液位传感器课程设计

1|目录摘要.................................................21绪论................................................31.1引言..............................................31.2电容式液位测量技术的发展..........................41.2.1电容式液位测量现状..............................41.2.2电容式液位测量存在的问题........................51.2.3电容式液位传感器的发展趋势......................52本设计的电容式液位测量方法..........................62.1测量原理及实现思路................................62.2液体的物理参数对液位测量的影响....................82.3极板设计..........................................92.4液位测量系统的基本构成............................113硬件设计............................................123.1电源电路设计......................................123.2电容测量电路设计..................................133.3放大调零电路设计..................................143.4A/D转换电路设计..................................164误差分析............................................174.1电容测量误差对精度的影响..........................174.2影响液位测量的主要因素............................185总结................................................19参考文献.............................................202|摘要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，解决了传统电容测量与被测介质有关的技术难题。它可以应用于动态液位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境等因素容易发生变化的场合，如车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的理论和应用价值，前景十分广阔。消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。通过理论计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。3|1绪论1.1引言在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行。通常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种即：①液位是指积存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐水库水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。②料位是指固体颗粒粉料块料的高度或表面所在位置称为料位，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同比重且不相容的分界面，如油与水的分界面。用于测量这些参数的传感器称物位传感器，其中根据测量的物位范围或测量对象不同又分为液位传感器、料位传感器及界位传感器。液位测量是一门测量气-液、液-液或液-固分界面位置的测量技术，它包括对测量对象(被测介质及其容器、环境条件)、测量方法和测量仪表的研究。液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，在一般的生产工艺加工过程中通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺安全等方面的需要。其次随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态，再就在现代化的企业生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采用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、统一化，要求测量的对象要广、测量的精度要求高、可靠性要好、测量环境特殊、实用性要强等。这对测量带来很大的困难，尤其是液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量，被测物具4|有粘滞性或是导电介质等等情况时，如何提高测量精度，有时还要考虑容器的密封性介质、是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影响。因此，为了满足各种不同测量条件的要求，人们研制出适合于各种各样要求的液位传感器。根据所选液位敏感元件的不同，可以有二十多种液位测量方法。主要分为直接液位测量法和间接液位测量法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，具体用途为液位传感器，即把被测液体的液位变化按一定规律转变为便于放大和传递的电量或非电量信号的敏感元件及其组装部分。1.2电容式液位测量技术的发展1.2.1电容式液位测量现状在电容式液位测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取得了令人瞩目的成就。尤其是DREXELBROOK公司依据其提出的射频导纳原理，推出了射频导纳电容式液位计，它可以克服由于挂料影响产生的测量误差，从而在电容式液位测量这一领域取得了巨大的成功。基于均匀传输线理论的射频导纳电容式液位计有较高的测量精度，可以应用在高温、高压、腐蚀性液位测量场合，有着许多其他类型液位测量仪表无法比拟的优点。当前国外的电容式液位测量仪表的普遍特点是测量精度高、自动化程度高，具有4～20mA电流输出，采用HART协议、Honeywell协议等智能通讯协议，实现了从主控室到现场仪表的组态和维护。目前，已广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，在我国的液位测量领域占据主导地位。当然随着国内的自主研发，电容式液位测量有所成就，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5|性能指标、功能与国外同类产品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。1.2.2电容式液位测量存在的问题电容式液位测量具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、无可动部件、不易损坏、使用寿命长、需要作用能量低、并能在恶劣环境工作等优点。相对其他方法液位而言，综合指标最好，但它也存在一些不足，从而影响了它的适用范围和测量精度。电容式液位测量的主要缺点是：①电容式传感器本身结构特性决定输出阻抗高、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，从而易受外界干扰，产生不稳定现象，为此，需采取有效的技术措施，如适当激励频率，采取屏蔽接地措施，尽量缩短传感器的引线来提高抗干扰能力。②电容式液位测量的信号处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、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容较大，给实现精确的电容信号转换带来困难，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电容电压转换器，单片机进行开发的智能传感器对数据处理运算。1.2.3电容式液位传感器的发展趋势随着社会经济的发展，人们越来越重视能源的消耗，提出可持续发展、节约型社会的建设。液位测量技术广泛应用于工业、食品等行业，实时检测液位（如油位的检测）的变化情况，对确保工业生产的正常进行和防止事故的发生有着重要的作用。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，这些参量的检测始终倍受人们的关注，因为不仅这些参量本身重要，同时也因为它们是许多测量的基础。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向来开展。6|液位传感器的横向发展主要表现为四个方面，即：①非接触测量；②液位测量系统的智能化；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科学技术的交叉发展；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测量方法2.1测量原理及实现思路传统电容式液位测量基于圆柱形电容的工作原理。利用被测介质面的变化引起电容大小的变化。本文改进了电容结构,如图3.3所示。为横截面图形，采用两块平行平板构成测量电容，其中一块极板在对角线处进行等分，将被测探头改进为两探头，分别同步输出两路不同信号。7|8|2.2液体的物理参数对液位测量的影响被测液体的物理参数是选择液位测量方法的重要依据，它与液位传感器的输出特性有着密切的关系。其中最主要的物理参数9|有密度、电导率、介电常数、声速、液体的表面形状以及腐蚀情况等。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测量中起着重要作用。在电容式液位测量中，起关键作用的是液体的电导率、介电常数和液体的腐蚀情况。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，反映物体传导电流的能力。介电常数表征绝缘能力特性的一个系数，反映束缚电荷能力的大小，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数的电导率。②液体的腐蚀情况液位测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同程度的腐蚀作用,使材料的性能变坏、变脆、穿孔、变薄、老化，影响仪表的测量精度甚至不能正常工作。制作液位传感器的金属和合金材料与被测液体接触时会产生化学腐蚀与电化学腐蚀；非金属材料与被测液体接触时会产生溶解、溶胀、变色、发粘、硬脆、龟裂和机械强度下降等现象，上述现象统称为液体的腐蚀特性。化学腐蚀是被测液体或液面上的气体与金属材料表面发生化学作用产生化合物，从而使金属表面遭受破坏。电化学腐蚀是指在腐蚀过程中，由于有电流产生，从而加速了金属的腐蚀过程，腐蚀过程中除了受金属的电极电位和生成的腐蚀产物影响外，还与其他如温度、湿度、压力、金属的内应力和形变有关。随着液体的温度和浓度的变化，液体的腐蚀能力也不同。传感器选材的耐腐蚀性能应根据传感器在使用过程中的耐用年限、测量精度和灵敏度的变化情况而决定。耐用年限通常在1~2年以上，也可以根据被测对象的具体情况和设计要求决定传感器的耐用年限。传感器材料的防腐方法很多，最主要的措施是合