位高度。参考文献［1］郝芸，彭利标．传感器原理与应用［M］．北京：电子工业出版社，2002．93．［2］严兆大，王振子，俞小莉等．热能与动力机械测试技术［M］.北京：机械工业出版社，2000．168–198．［3］单成祥．传感器与理论与设计基础及其应用［M］．北京：国防工业出版社，1999．148．［4］赵负图．传感器集成电路手册［M］．北京：化学工业出版社，2002．548．