CN103076371A - 单平面环形电容式含水率变送器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及物料含水率测量技术领域，特别涉及一种单平面环形电容式含水率变送器，包括：单平面环形电容传感器、振荡电路、混频器、整形电路及数字处理单元。所述单平面环形电容传感器通过所述振荡电路与所述混频器连接。所述混频器通过所述整形电路与所述数字处理单元连接。本申请提供的单平面环形电容式含水率变送器，解决了检测电路的高频干扰等问题，不仅提高了其响应速度和共模抑制能力，还具有输出信号的温度漂移特性线性度较好，易于实现温度补偿的优点。

Description

单平面环形电容式含水率变送器

技术领域

本申请涉及物料含水率测量技术领域，特别涉及一种单平面环形电容式含水率变送器。

背景技术

随着工业技术的不断发展，水分检测已经逐渐成为冶金、化工、汽车等多个领域中不可缺少的一部分。由于被测对象往往处于恶劣的工业环境下，在压力温度等多种因素的干扰下，如何精确快速的测量出被测体的水分含量始终是一项技术难题。在被测对象的介电常数与水的介电常数相差较大的情况下（例如砂石、土壤等），使用电容式传感器间接测量被测对象水分的方法已被广泛使用。它的基本原理是把被测体当做电容传感器的介质，当被测体水分含量发生变化时，电容的介电常数将随之发生改变，通过测量电容的变化我们可以间接测量被测体的水分含量。但是现今大多水分传感器在实现工艺方面比较单一，一般以平行板或圆筒式电容结构为主，安装不够方便，更容易破坏被测体。另外，平行板或圆筒式电容结构的含水率测量装置通常将其电容值转换为对应的频率值进行间接测量，称为频率法。频率法是通过测量振荡信号的频率间接测量水分含量，频率法中振荡电路的实现也存在多种方法，在为了提高检测电路的抗干扰能力以及更快的响应速度，开发者大多采用提高谐振频率的方式，但是单纯的提高谐振频率不仅会增加自身电路间的干扰，提高三极管的开关频率，更给频率测量电路的采样率提出更高的要求，从而提高制造成本，而且其温度漂移特性更差，也不易实现温度补偿。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种能够解决检测电路的高频干扰等问题，易于实现温度补偿的单平面环形电容式含水率变送器。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种单平面环形电容式含水率变送器，包括：单平面环形电容传感器、振荡电路、混频器、整形电路、数字处理单元及温度传感器。所述单平面环形电容传感器通过所述振荡电路与所述混频器连接。所述混频器通过所述整形电路与所述数字处理单元连接。所述温度传感器与所述数字处理单元连接。

进一步地，还包括：外壳及底板。所述外壳与所述底板固定连接形成封闭结构。所述单平面环形电容传感器设置在所述底板上部。所述振荡电路、混频器、整形电路及数字处理单元设置在所述外壳内部。

进一步地，所述振荡电路及混频器构成模拟电路层设置在所述底板的上方。所述整形电路及数字处理单元构成数字电路层设置在所述模拟电路层的上方。

进一步地，还包括：第一屏蔽层及第二屏蔽层。所述模拟电路层与所述单平面环形电容传感器之间设置有第一屏蔽层。所述数字电路层与所述模拟电路层之间设置有第二屏蔽层。

进一步地，所述单平面环形电容传感器包括：圆形板、内铜板及环形外铜板。所述内铜板及所述外铜板镶嵌在所述圆形板的下表面，且所述内铜板设置在所述环形外铜板的中间。所述圆形板的上表面涂有金属屏蔽层。

进一步地，所述底板采用陶瓷材料制成。

进一步地，所述振荡电路包括：本振电路及带极板振荡电路。所述本振电路与所述混频器连接。所述带极板振荡电路与所述混频器连接。所述本振电路与所述带极板振荡电路连接。

进一步地，所述本振电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C 1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电感L1及第二电感L2。所述第一电容C1的一端与所述第一电感L1连接，另一端接地。所述第一电阻R1的一端与所述第一电感L1连接，另一端通过所述第二电阻R2接地。所述第三电阻R3的一端连接在所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共连接处，另一端依次通过所述第五电容C5、第二电感L2及所述第二电容C2接地。所述第四电容C4的一端连接在所述第五电容C5与所述第二电感L2的公共连接处，另一端通过所述第三电容C3接地。所述第一三极管Q1的基极连接在所述第三电阻R3与所述第五电容C5的公共连接处，集电极与所述第一电感L1连接，发射极依次通过所述第四电阻R4及所述第五电阻R5接地。所述第一三极管Q1的发射极还通过所述第六电容C6接地。所述第三电容C3与所述第四电容C4的公共连接处与所述第四电阻R4及所述第五电阻R5的公共连处之间通过导线连接。所述第二三极管Q2的基极与所述第一三极管Q1的发射极连接，集电极与所述第一电感L1连接，发射极与所述混频器连接。所述平面环形电容传感器的一端与所述第二电感L2及所述第二电容C2的公共连接处连接。

进一步地，所述本振电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第三电感L3及第四电感L4。所述第七电容C7的一端与所述第三电感L3连接，另一端接地。所述第六电阻R6的一端与所述第三电感L3连接，另一端通过所述第七电阻R7接地。所述第八电阻R8的一端连接在所述第六电阻R6和所述第七电阻R7的公共连接处，另一端依次通过所述第十一电容C11、第四电感L4及所述第八电容C8接地。所述第十电容C10的一端连接在所述第十一电容C11与所述第四电感L4的公共连接处，另一端通过所述第九电容C9接地。所述第三三极管Q3的基极连接在所述第八电阻R8与所述第十一电容C11的公共连接处，集电极与所述第三电感L3连接，发射极依次通过所述第九电阻R9及所述第十电阻R10接地。所述第三三极管Q3的发射极还通过所述第十二电容C12接地。所述第九电容C9与所述第十电容C10的公共连接处与所述第九电阻R9及所述第十电阻R10的公共连处之间通过导线连接。所述第四三极管Q4的基极与所述第三三极管Q3的发射极连接，集电极与所述第三电感L3连接，发射极与所述第二三极管Q2的发射极连接。

进一步地，所述数字处理单元为单片机。

本申请提供的单平面环形电容式含水率变送器，采用两路对称的振荡电路（包括本振电路和带极板振荡电路）进行混频，通过本振电路和带极板振荡电路的频率差值来间接测量电容值变化，以减小被测信号频率大小，降低频率测量电路的采样率，提高了响应速度和共模抑制能力。并从传感器工艺上采用独特的单平面环形制造工艺，采用高频低频屏蔽分离的方法，解决了检测电路的高频干扰等问题。另外，由于采用的是混频测量法，两路对称振荡电路（包括本振电路和带极板振荡电路）的温度漂移经过相减能够很好的抵消，输出信号的温度特性线性度有了明显提高，更易于实现温度补偿。

附图说明

图1为本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器的内部电路结构框图。

图2为本申请实施例提供的单平面环形电容的主视图。

图3为本申请实施例提供的单平面环形电容的仰视图。

图4为本申请实施例提供的单平面环形电容的俯视图。

图5为本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器结构示意图。

图6为本申请实施例提供的振荡电路图。

具体实施方式

本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器的设计思路是：将被测体作为单平面环形电容传感器1的介质，对于同一被测体，在不考虑温度影响的情况下，被测体不同的水分含量对应了不同的介电系数。同一温度下，当被测体水分含量发生改变时，其介电系数将会随之改变，使单平面环形电容传感器1的电容发生改变。

参见图1-图6，本申请实施例提供的一种单平面环形电容式含水率变送器，包括：单平面环形电容传感器1、振荡电路、混频器、整形电路、温度传感器、外壳14、底板11、第一屏蔽层10及第二屏蔽层9。单平面环形电容传感器1通过振荡电路与混频器连接。混频器通过整形电路与数字处理单元连接。温度传感器与数字处理单元连接。外壳14与底板11固定连接形成封闭结构。单平面环形电容传感器1设置在底板11上部。振荡电路、混频器、整形电路及数字处理单元设置在外壳14内部。

下面进一步的对本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器的结构进行说明：参见图5，振荡电路及混频器构成模拟电路层8设置在单平面环形电容传感器1的上方。整形电路及数字处理单元构成数字电路层7设置在模拟电路层8的上方。模拟电路层8与单平面环形电容传感器1之间设置有第一屏蔽层10，数字电路层7与模拟电路层8之间设置有第二屏蔽层9。参见图2-图4，单平面环形电容传感器1包括：圆形板6、内铜板4及环形外铜板3。内铜板4及外铜板3镶嵌在圆形板6的下表面，且内铜板4设置在外铜板3的中间（内铜板4及外铜板3上设置有焊盘5，内铜板4及外铜板3通过焊盘焊接在圆形板6的下表面）。圆形板6的上表面涂有金属屏蔽层。底板11采用陶瓷材料制成。数字处理单元采用单片机。本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器通过4~20mA标准接口接入工业控制系统，又能够直接通过485总线及RS232串行总线与二次仪表、PC机或HMI画面建立通讯连接，可广泛应用于工业控制各大领域中。参见图6，振荡电路包括本振电路及带极板振荡电路，具体为：带极板振荡电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电感L1及第二电感L2。第一电容C 1的一端与第一电感L1的一端连接，第一电容C1的另一端接地，L1的另一端接12V电源。第一电阻R1的一端与第一电感L1连接，另一端通过第二电阻R2接地。第三电阻R3的一端连接在第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接处，另一端依次通过第五电容C5、第二电感L2及第二电容C2接地。第四电容C4的一端连接在第五电容C5与第二电感L2的公共连接处，另一端通过第三电容C3接地。第一三极管Q1的基极连接在第三电阻R3与第五电容C5的公共连接处，集电极与第一电感L1连接，发射极依次通过第四电阻R4及第五电阻R5接地。第一三极管Q1的发射极还通过第六电容C6接地。第三电容C3与第四电容C4的公共连接处与第四电阻R4及第五电阻R5的公共连处之间通过导线连接。第二三极管Q2的基极与第一三极管Q1的发射极连接，集电极与第一电感L1连接，发射极与混频器连接（即图6中Vmix端接混频器）。单平面环形电容传感器1的一端与第二电感L2及第二电容C2的公共连接处连接。本振电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第三电感L3及第四电感L4。第七电容C7的一端与第三电感L3的一端连接，第七电容C7的另一端接地，第三电感L3的另一端接12V电源。第六电阻R6的一端与第三电感L3连接，另一端通过第七电阻R7接地。第八电阻R8的一端连接在第六电阻R6和第七电阻R7的公共连接处，另一端依次通过第十一电容C11、第四电感L4及第八电容C8接地。第十电容C10的一端连接在第十一电容C11与第四电感L4的公共连接处，另一端通过第九电容C9接地。第三三极管Q3的基极连接在第八电阻R8与第十一电容C11的公共连接处，集电极与第三电感L3连接，发射极依次通过第九电阻R9及第十电阻R10接地。第三三极管Q3的发射极还通过第十二电容C12接地。第九电容C9与第十电容C10的公共连接处与第九电阻R9及第十电阻R10的公共连处之间通过导线连接。第四三极管Q4的基极与第三三极管Q3的发射极连接，集电极与第三电感L3连接，发射极与第二三极管Q2的发射极连接。

下面对本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器的工作原理进行介绍：假设带极板振荡电路及本振电路的振荡频率分别为f1和f2，带极板振荡电路的振荡信号经过第一三极管Q1及第二三极管Q2放大后变成电流信号接入混频器，本振电路的振荡信号经过第三三极管Q3及第四三极管Q4的放大后变成电流信号接入混频器。根据混频器的特性，混频器的输出信号中将含有两个频率成分：f1+f2和f1-f2，f1+f2和f1-f2两路信号再经过低通滤波后将会得到频率为f1-f2的正弦波Δf，最后此正弦波Δf通过整形电路转换为方波送入单片机进行频率测量，并将此频率值存储至单片机中作为计算含水率的重要参数。单片机中对含水率的标定及计算方法如下：首先取一份充分烘干的被测体称得重量M0，用本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器测量得到频率差值Δf0。然后将被测体加水充分浸泡至饱和，再次称得重量M1，用本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器测量得到频率差值Δfm。根据以上标定过程，得到所测对象含水率变化范围为0~M0／M1，频率差变化范围为Δf0~Δfm。因此，考虑温度补偿因子后，实时含水率的计算公式为：σ=Δf*M0／M1(Δfm－Δf0)﹢KΔT，其中，σ为实时含水率，Δf为实测频率差值，K值为温度补偿系数，ΔT为当前温度与常温的温度差值（当前温度是指当前被测体的温度，当前温度通过温度传感器从振荡电路中的测温点测量，并传送至单片机）。

为了克服现有频率法中单纯采用提高谐振频率所带来的不足，本申请实施例提供的单平面环形电容式含水率变送器基于频率法，采用两路对称的振荡电路（分别为本振电路和带极板振荡电路）进行混频，通过本振电路和带极板振荡电路的频率差值来间接测量单平面环形电容传感器1的电容值变化，以减小被测信号频率大小，降低频率测量电路的采样率，提高响应速度和共模抑制能力。此外，从传感器工艺上采用独特的单平面环形制造工艺，采用高频低频屏蔽分离的方法，解决了检测电路的高频干扰等问题。温度变化对测量的影响主要有两个方面，一是检测电路元器件本身的随温度变化产生的温度漂移，一是被测对象随温度变化产生的形态变化，在两个因素共同的干扰作用下，测量的结果与温度之间的关系是复杂的非线性关系。然而，在本申请实施例中，由于采用的是混频测量法，两路对称振荡电路元器件的温度漂移经过相减能够很好的抵消，输出信号的温度特性线性度有了明显提高，更易于实现温度补偿。首先，通过对同一含水率对象在不同温度下的测量结果计算出温度补偿系数K。通过温度传感器可以将当前温度送入单片机中，假设当前温度与常温的温差为ΔT，则在单片机计算结果中加入补偿因子KΔT便可以方便的实现温度补偿。

本申请实施例具有以下有益效果：

1、采用两路对称的振荡电路（包括本振电路和带极板振荡电路）进行混频，通过本振电路和带极板振荡电路的频率差值来间接测量电容值变化，以减小被测信号频率大小，降低频率测量电路的采样率，提高了响应速度和共模抑制能力。

2、采用独特的单平面环形制造工艺，采用高频低频屏蔽分离的方法，解决了检测电路的高频干扰等问题。

3、由于采用的是混频测量法，两路对称振荡电路（包括本振电路和带极板振荡电路）的温度漂移经过相减能够很好的抵消，输出信号的温度特性线性度有了明显提高，更易于实现温度补偿。

4、结构简单、成本较低，便于在工业上实施。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，包括：单平面环形电容传感器、振荡电路、混频器、整形电路、数字处理单元及温度传感器；

所述单平面环形电容传感器通过所述振荡电路与所述混频器连接；

所述混频器通过所述整形电路与所述数字处理单元连接；

所述温度传感器与所述数字处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，还包括外壳及底板；

所述外壳与所述底板固定连接形成封闭结构；

所述单平面环形电容传感器设置在所述底板上部；

所述振荡电路、混频器、整形电路及数字处理单元设置在所述外壳内部。

3.根据权利要求2所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述振荡电路及混频器构成模拟电路层设置在所述底板的上方；

所述整形电路及数字处理单元构成数字电路层设置在所述模拟电路层的上方。

4.根据权利要求3所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，还包括：第一屏蔽层及第二屏蔽层；

所述模拟电路层与所述单平面环形电容传感器之间设置有第一屏蔽层；

所述数字电路层与所述模拟电路层之间设置有第二屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述单平面环形电容传感器包括：圆形板、内铜板及环形外铜板；

所述内铜板及所述外铜板镶嵌在所述圆形板的下表面，且所述内铜板设置在所述环形外铜板的中间；

所述圆形板的上表面涂有金属屏蔽层。

6.根据权利要求2所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述底板采用陶瓷材料制成。

7.根据权利要求1所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述振荡电路包括本振电路及带极板振荡电路；

所述本振电路与所述混频器连接；

所述带极板振荡电路与所述混频器连接；

所述本振电路与所述带极板振荡电路连接。

8.根据权利要求7所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述带极板振荡电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电感L1及第二电感L2；

所述第一电容C1的一端与所述第一电感L1连接，另一端接地；

所述第一电阻R1的一端与所述第一电感L1连接，另一端通过所述第二电阻R2接地；

所述第三电阻R3的一端连接在所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共连接处，另一端依次通过所述第五电容C5、第二电感L2及所述第二电容C2接地；

所述第四电容C4的一端连接在所述第五电容C5与所述第二电感L2的公共连接处，另一端通过所述第三电容C3接地；

所述第一三极管Q1的基极连接在所述第三电阻R3与所述第五电容C5的公共连接处，集电极与所述第一电感L1连接，发射极依次通过所述第四电阻R4及所述第五电阻R5接地；

所述第一三极管Q1的发射极还通过所述第六电容C6接地；

所述第三电容C3与所述第四电容C4的公共连接处与所述第四电阻R4及所述第五电阻R5的公共连处之间通过导线连接；

所述第二三极管Q2的基极与所述第一三极管Q1的发射极连接，集电极与所述第一电感L1连接，发射极与所述混频器连接；

所述单平面环形电容传感器的一端与所述第二电感L2及所述第二电容C2的公共连接处连接。

9.根据权利要求7所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述本振电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第三电感L3及第四电感L4；

所述第七电容C7的一端与所述第三电感L3连接，另一端接地；

所述第六电阻R6的一端与所述第三电感L3连接，另一端通过所述第七电阻R7接地；

所述第八电阻R8的一端连接在所述第六电阻R6和所述第七电阻R7的公共连接处，另一端依次通过所述第十一电容C11、第四电感L4及所述第八电容C8接地；

所述第十电容C10的一端连接在所述第十一电容C11与所述第四电感L4的公共连接处，另一端通过所述第九电容C9接地；

所述第三三极管Q3的基极连接在所述第八电阻R8与所述第十一电容C11的公共连接处，集电极与所述第三电感L3连接，发射极依次通过所述第九电阻R9及所述第十电阻R10接地；

所述第三三极管Q3的发射极还通过所述第十二电容C12接地；

所述第九电容C9与所述第十电容C10的公共连接处与所述第九电阻R9及所述第十电阻R10的公共连处之间通过导线连接；

所述第四三极管Q4的基极与所述第三三极管Q3的发射极连接，集电极与所述第三电感L3连接，发射极与所述第二三极管Q2的发射极连接。

10.根据权利要求1所述的单平面环形电容式含水率变送器，其特征在于，所述数字处理单元为单片机。

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