电容式液位传感器及积算仪表的研制_毕业设计论文(编辑修改稿)

电容式液位传感器及积算仪表的研制_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 液位传感器及积算仪表在工业中有着广泛的应用，特别是在石油化工等行业，中转罐、沉降罐、游离水脱出器、电脱出器、缓冲罐、储运罐等各个环节都需要液位或界面的测量，在发电厂的汽包，油箱中也有所应用。 为此有必要设计一种性能优越的液位传感器及其接收仪表，用于实现对液位的实时监测实现远程无人值守，全自动的液位测量数据的测量及显示，提高液位测量的自动化测量水平，节约生产成本，简化生产管理。 本课题的研究目标是设计一 种电容式液位传感器及积算仪表。 其中传感器部分实现对液位的测量，再由 A/D 转换电路将测量到的液位数据转换 成数字量采集到单片机进行处理运算，最后 由 LCD 进行显示。 本设计 具有高精度，高分辨率，成本低廉的特点，可广泛用于需要液位测量的场合，如可应用在食品，化工，石油等行业，可为这些场合液位测量提供方便，具有一定的应用前景和经济价值。 选题背景 第 1 页 (共 23 页 ) 电容式液位传感器及积算仪表的研制 液位仪表的 现状 国外液位仪表公司起步早，技术先进，现在的跨国公司大多是 20世纪 50年代以来由技术人员创办、自己开发产品、然后成立公司制造和销售、逐步发展壮大、成为跨国公司，如 E+H 公司、 Honeywell 公司。 国外液位仪表的状况是：有一系列功能齐全、测量精度高、自动化程度高的产品，对应不同的应用场合能选择相应的产品。 目前这些产品在工业、石油化工业都有广泛的应用，并已经打入我国市场，占据了主导的地位。 我国的液位仪表工业起步较晚， 20 世纪 60 年代才有专业的液位仪表厂，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步转为以流量仪表为 主（如开封仪表厂、银河仪表厂）。 国家“七五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，上海自动化仪表五厂引进了电容式液位开关制造技术、超声波液位计制造技术，北京自动化仪表四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术，同期流量行业有 22 个厂引进了 24 个项目，随着国家进一步改革开放，经济高速发展，自动化程度的提高使液位仪表需求猛增。 原有生产能力不能满足要求，国外产品大量进来（主要是高端产品），原来液位行业协会中一些成员厂，有的破产、有的改制为民营企业，也有些改变了产品方向，近 年成立较多的液位仪表厂中，有国外独资、合资，但更多的是民营厂，没有国营厂。 这些民营企业生产的液位仪表各项性能指标和国外同类产品相比还有较大的差距，虽然在液位仪表领域我国暂时落后，但也说明了这块市场发展前景良好，潜力巨大。 电容式传感器 现状 由于电容式传感器主要是通过改变极板的面积，距离或者介电常数来改变电容量，目前主要将传感器应用于以下几个方面：①电容式位移传感器。 电容式位移传感器可以实现非接触测量，用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等②电容式液位传感器。 电容式液位传感器有两个导电极板 (通常把容器壁作为一个电极 )，由于电极间是液体而导致静电容发生变化因而可以感知液位的变化。 ③固态电容式指纹传感器。 这种传感器都是利用指纹中凸起的部分置于传感器电容像素电极时电容量会有所增加，从而通过检测增加的电来进行数据采集的。 虽然电容式传感 器的研究已经是取得了长足的进步，但由于它先天性存在很多缺点，如它的电容量一般很电容式液位传感器及积算仪表 的研制 第 2 页 (共 23 页 ) 小，一般在 PF 级变化，电容量的变化受环境的影响、并且存在寄生电容和分布电容，使其灵敏度和输入输出关系都存在非线性；应用电容式液位传感器测量液位会产生挂壁现象，因此会造成虚假液位现象，目前主要应用射频导纳的方法来改进 [1]；当前的电容式液位仪智能化程度还不是很高，虽然国内已经有一些这方面的研究，但还没有实现全自动化，还有待改进和开发。 由此电容式传感器的发展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度，为了克服寄生电容的影响，尽量将 电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体，另一方面充分开发测量系统的智能化，将大大提高系统的准确性、可靠性。 方案论证 第 3 页 (共 23 页 ) 电容式液位测量的原理 测量导电液体的电容式液位传感器的测量原理 测量导电液体的电容式液位计主要是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这种关系进行液位测量的，图 1为传感器部分的结构原理图。 从整体上看， 铜 棒、聚四氛乙烯套管以及容器内的被测导电液体共同构成一圆柱形电容器，其中 铜 棒 是电容器的一个电极 (相当于定片 )，被测导电液体则是电容器的另一个电极 (相当于动片 )，套在铜 棒 上的聚四氟乙烯套管为两电极间的绝缘介质。 可见，液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变电容传感器的电容量就成比例地增加；反之 .电容量就减小。 因此，通过测量传感器的电容量大小就可获知被测液体液位的高低。 当可测量液体位 H=0，即容器内的实际液位低于 h(非测量区 )时 .传感器与容器之间存在分布电容、这时的电容量 C0为 𝐶0 = 2𝜋𝜀0′ 𝐿𝑙𝑛𝐷0/𝑑 (1) 式中： 𝜀0′— 聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数； L— 为液位测量范围 (可变电容器两电极的最大覆盖长度 )， mm； 图 1 测量导电液体的电容式液位传感器 不锈钢容器壁 被测导电液 铜管 聚四氟乙烯套管 D0 D d 电容式液位传感器及积算仪表 的研制 第 4 页 (共 23 页 ) D0— 为容器内径， mm； d— 为个锈钢棒直径， mm； 当液位高度为 H时，传感器的电容量 CH为： CH = 2πεHlnD/d + 2πεo′(L−H)lnD0/d (2) 式中：ε — 为聚四氟乙烯的介电常数，ε≈ 2； D— 为聚四氟乙烯套管外径， mm。 因此 .当容器内的液位由零增加到 H 时，传感器的电容变化量 ∆C 为： ∆C = 2πεHlnD/d − 2πεo′HlnD0/d (3) 通常， D0D, 而且 εεo′， 因而上式中第二项的数值要比第一项小得多，可以忽赂。 则 ∆C≈ 2πεHlnD/d (4) 在式 (4)中 .当电极确定后，ε、 D和 d都是定值，故可以将式子改写为： ∆C=KH (5) K=2πεHlnD/d (6) 可见，只要参数ε、 D 和 d的数值稳定，不受压力、温度等因素的影响，即 K 为常数，那么传感器的电容变化量与液位的变化量之间就有着良好的线性关系。 因此，通过测量传感器电容量就可方便地求出被测液位。 另外，式 (6)还表明，绝缘材料的介电常数ε较大和绝缘层厚度较薄 (D/d 较小 )时，传感器的灵敏度较高。 以上介绍的液位传感器适用于电导率≥ 10−2S/M的液体，但被测液体的粘度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该枯附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。 另外，还应该再次指出，这种液位传感器的底部约有 10mm 的非测量区。 方案论。