CN101266167A - 电容式数字物位传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式数字物位传感器，特征是由导线连接微电容检测集成电路与两个或两个以上的极板构成多个电容器的极板；其测量方法是将其固定设置在被测物料中，两个极板组成多个电容器，每个电容器有一个对应的微电容检测电路，根据电容量的变化使其输出为“0”或“1”，通过扫描电路统计即得数字物位值。本发明结构紧凑合理，使用方便快捷准确，解决了现有物位测量受温度、湿度以及电容值积累误差等因素的影响而导致其测量误差较大的问题，大大增强了传感器的抗干扰能力，提高了物位测量的稳定性和可靠性，特别适用于粉态或小颗粒状固体、液体的直接数字化精确测量。

Description

电容式数字物位传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种电容式物位传感器及其测量方法，具体来讲是一种通过两个电容极板感应测量物位的电容式数字物位传感器及其测量方法。

背景技术

现有电容式物位传感器的测量方法，是利用电容传感器将被测介质位置的变化转变为电容量大小的变化，然后根据电容的大小来求得相应物位的数值。由于引起电容变化的因素有很多，如电容极板面积的变化、电容极板间距的变化、电容极板间介质性质的变化等都将引起电容量的变化。电容式物位测量传感器有多种结构形式，如：适用于导电容器中盛放绝缘性材料，电容器为立式圆筒形结构，器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容与物位成比例；又如，适用于非金属电容器结构，或虽为金属电容器但非立式圆筒形结构，物料为绝缘性的，这时在棒状电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外物位相同。中央圆棒及与之同轴套筒构成两个电极，其间电容和电容器形状无关，只取决于物位。这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间；再如，用于导电性物料，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，导电物料使器壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积的改变。

上述几种电容式物位传感器的结构不同，但其测量方法的共同特点是都采用模拟量信号进行检测，即将测量物位的变化转变为测量电容大小的变化，而且要保证测量的电容值与物位成线性对应关系。然而在实际使用中，由于干扰电容大小的因素很多，很难保证这种线性关系，如所测物质成份不同，其介电常数就不同，导致所测电容不同；还有挂料的影响；再加上环境温度和湿度变化造成零点电容值的漂移，电容值的积累误差也会造成非线性等，这就会使一般电容式物位传感器在测量物位时会出现较大误差。

发明内容

本发明要解决的问题是现有电容式物位传感器及其测量方法，由于其结构及方法采用模拟量信号测量，导致在测量物位时存在误差较大的问题。

本发明的目的之一是物位传感器的数字化，该传感器是通过电容感应变化进行直接数字化物位测量。其输出直接可以和计算机相连，实现物位测量的全数字化。

本发明的目的之二是用该电容式数字物位传感器测量时，不同的介质可以通过电容变化来测量，即该传感器能够识别多种介质，应用范围较广。

基于上述问题和目的，实现本发明电容式数字物位传感器的技术方案是在绝缘的第一极板上设置有两个或两个以上的极板与第二极板构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源。

或是第一极板与绝缘的第二极板上设置有两个或两个以上的极板构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源。

或是绝缘的第一极板上设置有两个或两个以上的极板与绝缘的第二极板上设置有两个或两个以上的极板构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源。

本发明电容式数字物位传感器中，其两个或两个以上的极板是结构、形状相同并平行等距与另一极板对应排列而构成的极板；两极板间的纵向距离是1cm～500cm；其两极板的横向距离是两极板能够形成微电容感应的距离；其微电容检测集成电路是由振荡电路、检波电路、比较放大电路、整形电路和输出电路集成的多路微电容检测芯片。

本发明用于电容式数字物位传感器的测量方法，该方法是将电容式数字物位传感器固定设置在被测物料中，传感器的第一极板为电容器的一极，第二极板为另一极，第一极板分别与第二极板形成多个电容器，每个电容器有一个对应的微电容检测电路，每个电容器的电容量发生变化时会使其输出变为“0”或者是“1”，通过扫描电路统计所有微电容检测集成电路状态“0”或者是“1”的个数，即得准确的数字物位值。

本发明电容式数字物位传感器与现有物位传感器相比，根据电容法测量物位，由金属材料构成电容两极，具有固定的极板面积和极板间距，多个极板分别组成多个电容器并平行等距对应排列而构成，在两个极板间的介质变化导致电容器的电容量发生感应变化，电容器的电容量发生感应变化导致电容器检测集成电路的状态发生变化，将这种电容器检测集成电路的状态发生变化统计即得数字物位值。本发明电容式数字物位传感器具有突出的实质性特点和显著进步在于通过改进电容器的感应结构，实现电容感应的微量变化来进行物位的直接数字化测量，而不是通过测量电容量的大小来测量物位的，即由模拟信号测量改变为数字信号测量。本发明在结构上简单紧凑合理，在测量方法上新颖、方便、快捷和准确。其电容器电容量的微量感应能够感知到被测介质的变化，解决了现有电容物位传感器检测时，受空气温度和湿度变化造成零点电容值的漂移，测量电路元器件的失真，老化造成电容值的改变，物料介电常数的变化造成传感器的线性失真以及电容值的积累误差等因素。大大增强了抗干扰能力，提高了物位测量的稳定性和可靠性高，本发明的电容式数字物位传感器能够对现有的粉态或小颗粒状固体、液体进行直接数字化的准确无误的测量，应用范围十分广泛。

附图说明

图1是本发明电容式数字物位传感器的结构示意图

图2是本发明的电气原理结构示意图

图3是本发明电气结构连接示意图

图中：A：第一极板  B：第二极板

具体实施方式

下面结合附图能够对本发明的技术方案作出进一步的详细说明，本实施例是对本发明的进一步详细说明，并不对本发明作出任何限制。

本发明电容式数字物位传感器的构造可制作成多种有感应形状的极板构造，如：平面极板构造、“V”字型极板构造、“U”字型极板构造和两平行极板构造等。平面极板构造的感应距离为180度，“V”字型极板构造的的感应距离为0～180度，“U”字型极板构造和两平行极板构造的感应距离为两个极板能够感应的距离。

本发明电容式数字物位传感器极板的设置是两极板能够形成感应电容的多种设置，如：第一种极板设置是A板为整体极板，B板为两个或两个以上的多极板；第二种极板设置是A板为两个或两个以上的多极板，B板为整体极板；第三种极板设置是A板为两个或两个以上的多极板，B板也为两个或两个以上的多极板。其极板是相同结构形状并平行等距对应排列而构成的能够感应的电容极板。

下面本发明以“U”字型极板为具体实施例，进一步具体说明本发明技术方案的具体实施方式，其它平面极板构造、“V”字型极板构造和两平行极板构造等，其形状和构造不同，不再一一举例说明。

如附图1、2和3，使用PVC绝缘材料做成“U”字型的传感器外形构造，“U”型传感器两侧极板的平行间距设置为0.5～3cm，采用金属整体不锈钢板板作为第一极板A，其长度根据其所测物料的深度而设定，其宽度为6cm。第二极板B为B1，B2，…，Bn多个极板，大小为5×2cm²，按1cm的间隔(可在1cm～500cm内设置)再垂直方向上等距、平行、对应布置，并与第一极板A形成n个电容C1，C2，…，Cn，每个电容都有一个相应的微电容检测电路。由于所测电容值太小，为了避免引线等多种因素带来的干扰和影响，需要将振荡电路、检波电路、比较放大电路、整形电路和输出电路进行集成，同时将多路微电容检测电路集成到一个芯片上，构成电容检测集成电路7730，每个集成片包括10路微电容检测集成电路。其输入端连接B1、B2…Bn，输出端为串行数据总线接口，将多个芯片联结在一起组成电容式数字式物位传感器，电气连接如图3所示。这些电路将被固定在B板的PVC管中，最后用环氧树脂浇注成型，并使传感器有一定的抗冲击能力。

安装时，选择物料仓中测量的位置，将“U”型传感器垂直放入空仓中，传感器敞口向着料仓的中轴线，传感器的内侧面设有固定孔将传感器固定在料仓内中。

测量时，第一极板的整体金属极板A构成电容的一极，另一侧是标准大小的多个金属极板B1，B2，…，Bn，与极板A形成n个电容C1，C2，…，Cn，每个电容都有一个相应的微电容感应电路。物料仓中无物料时，电容中间介质是空气，C1，C2，…，Cn，n个电容量相对固定，n个电容感检测电路输出的状态为“0”，物料仓中装料后，由于介质的变化，被物料掩埋的数个电容的容量发生变化，微电容检测集成电路捕捉到电容量的变化后状态由“0”翻转成“1”，没有被埋的电容容量不发生变化，相应的微电容检测集成电路的状态仍为“0”，通过扫描电路统计所有微电容检测集成电路状态“1”的个数，最后得到准确的数字物位值。本发明传感器的分辨率设置为2cm。

Claims (6)

1.电容式数字物位传感器，其特征是在绝缘的第一极板(A)上设置有两个或两个以上的极板与第二极板(B)构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源；

或是第一极板(A)与绝缘的第二极板(B)上设置有两个或两个以上的极板构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源；

或是绝缘的第一极板(A)上设置有两个或两个以上的极板与绝缘的第二极板(B)上设置有两个或两个以上的极板构成两个或两个以上的电容器，由导线连接微电容检测集成电路及电源。

2.如权利要求1所述的电容式数字物位传感器，其特征在于两个或两个以上的极板是相同结构形状并平行等距与另一极板对应排列而构成的极板。

3.如权利要求2所述的电容式数字物位传感器，其特征在于相同结构形状并平行等距的纵向距离是1cm～500cm。

4.如权利要求2所述的电容式数字物位传感器，其特征在于两极板的横向距离是两极板能够形成微电容感应的距离。

5.如权利要求1所述的电容式数字物位传感器，其特征在于微电容检测集成电路是由振荡电路、检波电路、比较放大电路、整形电路和输出电路集成的多路微电容检测集成芯片。

6.一种用于权利要求1所述的电容式数字物位传感器的测量方法，该方法是将电容式数字物位传感器固定设置在被测物料中，传感器的第一极板(A)为电容器的一极，第二极板(B)为另一极，第一极板(A)分别与第二极板(B)形成n个电容器(C1，C2，…，Cn)，每个电容器有一个对应的微电容检测电路，每个电容器的电容量发生变化时使其输出变为“0”或者是“1”，通过扫描电路统计所有微电容检测集成电路状态“0”或者是“1”的个数，即得准确的数字物位值。

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