- 相關推薦
電容法構成的液位檢測及控制裝置(一)
摘 要：液位測量是現代工業生產過程中必不少的重要環節。同時，傳感器和變送器往往成為液位測量系統中將液位信號變成工程所需信號不可缺少的兩個部分。因而對傳感器和變送器進行分析、研究以及設計是必要的。
本文采用的是電容法測液位。傳感器和變送器部分是本論文的主要研究內容，首先對傳感器和變送器部分進行了設計，變送器設計應用了模擬電路技術和數字電路技術。其中電容信號檢測電路采用的是由兩片555定時器構成的脈寬調制法。
本文控制裝置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列電動調節閥。通過此控制裝置實現了對液位的閉環PID控制。另外在容器的上、下限位處分別安裝液面傳感器可實現對上、下限位的報警。
關鍵詞：液位檢測；電容式傳感器；變送器；控制裝置
第一章 系統整體設計
以單個容器為例，具體的框圖如圖1.1所示。其中電容式傳感器位于容器中，變送器位于容器頂。其中本課題涉及到的硬件主要包括電容式傳感器、電容檢測信號和變送器，其次是控制器和電動調節閥。軟件設計就是對PLC的編程，軟件較硬件簡單，通過硬件設計和軟件編程以實現對液位系統的閉環PID控制，使整個系統具有很好的穩定性。另外，當控制裝置出現故障時，還可通過手動調節電動調節閥的開度。
圖1.1 系統原理框圖
在液位控制系統中，用電容式傳感器檢測液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量混合擴展模塊(EM235)，經A/D轉換后得到與液位成比例關系的數字量，CPU將它與液位設定值比較，并按PID控制規律對誤差值進行計算，將運算結果（數字量）送給模擬量混合擴展模塊,經D/A轉換后變為電流信號，用來控制電動調節閥的開度，通過它控制進水量，實現對液位的閉環控制。
第二章 電容式傳感器的設計
對于電容傳感器，設計時可以從以下幾方面予以考慮。
1.減小環境溫度、濕度等變化所產生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能。
環境溫度變化使電容式傳感器內各零件幾何尺寸和相互間幾何位置及某些介質的介電常數發生改變，從而改變傳感器的電容量，產生溫度附加誤差。濕度也影響某些介質的介電常數和絕緣電阻值。因此，必須從選材、結構、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。
電容式傳感器的金屬電極材料以選用溫度系數低而穩定的鐵鎳合金為好，但難以加工。也可以采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。
傳感器內電極表面不便經常清洗，應加以封裝，用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件而起保護作用，可防塵、防熱、防濕、防腐蝕，并且在高溫下可以減少表面損耗，降低溫度系數，但成本較高。
電容式傳感器的容抗都很高，特別是當電源激勵頻率較低時。當兩極板間總的漏電阻若與此容抗相近時，必須考慮分路作用對系統靈敏度的影響，所以傳感器內，電極的支架除要有一定的機械強度外，還要有穩定的性能。因此，選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩定性好，并且具有高的絕緣電阻、低的吸潮性和高的表面電阻的材料，例如云母、石英、人造寶石及各種陶瓷作支架。雖然這些材料較難以加工但性能遠高于塑料和有機玻璃等材料。在溫度不太高的環境下，可以考慮選用聚四氟乙烯材料作支架，其絕緣性能較好。
電容式傳感器的電介質應盡量采用空氣或云母等介電常數的溫度系數近似為零的電介質（也不受濕度變化的影響）。若采用某些液體如硅油、煤油等作為電介質，當環境溫度變化時，它們的介電常數隨之改變，產生誤差，這種溫度誤差雖然可以用后接電子線路加以補償（如采用與測量電橋相并聯的補償電橋），但不易完全消除。
可以用數學關系式來表達溫度變化所產生的誤差，作為設計依據，雖然比較繁瑣，但可以借助計算機處理。
傳感器的電源頻率采用50kHZ至幾兆赫，可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。還應指出，由于電容傳感器的靈敏度與極板間距離成反比，因此初始距離都應盡量取的小些，這不僅增大加工工藝的難度、減小了變換器作用的動態范圍，也增加了對支架等絕緣材料的要求，這時甚至要注意極間出現的電壓擊穿現象。
2.消除和減小邊緣效應與泄露電容的影響
電容器的邊緣效應使設計計算復雜化、產生非線性以及降低傳感器的靈敏度。消除和減小的方法是在結構上增設防護電極，防護電極必須與被防護電極取相同的電位，盡量使它們同為地電位。還可以將電極板做得盡量薄，使其極間距相應減小，從而減小邊緣效應。
電容式傳感器的電容量及其工作時的電容變化量都很小，往往小于泄露電容。所謂泄露電容，主要由兩部分組成：電容器的極板與其周圍導體構成的寄生電容以及引線電容（電纜電容）。這些泄露電容不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它的變化是虛假的，且隨條件而變，很不穩定，從而會引起較大的測量誤差，必須消除或減小它。
（1）增加原始電容值，可減小泄露電容的影響。采用減小極片或極筒間的間距（平板式間距為0.2~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm），增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結構等限制。一般電容傳感器的電容值變化pF，相對變化。
（2）消除電纜電容的方法有：將測量線路的前級安放在緊靠傳感器的地方，或利用集成技術將它們組合在一個殼體內，以減小或省去電纜長度和電纜位置變化的影響；對于圓筒式傳感器可采用接地屏蔽措施，克服不穩定的寄生電容的影響。屏蔽和接地時必須注意避免電極移動時，高電位極板與屏蔽間電容的變化，以防止造成虛假的輸出信號。圖2.1畫出了圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式，圖中可動電極處于地電位，這樣既解決了可動電極的絕緣處理問題，又可以保證電極移動時與屏蔽間的電容不變。
圖2.1圓筒形電容傳感器的接地屏蔽示意圖
電容式液位傳感器是根據電容極板間物質介電常數的不同（如，水的介電常數為79，而干燥空氣則為1）所引起的電容變化并測試電容，進而求得被測物理量（如液位）。在工業生產過程中，有許多大型的圓型貯料容器，器壁有金屬的也有非金屬的；貯料有液體的，也有粒狀（或粉狀）固體的，電物理性方面有導電的，也有電絕緣的。在貯罐器壁為金屬材質時具有最簡單的電容極板構造形式，在圖2.2中，忽略雜散電容和邊緣效應后，有貯液狀態下的電容。圖2.2中由兩圓筒構成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中（液體應不能導電，若能導電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質由2部分組成：空氣介質和液體介質，由此而形成的電容式液位傳感器，由于液體介質的液面發生變化，從而導致電容器的電容C也發生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環境的影響�？傠娙軨由液體介質部分電容C2和空氣介質部分電容C1兩部分組成：
其中圖中，， 。所以總電容量C為式為：
。這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度成正比。
圖2.2圓筒式電容式傳感器電極
本設計中電容極板的材質采用銅，也是制作PCB板的材料，因為銅與金和銀在元素周期表中同屬一族，因而具有與貴金屬相似的優異物理和化學性能。它塑性好、易加工、耐腐蝕、無磁性、美觀耐用、特別是，銅的導電和導熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。由于銀比較昂貴，因而銅是被廣泛應用的最佳導電體和導熱體。
第三章 變送器設計
3.1 電源電路設計
供電電源電路如圖3.1所示：
圖3.1 供電電源電路
3.2 電容檢測電路設計
本文中所用的電容檢測電路是由兩片555構成的脈寬調制法。
圖3.2 由555構成的脈寬調制法原理圖
脈寬調制法的電路原理圖如圖4.2所示。它是用一片555定時器和一些阻容組成多諧振蕩器，另外一片555定時器、待測電容和一些阻容組成單穩態觸發電路。多諧振蕩器的輸出作為單穩態觸發器的輸入信號，這樣單穩態觸發器就輸出一個占空比與被測電容成正比的脈沖。而單穩態輸出脈沖的占空比由于輸出電壓平均值有關，因此只要檢測出電壓平均值就可以反應被測電容的大小。
該方法的主要優點是電路簡單、價格便宜、測量方便，具有一般的測量準確度。主要缺點是不能自動調零，線性度差。
3.3 電壓轉換電路
圖3.3電壓轉換為電流信號原理圖
因為運算放大器具有高輸入阻抗的特性,因而運算放大器的兩輸入端的電流和可以近似為零。
因運算放大器的輸入阻抗高，故流經R10的電流近似為零，又由虛短和虛斷可知，V0及第二個變送器的輸出電壓相等。對第三個運算放大器和電壓跟隨器應用同樣的原理，并設輸出電流為I�？傻�
令 可得 ,即
由 OUT= ，又可得
第四章 控制裝置
在液位閉環系統中，用電容式傳感器檢測液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量混合擴展模塊(EM235)，經A/D轉換后得到與液位成比例關系的數字量，CPU將它與液位設定值比較，并按PID控制規律對誤差值進行計算，將運算結果（數字量）送給模擬量混合擴展模塊,經D/A轉換后變為電流信號，用來控制電動調節閥的開度，通過它控制進水量，實現對液位的閉環控制。
圖4.1CPU222和模擬量混合擴展模塊EM235接線圖
電動調節閥采用上明牌ZDSM系列直行程電動套筒調節閥，由套筒閥配用德國進口PS系列電動執行機構組成。
參考文獻
任開春,涂亞慶.20余種液位測量方法分析[J],工業儀表與自動化裝置,2003,(5):12~16.
姚振東,朱勇.電容傳感器在液位測量中的應用[J],傳感器世界,2000,(9):4~7.
招惠玲,周美娟,胡遠忠.電容式液位測量系統的設計[J],傳感器技術,2004,23(3):40~42.
江冰,顧明.基于充放電原理實現的微電容測量電路[J],電氣電子教學學報,2002,24(3):30~34.
陳裕泉, [美]葛文勛.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社,2007.
康華光主編.電子技術基礎（數字部分）[M].北京:高等教育出版社，2005.
康華光主編.電子技術基礎（模擬部分）[M].北京:高等出版社,2004.
李長久主編.PLC原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2007.
劉鳳山,陳紀軍,陳秀文,張振武.電動調節閥在水池水位自動控制中的應用[J],一線技術,2001,20(11):20～21 .
【電容法構成的液位檢測及控制裝置(一)】相關文章：
微機控制軸承尺寸檢測裝置12-07
論有效內部控制的構成要素03-25
基于FX2N-32MR可編程控制器的水塔液位控制系統(一)11-22
一種用于產品在線探傷的圖像檢測裝置11-22
論構成糧食霉變的要素及控制方法03-17
現場總線控制系統的構成與特點03-18
一種新型高精度激光輪對檢測裝置03-19
淺談建筑物防雷裝置檢測方法11-23