基于电容栅编码传感器的液位测量系统

武汉理工大学 测试技术论文 1 基于电容栅编码传感器的液位测量系统 物流zy1001 宋金龙 摘要:针对同心圆柱电容式液位传感器的不足之处,设计了一种新型的测量液位的电容栅编码传感器,介绍了该传感器的基本原理。并在此基础上设计了一套液位测量系统,详细介绍了电容检测以及编码电容栅分组原理。该液位测量系统能满足一定条件下液位的测量需求。 关键词:电容;电容栅编码;传感器;液位测量

1、 测试对象及任务 电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量的变化的一种传感器。电容式液位传感器的原理是液位变化时,引起介电常数变化,最终导致电容变化。当前应用较多的变介质电容液位传感器是同心圆柱式的, 这种传感器结构简单、安装容易、精度较高。但是它的缺点是重复精度低,需定期维修和对于不同液体需要重新标定。针对同心圆柱电容式液位传感器的这些特点,提出了一种基于电容栅编码传感器测量液位的方法,并研制了一套完整的液位测量系统。 2、系统和设备 容栅旋转编码器的结构组成：

容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。动栅上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极之间的直接电容耦合。静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。动栅上每8个发射电极为一组，共6组。对每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。

3、 电容栅编码测量液位的基本原理 电容栅编码传感器的基本结构如图1所示。等面积大小的圆形金属板按照等间距依次平行排列,按极板顺序从下往上依次编码为0、1„„n、n + 1、n + 2„„,其中0和偶数极板为负极板,奇数的极板为正极板,以 相邻的两极武汉理工大学 测试技术论文 2 板为一个小电容单元,实际应用中可根据测量要求设计电容栅的各参数。由于不同的介质有不同的介电常数,而同一介质里的电容值相近。因此,在同一介质里面电容的变化值接近于0,依次检测各个电容变化值,在液位的分界面会检测到一个较大的电容突变。由于在传感器安装过程中, 每块电极极板 与具体的液位相对应,通过判断电容值发生突变的位置就可以判断液位。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量可按下式[ 3 ]计算:

式中: 为真空介电常数;为介质相对介电常数;S为极板对覆盖面积;D为极板间距离。 4、 方案分析

假设待测液体相对介电常数为,空气相对介电常数为,电容栅极板间距为d,极板面积为S,液面在两极板之间的高度为dg,同时假设液面位置在极板n和极板n + 1之间,则理论上各个电容在空气中的初始值都为：

则各相邻极板之间的电容的变化值分别如下: ( 1 )电极极板n和n-1之间的电容变化值为

( 2 )电极极板n + 1和n + 2之间的电容变化值为0。 ( 3 )考虑到dg的可能值在0~ d 之间, 故电极极板n和n+1之间的电容变化值

也在0到ΔCg之间取得。 由于一般液体的相对介电常数都在2以上(如:水为8 1,煤油为2,乙醇为25,柴油为21, 汽油为2), 而空气的相对介电常数约为1,因此由式( 2 )可知ΔCg一般都会在1倍C0以上。但是液位所在电容的变化值ΔCg0有时可能并不明显,这时就要去检测ΔCg才能判断出跳变,这就会给测量带来一个不可避免的误差,这个误差要小于d. 总之,只要合理地设计C0的值就可以很容易判断这个跳变,从而可以得出液面位置。当然,当d设计的比较小,进行较高 精度测量时,极板厚度dj是不可忽略的,在液位计算时应当注意。 因为是采用检测电容变化值的方法来判断液位,所以需要对电容栅每个电容的初始值进行标定。在这里既可以使用待测液体也可以使用空气作为初始介质来进行标定,研究时采用的是后者, 因为这样可以使传感器更加容易适应不同液体的检测,而不需要重新标定。 5、 系统构成 基于电容栅编码传感器的液位测量系统主要由电容栅编码传感器、电容武汉理工大学 测试技术论文 3 检测模块、数据处理模块、CAN 接口电路、键盘以及显示等组成,系统的原理框图如图2所示。电容检测模块负责分组电容的检测以及电容值变化的判断;数据处理模块与电容检测模块之间通过RS-485总线连接,采集各组电容 检测数据,并进行液位的计算。与该模块相连的键盘可实现液位报警点的设置等,而液位也可以通过LCD实时显示,当液位低于( 或高于 )所设置的报警点时,可由报警模块报警。CAN总线接口主要用来完成液位数据、报警信息等信息到上位机的传送,还可以接受来自上位机的液位报警阈值设置等命令。

图 2 液位测量系统原理框图 2.1 电容检测单元

在RC一阶电路中,给初始电压为0的电容充电是电容的一个零状态响应。

当充电电阻R、充电终值电压 确定之后,以的基准电压给初值为0的电容充电, 则由零状态响应公式[4]可得充电时间t和电容C的关系 : t = RC·ln [ Vcc/( V cc - V t ) ] 由此可见,对于一确定的充放电电路,充电时间是成正比的。 电容检测的电路原理如图3所示,该电路就是基于电 容的充放电特性来测量小电容的。图中M0为单刀双掷模拟开关,用于充、放电的选择,通过ctr由单片机的I/O口控制。M1和M2为8选1的模拟开关CD4051,M1的公共端COM与 M0的公共端相连, M2的公共端COM接电压比较器P的负极端,M1和M2的8路可选通端A0、A1„„A7均接编码电容栅的正极板。S0、S 2和S3 为控制端接单片机的I/O口, 电阻R1和R2用来设定电容的充电终值电压Vt,R3为充电电阻,R4 为放电电阻。 电容检测的基本原理为:当模拟开关M1和M2选通一路时( 假设为 A0 ) , 它们的COM口即连接到了编码电容栅中正极板“1”( 与该极板对应的一负极 板“0”由另一模拟开关选通连接至地,图中未画出 ) , 初始时通过控制M0将电容放电至电压为0,然后通过基准电压Vcc给该电容充电, 同时单片机的 定时器开始工作,当充电至电容电压刚大于Vt时,比较器翻转,随即触发单片机的中断,定时器停止工作,此时记录的定时时间即为电容电压从0充电到Vt 所用的时间t,由式( 3 )即可知该时间t与电容C的关系。 武汉理工大学 测试技术论文 4 同时,为了减小随机误差,对每路小电容都进行多次测量,并采用低通以及均值滤波算法进行降噪处理。

图 3 电容检测电路原理图 2.2 编码电容的分组

在实际应用中,当测量范围较大时,由于一块单片机的I/O口有限,因此由一块单片机能测量的电容数量也是有限的。同时,随着编码电容栅数目的 增加,当液位在较高位置时测量的时间也会随之增加。因此,为了能使该液 位测量系统有更大的量程, 同时有更快的响应速度,对编码电容栅分组是很 有必要的。 在研发过程中采用的是以16块电极极板为1组的分组办法,也就是需要 2个8选1的模拟开关CD4051通过一块单片机来对电容进行编码,每1块单片机 作为485总线的一个下位机。主机发送开始命令之后所有下位机同时开始工 作, 采用查询的方式检查测量进程。若选用具有更多选择通路的模拟开关和更多I/O口的单片机,可实现更多极板的电容分组,当然这对测量速度也会有一定的影响 。 编码电容分组的接线原理如图4所示,以2组( 这里命名为#1和#2)为例进行说明。图中虚线框内为编码电容栅,模拟开关#1-1、#2-1接编码电容栅的负极板,模拟开关#1-2、#2-2接编码电容栅的正极板。其中与电容栅负极板相连的模拟开关的com端接地,而与正极板相连的模拟开关com端接充放电电路,模拟开关的控制端S2、S1、S0接单片机的I/O口。依据电容栅编码测量原理,若 #1 号机完全浸在液体中,则一开始它就会检测到跳变,而当液位在14与15号极板之间时,该位置的电容也有可能有跳变,这样由#1号机是无法正确判断该位置是否为液面位置。在这种情况下,只要#2号机的0号极板从电容栅极板的14号极板开始,就可以#2号机检测到该位置的跳变。因此,为了区分是否液面分界点的跳变,必须在软件中规定只有在前一点无跳变的情况下检测到的跳变才认为是界面。而若一开始就连续检测到两个跳变则认为该组武汉理工大学 测试技术论文 5 编码电容位于液体中,停止该组的检测。所以,实际测量中,每一组都是从编码数值较大的电容开始的。更多分组的接线方式与#2号机类似。

图 4 编码电容分组接线原理图 6、 数据分析

为了检测传感器的可行性,采用2组编码电容进行了实验。由前面分析可知, 2组编码电容总共包括30块极板,29个小电容。在试验中设计的小电容初 始值(介质为空气)为10pF,取极板间距为2mm,由式( 2 )可得小电容极板面积 约为22.6待测测液体为介电常数2.0的煤油,因此理论上电容在煤油中的跳变值也约为 10pF.为了便于观测原始数据,通过CAN转 232将数据从串口传送到PC机上,并用LabV IEW编写上位机程序进行显示。图5为标定之后, 在空气中对每1路电容变化值连续多次采样的部分数据。图6为传感器置于煤油 中随液位变化检测跳变的部分数据。 从图5可以看到,标定之后每路电容在空气中的变化都比较小,基本为0、1、、、23个值而由图6可以看到每次液位变化之后检测到空气中的电容变化值与图5中观测数据基本保持一致,而在液面位置有时会先有一个小的跳变, 有 时会有明显的跳变。通过观察发现,明显跳变位置(图6中可以看到电容变化值在 10pF以上 )的电容基本浸在煤油中,而较小跳变的位置,正是前面分析的两电极极板之间既有待测液体( 煤油 )又有空气的情况。由该图也能明显 看到只要设置合理的阈值,电容跳变是很容易检测到的。图6中的数据就是在 设置电容变化阈值为8pF时采集到的。也就是说,只要合理设计电容栅传感器的各参数就可以实现液位的检测。