CN103575360B - 分节电容液位传感器测量电路实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了分节电容液位传感器测量电路实现方法，包括交流激励源、前置放大单元、加法器、减法器、中间放大单元、检波器、低通滤波器。本发明解决了现有方法中对测量电路与传感器距离的严格限制，当液位快速变化时响应能力不足，以及只能测得单一变换信号的问题，很大程度上扩展了分节电容液位传感器的应用范围。

Description

分节电容液位传感器测量电路实现方法

技术领域

本发明涉及传感器及测量技术，具体涉及航天特种测量。

背景技术

在航天液体火箭推进领域中，无论是在发动机地面试验，还是火箭飞行中，都需要精确掌握推进剂贮箱内的实时液位。如果对贮箱进行不同高度对应容积的标定后，再根据一定时间内分析液面计测量电路的输出信号，还可以得到推进剂稳态流量这一重要参数。北京航天试验技术研究所的马礼耀等人提出一种分节式电容液位传感器，该方法由于采用了细分直管段的传感器结构，再结合差动测量技术，使得传感器具有很强的温度、压力自动补偿能力，以及极高的精度和分辨率。

但是，与分节式电容液位传感器相配合的测量电路存在很大困难，制约了这种传感器的应用，遇到的主要困扰如下：

(1)信噪比极低，极易被过大的杂散因素所淹没。受实际使用中的恶劣环境限制，变送器与传感器之间需要保持较长距离。以线缆长度为50m计，线缆的分布电容就高达5000pF，且该分布参数还会发生变化(外界温度变化、线缆晃动等)，而要检测的差动电容最大仅为几个pF，最高分辨可达0.01pF。

(2)实时性要求高。由于在实际应用中，液位下降速度可能很快，为保证测量精确、及时，要求测量刷新率高，即快速响应性能很好(500Hz以上)。

(3)需要同时实现用于平稳和非平稳变化状态下的液位测量。在加注过程中，由于贮箱内上部温度较高，低温推进剂液面附近存在剧烈沸腾，差动电容变换信号将出现杂乱波形。此外，由阀门动作等原因也会引起的液面突然起伏，也会输出奇异波形。对于以上类似的非平稳变化状态，依赖于计算三角波个数而实现的液位测量功能失效，真实液位信息将无法确定。

目前，各种已知方法都不能较好解决以上存在问题。

发明内容

本发明提供了一种分节电容液位传感器测量电路实现方法。解决的技术问题为，从大的干扰源中快速提取微小的电容变化并进行调理，同时实现高灵敏度的局部液面和整体液位测量。

交流激励源同时加在两个待测电容的公共电极，两个待测电容的另一端分别连接各自对应的前置放大器的反相输入端，参比电容连接在前置运算放大器的反相输入端和输出端之间。前置放大器的同相输入端通过电阻或直接连接信号地。前置运算放大器在反相输入端与输出之间，连接有标准参比电容。

在运算放大器极高的开环增益作用下，运算放大器反相输出端在测量过程中始终处于“虚地”状态。交流激励源作用于待测电容上所产生的电流始终完全流过反馈支路，并经过固定的参比电容将待测奇节、偶节电容的大小变换为两个交流电压信号，当待测电容的大小变化时，交流电压信号的幅值也发生相同比例变化。

对应于奇、偶数节实时电容的两路输出变换电压信号进入加法器、减法器进行求和、求差运算，从而得到表征两待测电容之和、差的原始电压信号，即表征宏、微观液位的原始信号。这两种信号分别经各自的交流放大单元、检波单元、低通滤波单元和输出调节单元，同时得到满足使用要求的宏观和微观液位变换信号。其中：放大单元实现对两类初始交流电压信号进行幅度放大；检波器实现将低通滤波后的两类交流信号各自变换为直流电压输出；低通滤波器对检波器输出的两类电压信号进行低通滤波，得到直流电压信号；输出调节单元对两类直流电压信号的零位、幅度可根据需要进行调节。

本发明的有益效果是：

1)抗干扰能力强，克服线缆分布电容等杂散因素对小电容测量的影响。

2)同时得到反应微观液位变化和宏观液位变化的两种变换信号，提高使用可靠性，扩展了分节液面计的适用范围。

本发明对基于差动电容检测的其它应用，如电容式真空压力传感器等，同样具有所述之优点。

附图说明

图1为分节电容液位传感器工作原理。

图2为信号检出形式。

图3为线缆杂散因素抑制原理。

图4为测量电路实现原理。

具体实施方式

为了本发明的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面以分节液面计为应用传感器，结合具体图示，进一步阐述本发明。

为便于理解本发明内容，对分节电容液位传感器进行必要介绍。

如图1所示，分节电容液位传感器的基本结构与普通电容液位传感器相同，一种典型结构是由同轴的金属内管、外管构成，但外管被分割成相同高度并相互绝缘的若干节(个数通常为偶数，以达到完整对称性)，然后把奇数节连成一组，偶数节连成另一组。它们与内管分别构成电容C_x1、C_x2，将这两个电容作为比较测量。在贮箱内为气态的初始状态下，奇、偶节电容基本相等，此时，测量电路输出为零位信号。以液面上升过程为例，随着时间变化，测量电路输出波形如图2左侧所示。液面下降过程中，分析方法同理。即随着加注、试车过程的液位上升或下降，通过测量电路将获得连续的三角波。在任意时刻，传感器被液体淹没的奇、偶数节个数相差不大于1个。在一定时间内通过判读三角波个数，再对应贮箱标定的容积，就可以计算低温介质的稳态体积流量。当液位高度变化速率改变时，只影响三角波的周期，不对测量造成影响。若结合某时刻测量电路输出电压幅度与三角波幅值间所对应的关系，还可得到在一个分节内的液面相应精确位置。

上面这种高分辨率的测量实现依赖于一定的前提，即气-液面分界明显，不存在较大波动和沸腾。但对于低温液体而言，在加注、转存等过程中，或是贮箱突然增压或放气等操作，都会使得波形杂乱难辨，三角波的个数无法确定，导致测量失效。此时，只有用液位传感器的奇数节电容和偶数节电容之和来代表宏观的总液位才是合理和可行的，测量电路输出波形应如图2右侧所示。当然，液位高位变化速率不可能始终保持恒定，相应输出波形只是近似呈线性，但该信号起到的作用是相同的。

测量电路对长线缆的分布电容抑制原理如图3所示。交流激励源V_s驱动待测电容的一个电极，另一电极连接运算放大器A的反相输入端，C_n1、C_n2为线缆分布电容，C_x、C_s分别代表待测电容和固定大小的参考电容。当正弦波信号源内阻与C_n1的容抗相比足够小时，C_n1影响可忽略，而运算放大器A的反相输入端处于“虚地”状态时，C_n2两端的电位相等，从而消除了线缆分布电容的干扰。

为此，测量电路的核心功能就是同时完成两种信号的变换及调理。如图4所示。

假设电容液位传感器S被细分为相同长度的2n节，其中，一个细分节S_i(1≤i≤2n)在气、液相间的电容变化ΔC_i被变换为反应微观液位的三角波电压ΔV_s，最大变化电容对应三角波的峰-峰值V_p-p。而所有细分节总和，即传感器整体在气、液相间的电容变化量ΔC_z被变换为反应宏观液位的近似线性(液面高度变化速率不可能始终相同)电压ΔV_z，最大变化电容对应近似线性波的最大变化电压ΔV_z。显然，在理论上满足：

ΔC_z＝2nΔC_i(1)

在频率、幅值稳定的正弦波U_x～激励下，两个工作在负反馈状态下的前置运算放大器分别快速跟踪随液位变化而变化的传感器奇数节电容C_x1和偶数节电容C_x2，输出交流变换电压U_s1～、U_s2～，计算公式如下：

U_S1～＝U_x～C_x1/C_S1(2)

U_S2～＝U_x～C_x2/C_S2(3)

当两前置运算放大器A₁、A₂所用参比电容C_s1、C_s2在容值、温度系数方面非常接近，即认为C_s＝C_s2＝C_s，U_s1～、U_s2～经过加法器和减法器后，有以下关系：

U_S1～-U_S2～＝U_x～(C_x1-C_x2)/C_S(4)

U_S1～+U_S2～＝U_x～(C_x1+C_x2)/C_S(5)

如果定义前置变换灵敏度K₀，K₀＝U_x～/C_s，则

U_S1～-U_S2～＝K₀(C_x1-C_x2)(6)

U_S1～+U_S2～＝K₀(C_x1+C_x2)(7)

由式(1)知，当2n较大时(如2n＝100)，微观、宏观液位变换信号的灵敏度将存在很大差异。要达到相同数量级的规范使用信号(0-5V或4-20mA)，主要通过不同的交流放大倍数实现。其中，由于微观液位变换的原始信号较小(通常为mV级)，可采用仪表放大器直接进行100-1000倍的高增益、不失真放大。

如果定义微观、宏观液位中间放大单元A₃、A₄的增益分别为K_s1、K_z1，则通过该级后的输出电压信号U_S～、U_Z～：

U_S～＝K_s1K₀(C_x1-C_x2)(8)

U_Z～＝K_z1K₀(C_x1+C_x2)(9)

U_S～、U_Z～分别经过检波器P₁、P₂进行交流检波后，分别得到脉动直流输出U_S0、U_Z0，变换系数为K_s2、K_z2。

再分别经过滤波器F₁、F₂进行低通滤波后，即得到微、宏观直流变换电压U_S、U_Z，变换系数为K_s3、K_z3。

通过上述电路变换，实时地将液位传感器的奇数节、偶数节电容差值及和值线性地变换为直流电压输出，即：

U_S＝K_s3K_s2K_s1K₀(C_x1-C_x2)(10)

U_z＝K_s3K_z2K_z1K₀(C_x1+C_x2)(11)

随着液位的平稳上升/下降，将同时得到微观液位变换信号U_S和宏观液位变换信号U_z，信号检测不受到长信号线缆的影响。

本发明可对应于不同的分节电容液位传感器结构。比如，传感器可以设计成平行极板，细分节的高度不完全相同。基于该技术应用于电容式真空压力传感器等其它用途，本发明对上述情况同样有效。

本行业的技术人员在不脱离本发明精神和保护范围内的前提下，对本发明进行各种变化和改进，都落入本发明要求保护的范围内。

Claims (1)

1.一种用于测量分节式电容液位传感器的测量电路，其特征在于：包括交流激励源(E)、前置放大单元、加法器(D₂)、减法器(D₁)、中间放大单元(A₃，A₄)、检波器(P₁，P₂)、低通滤波器(F₁，F₂)；其中，前置放大单元由运算放大器(A₁，A₂)、参比电容(C_s1，C_s2)组成，交流激励源(E)同时加在两个待测电容(C_x1，C_x2)的公共电极，待测电容的另一端分别连接各自对应的运算放大器的反相输入端，同相输入端通过电阻或直接连接信号地，已知大小的参比电容连接在每个运算放大器的反相输入端和输出端之间，交流激励源作用至待测电容所产生的电流，通过固定的参比电容反馈，将两个待测电容变换为两个成比例的交流电压信号输出；减法器(D₁)实现将两个电压变换信号进行求差，得到表征两个待测电容之差的初始电压信号；加法器(D₂)实现将两个电压变换信号进行求和，得到表征两个待测电容之和的初始电压信号；中间放大单元(A₃，A₄)实现对两种初始电压信号进行幅度放大；检波器(P₁，P₂)实现将放大后的两种交流信号各自变换为直流电压输出；低通滤波器(F₁，F₂)对检波器输出信号进行低通滤波，得到直流电压信号。