下载文档原格式
基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计电容式液位传感器是一种用于测量液体水平高度的传感器。
它基于充放电原理，通过测量电容器中电荷的变化量来确定液位高度。
在本文中，我们将介绍如何设计一种基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路。
首先，我们需要了解电容器的基本原理。
电容器是由两个电极以及介质隔离层组成的设备。
当电容器两个电极上施加电压时，它们之间会形成电场。
电场越大，电容器电容就越高。
在液位传感器中，我们可以利用电容器的这种原理来测量液位高度。
具体来说，我们可以将电容器放在液体中，其中一个电极将是传感器底部，另一个电极将在液面上方。
因为液体的介电常数是已知的，我们可以使用液位高度来计算电容器的电容值。
测量电路分为两个部分：充电和放电。
在充电过程中，我们将电容器的一个电极接地，将另一个电极和一个恒定的电压源相连。
然后，我们使用一个计时器来计算电容器充电的时间。
充电时间取决于电容器的电容和施加的电压。
在放电过程中，我们断开电压源，并通过另一个计时器来计算电容器放电的时间。
电容器放电的时间取决于它的电容和接收器的输入阻抗。
通过测量充电和放电时间，我们可以计算电容器的电容值。
从而，我们就可以计算出液位的高度。
这是一个简单的电路，基本实现液位高度的测量，但在实际应用中，我们需要加以改进。
为了提高测量精度，我们需要使用更高分辨率的计时器以及更准确的电源。
我们也可以加入计算机或微控制器来读取和处理传感器的测量结果。
总之，基于充放电原理的电容式液位传感器是一种非常有用的测量设备。
只要我们合理设计传感器测量电路，利用计时器和恒定电源等工具，就可以实现准确测量液位高度，并在许多应用中得到应用。
电容式液位检测电路方案和详解液体填充在极板之间，等效形成电容，液面浸没的多少会改变电容大小，从而间接反映液位的高低。
图1在测量的导体上我们使用的是吸液探针。
探针是一个空心的导体，具有一定的电容量，当探针接触到液体表面的瞬间，探针对地的电容会突然增加。
通过对电容数值变化检测就可以得知探针是否接触到页面。
图22.信号处理电路图3 液面检测原理图电路总共分为6部分1.方波发生电路2.高通滤波电路3.整流电路4.低通滤波电路5.电压比较器6.电平转换电路3.工作原理由液面检测原理可知，当探针碰到水面的瞬间，输入电容量会发生变化。
NE555产生一个方波，输入电压跟随器的波形为具有一定直流偏置的方波信号，当探针接触的时候，电容瞬间增大改变了方波信号的幅度并由于RC延迟变成了三角波，TEST1端信号变化如图。
图4 TEST1信号变化信号经过精密整流之后变成只有正电压信号，TEST2端信号变化如图。
图5 TEST2信号变化直流信号通过低通滤波器输入到电压比较器；电压跟随器的正向输入端连接一个数值较大的电容10uF。
在电容未发生变化的之前，正相输入端的电压永远大于反向输入端的电压，比较器的输出+5V，三极管导通，输入单片机信号为低。
当探针接触到液体表面的时候由于其幅值发生较大变化，输入正相输入端的电压突然减小而由于电容两端的电压不能发生突变，导致反向输入端电压高于正相输入端，此时比较器输出为-5V，三极管截止，输入单片机信号为高，TEST3端信号变化如图。
图6 TEST3信号变化但由于电容存储的电荷有限，经过一段时间正相输入端的电压将再次超过反向输入端，所以在接触液体的瞬间可观察到指示灯闪烁一下就立即熄灭。
通过设置单片机电平捕获便可判断探针是否接触到水面。
4．总结以上的思路只是针对液面进行，也就是说探针一接触到液面就会有信号，但无法检测探针进入液体的深度。
不过我们可以对电路进行改造，将比较器电路和电平转换电路去电，然后信号直接接到单片机的ADC引脚上，便可识别进入液面的深度。
电容式液位计电容法液位测量原理为探极线与导电液体构成一电容器，其中探极线的金属内芯为电容的一极，导电液体为电容的另一极，中间为高稳定性的PPR或聚氟乙烯，即探极线的绝缘体外层作为两级之间的介质，随着液位的变化，液体包围探极线的面积随之改变，使构成电容器两极的相对面积改变，导致电容的变化，根据同心筒状电容的公式可写出液体高度与电容的关系、电容液位计原理电容法液位测量原理为探极线与导电液体构成一电容器，其中探极线的金属内芯为电容的一极，导电液体为电容的另一极，中间为高稳定性的PPR或聚氟乙烯，即探极线的绝缘体外层作为两级之间的介质，随着液位的变化，液体包围探极线的面积随之改变，使构成电容器两极的相对面积改变，导致电容的变化，根据同心筒状电容的公式可写出液体髙度与电容的关系，电容器的电容受三个因素的影响：①各个电极面之间的距离②各电极面的大小③电极面之间介质的介电常数因Co、£和D/d为固定常说，所以：C二KH,即电容量只与液体浸没探极的高度（电容极板的相对面积）成正比。
电容液位计参数测量范围：0、2-20米精度：0、5级；1、0级测量介质：电导率^10-3s/m的酸、碱、盐、水等非结晶导电液体及有机溶剂环境温度：-401-60£介质温度：-50°C-200°C供电电源：12、5-30VDC输出信号：4-20mA量程及零点调节范围：230%FS安装尺寸：M201、5、M272、法兰式、悬挂式容器压力：-0、05MPa〜32 MPa电容液位计特点1、结构简单：无任何可动弹性零部件，因此可靠性相对较高，维护量极少，一般情况下，不必进行常规的大中小修。
2、安装方便：内装式结构尤其显示出这一特点，一个人，一把扳手，几分钟即可装好。
3、调整方便：零位、量程两个电位器可在液位检测有效范围内任意进行零点迁移或量程的压缩或扩展。
4、液位检测基本不受工艺条件变化的影响。
而浮力式、差压式、同位素式液位计在检测中都与介质的重度有关，气液相介质的重度变化都会使检测结果产生附加误差。
电容式液位传感器检测电路的设计摘要设计一种能快速测量水波浪的水位传感器。
通过对不同半径电极下传感器输出电容与对应液位的实验数据分析，发现传感器灵敏度随电极半径的增加而近似成线性提高，同时，发现传感器灵敏度与液位下降速度相关。
关键词:电容式传感器；电极；液位；液位传感器目录第1章绪论1.1 传感器概述1.1.1 传感器的定义 (1)1.1.1 传感器的分类 (1)1.1.3 传感器的基本特性 (2)1.1.4 传感器的发展方向 (2)1.2 国内外液位传感器的发展现状 (2)1.3 设计要求1.3.1 设计任务 (4)1.3.2 设计要求 (4)第2章传感器设计结构2.1 电容传感器测量原理简介及水位传感器结构的确定2.1.1 平行板电容传感器 (6)2.1.2 圆筒型电容传感器 (7)2.1.3 电极型电容传感器 (8)2.1.4 电容式传感器形式的确定 (8)2.2 结构参数设计2.2.1 电容值的估算 (9)2.2.2 电极挂水对测量精度的影响 (11)2.2.3 传感器形式的最终确定 (12)第三章检测电路的设计3.1 电容测量电路的设计3.1.1 检测电路 (13)3.1.2 电容充电规律 (15)3.2 由单片机采样转换电路的设计3.2.1 单片机电路 (16)3.2.2 复位电路 (18)3.2.3 A/D转换电路 (19)3.3 放大电路的设计3.3.1 放大电路的设计 (19)3.4 程序设计 (21)第4章实验数据的分析4．1稳定性实验及分析4．1．1稳定性实验测试方法 (22)4．1．2实验数据分析 (22)4．2 线性实验及分析 (23)4．2．1线性实验测试方法 (23)4．2．2实验数据分析 (24)4．3温度对介电常数（水）影响的实验及分析4．3．1水位传感器温度特性实验测试方法 (27)4．3．2实验数据分析 (27)第5章温度补偿和非线性补偿的原理和方法5．1温度补偿的原理 (32)5．2非线性补偿的方法 (33)结论 (35)谢辞 (36)参考文献 (37)参考资料：/bydesign/articles/moban/lw_detail.asp?lwid=6762&leibie=2/prodetail-2370264.html/view/4d3213c34028915f804dc20f.html。
电容式液位仪设计摘要：该液位计利用不同介质具有不同的介电常数的特性，使液面高度变化改变电容大小，建立线性方程，使得能通过检测电容大小检验出液面高度。
本液位计一共分六个局部，由RC文氏震荡电路，衰减电路，微分电路，滤波电路，整流电路和单片机检测显示局部组成。
其中电容板与运放组成微分电路，电容的大小与电路的输出大小呈线性。
单片机通过检测整流后的输出，得出页面高度。
此题的重点是设计合理的滤波电路，难点是如何提高精度。
2.方案论证本设计主要任务是测量平行探针的电容。
并探索电容的容量与液体高度的关系。
电容式传感器检测电路主要有交流半桥式检测电路、充放电检测电路、基于V/T变换的电容测量电路，交流锁相放大电容测量电路，分别论证如下。
方案1：交流半桥式检测电路AC电桥电容测量电路如图2所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率一样/幅值一样的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，那么被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。
图2 交流半桥式检测电路这种电路的主要优点是：精度高，适合作精细电容测量，可以做到高信噪比。
方案2：充放电检测电路充/放电电容测量电路根本原理如图3所示。
由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。
在一个信号充/放电周期从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进展，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=R f·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反应电阻) 。
图3 充放电检测电路方案3 基于V/T变换的电容测量电路V/T变换的电容测量电路根本原理如下列图所示。
图4 电容检测电路电流源Io为4DH型精细恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比拟器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的部计数器同时开场工作。
电容式液位传感器设计
1.选择合适的电极材料：电极是电容式液位传感器的核心部件，其材
料的选择与电容值的变化密切相关。
一般情况下，电极材料应具有良好的
耐腐蚀性能，并且能够与被测液体产生较大的电容值变化。
常用的电极材
料包括不锈钢、铜、铝等。
2.设计合理的电容结构：电容结构的设计对电容式液位传感器的灵敏
度和线性度有着重要的影响。
一般情况下，可以采用平行板电容结构，即
在容器内侧壁上固定一个金属电极，并将另一个金属电极悬挂于容器内的
液面上方。
当液位变化时，悬挂电极与液面之间的距离发生变化，从而改
变了电容值。
3.选择合适的信号处理电路：电容式液位传感器输出的是电容值的变化，需要通过信号处理电路将其转换为可用的电压或电流信号。
常用的信
号处理电路包括阻抗变换电路、相关计算电路等。
信号处理电路的设计应
充分考虑灵敏度、线性度和稳定性等因素。
4.考虑环境因素：电容式液位传感器在使用过程中会受到温度、压力、湿度等环境因素的影响。
设计时需要考虑传感器的工作温度范围、防护等级、防爆性能等，以保证传感器在恶劣环境下的稳定性和可靠性。
5.校准和调试：电容式液位传感器在安装和使用前需要进行校准和调试，以确保测量的准确性和可靠性。
校准时可以使用标准液位和测定值进
行比较，根据比较结果进行调整。
总之，电容式液位传感器的设计需要综合考虑材料选择、电容结构设计、信号处理电路设计、环境因素等多个方面的因素。
通过合理设计和严
格调试，可以实现对液位的准确测量。
烟台开发区吉友电气电容式液位计说明书
1、电容式液位变送器外壳防水性能较差，应采取防水措施，同时应防止外壳的硬性损伤，以及防止损伤探极绝缘外皮，以免造成绝缘下降。
绝缘外皮损坏的探极可拆下，用防水的万能胶封好破损部位，经测量探极与水之间的绝缘电阻应大于5MQ，否则应予以更换。
2、智能控制器的工作电源电压范围为180-250V，如电压波动可能超出此范围，应考虑增设稳压电源。
3、设备投入使用后，要定期检测（一般六个月一次），检测内容分别为:金属探极与水之间的绝缘电阻应大于5MQ（测量时必须断开探极与变送器的连接线），否则，应更换金属探极:实际水位与显示水位是否一致，若相差太大（0.1m以上），应进行调试处理。
4、首先清洗探极清除所有的杂物，用擦机布擦拭干净。
然后再检查是否符合要求，如果仍然不符合要求，可能是由于电容式液位变送器工作点漂移造成的，应对变送器工作点进行调试，直到满足要求为止:检查控制器工作是否正常，动作值有无变化，如动作值发生变化，应检查设定值，如果设定值正常，说明控制器损坏，需要更换控制器。
智能电容液位计的工作原理及技术特点1、工作原理电容式液位计原理：利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，运用专用模式系统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后，输出与物位变化成正比的两线制4~20mA模拟电流。
不受汽包温压变化的直接影响，被测介质介电常数变化的补偿采用独特的专利补偿技术，不存在“假水位”测量问题。
计算表达式：C=KS/d。
C是电容值；K是介质的介电常数（工况恒定时定量）；S是板面积（定量）；d是板间距（定量）。
可以看出，电容值变化只与充满介质的高度有关，测得液位值。
智能电容式测量装置采用一种三段探级的结构。
其中1号探极因所处位置始终充满蒸汽没有水，因此1号电容探极的电容值测量变化量直接可以表达蒸汽的介电常数变化。
2号探极正常有水探测时，3号探极是全充满水的，因此3号电容探极的电容值测量变化可以表达水的介电常数变化。
最后在2号测量区电容探极内，观察构成k测的k汽、k水虽然是动态变化值，但1号电容器、3号电容器把k汽、k水的具体数值实时更新出来，则测量区电容表达式中就只剩下一个高度数值可以轻易计算得出，从而实现了全工况条件正常测量技术。
2、技术特点智能电容式液位计特点：合理简单的连通器取样结构，可以保证水位取样真实、准确，如敷以高质量的保温层，可以高质量地保证测量筒与锅炉本体的温压一致性。
综合系统测量误差控制在毫米级，接近真值，可实现全工况生产运行的自动补水和带保护；一体化设计，安装、调试简易，维护方便，使用寿命长测量筒整体敷设高质量保温层，散热量极小，散热损失折合的使用成本相对极低。
（1）具有全工况起、停、排污等条件下液位精确测控功能。
（2）模块化结构设计，连续测控技术，能够对测量系统的温度漂移进行自动补偿，全温度范围测量系统温漂不超过0.1pF。
（3）能够对液相介质介电常数变化、汽相介质介电常数变化同时进行自动补偿，无需现场标定。
（4）高可靠、高稳定，不存在“假水位”测量情况。
