CN103900661B - 一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器，七段传感器内极筒为粘贴在电木上的铜箔电极，外极筒为不锈钢传感器外壳，铜箔电极通过引线与防水传感器接线盒相连，铜箔电极外部套有聚四氟乙烯绝缘层，防水传感器接线盒一侧设置有航空插头，防水传感器接线盒顶部设置有传感器上盖。本发明的电容检测方法使用电容数字转换技术芯片PCAPO1，解决了电容测量的寄生电容问题，解决了多段电容同时测量问题，芯片内部可通过电路和算法对寄生电容进行补偿校准，补偿的结果可以达到在适温范围内的增益偏移。通过SPI或者IIC数据串行接口，可方便地将数据与主机交换。低噪声，低功耗，外围电路简单，容易微型化和集成化。

Description

一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器

技术领域

本发明涉及的是传感器技术领域，具体涉及一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器。

背景技术

电容式液位传感器的测量电路是十分关键的部分，而且由于液位变化导致电容的变化非常小，测量范围大概在几十皮法到几百皮法之间变化，因而测量电路的关键在于微小电容的检测，微小电容的测量方法按照其测量原理可以分为以下几种方法：

(1)谐振法谐振法是在被测电容Cx(常常伴随有一漏电阻Rx)两端并联一个固定电感L，然后加一可变频率的电源。调整信号源频率，使电路发生谐振。谐振时，Cx呈现的容抗和L呈现的感抗相等，从而可求得Cx。

该方法的优点是：频率范围宽，可从几百KHz到几百MHz；适合实验室测量；可适于小电容测量。缺点是：不适于自动化；不适于在线测量。

(2)振荡法振荡法的原理是使振荡频率受Cx制约，测量Cx的问题转化成了测量振荡频率。而频率的测量可以用计数器，也可以用频率电压转换(FVC)积分器实现。振荡法又分RC和LC两种。前者简单，但抗寄生电容能力差，振荡频率稳定性差，对小电容变化灵敏度低，因而不宜测量要求分辩率优于0.1pF的电容。后者测量范围可以从几百KHz到几百MHz，比较适合高损耗材料的电容，抗寄生电容干扰的能力差。

(3)交流电桥法交流电桥法的原理是把被测电容(亦可有漏导)放在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的另一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同、电压相同的两个信号源上。调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共轭相等。该方法的主要优点是：精度高，适合做精密电容测量；可以做到高SNR。主要缺点是：不具备自动平衡措施。

(4)充放电法充放电法的基本原理如图1所示。CMOS开关K1和K2受时钟信号控制，在K1通K2断期间，A点接到电压源上，对被测电容Cx充电；后半周期，K1断K2通，Cx上的电荷泄放。此时，一端B点接地，另一端A点接到虚地。因此，在后半周期中，Cx上的电荷全部泄放掉。在时钟脉冲控制下，充放电过程以频率f＝1/T重复进行，因而平均放电电流为：I_m＝V_cC_xf该电流被转换成电压并通过C而平滑，最后给出一个直流输出电压V_O＝R_fI_m＝R_fV_cC_xf

充放电法的优点是：低漂移；可自动检测无需人工干预；开关工作频率可高达数兆赫兹；测量准确度高，几乎不受被测电容中的漏电阻R x的影响。

充放电法是目前主流的液位传感器采用的方法，缺点是：受寄生电容的干扰。另外电路较为复杂，缺少AD转换，需要单片机等微处理器进行连接，不利于微型化及集成化，

分段式液位测量是利用等结构物理电极把整个测量范围分成不同层面，每个层面对应着固定的空间高度，用模拟电路技术、数字电路技术及单片机技术相结合，逐层测量电容值。如果测量的是同一介质，各段采集的数字量应该一致或接近，反之则有较大差异，利用该现象可以判断出介质分界面的层段，然后就能计算出界面或液面高度。

分段测量减小了检测量程，提高了检测分辨率，提高了精度；自带量程基准(段长)，零点基准(空介质段)，满值基准(满介质段)，为实现在线自标定校正功能提供了依据，降低了对元器件的要求。

从图2中可以看出，需要检测每一段的电容值，需要分段检测或需要切换开关进行检测，这是通常分段电容检测使用的方法。需要搭接切换电路，容易引入寄生电容。温度变化时还需要补偿电路。

目前，国内在电容式液位传感器的接口电路设计上，尚无成熟的经验和技术。而采用电阻、电容等分立元件搭建的传统测量电路，有其无法克服的局限性。它在精度、准确度和抗干扰性上，还不尽如人意。采用微电子加工技术，将以上各种测量电路中的电路元件集成到一个芯片内，再将此芯片与传感器封装在一起是微电容检测的发展趋势。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器，解决了寄生电容的补偿问题，芯片具有AD功能，有SPI接口及12C接口，实现了对芯片的控制命令和微电容数据的有效传输。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器，包括传感器上盖、防水传感器接线盒、航空插头、电容传感器外极筒、聚四氟乙烯绝缘层、七段传感器内极筒，电容传感器外极筒内设置有七段传感器内极筒，七段传感器内极筒为粘贴在电木上的铜箔电极，铜箔电极通过引线与防水传感器接线盒相连，铜箔电极外部套有聚四氟乙烯绝缘层，防水传感器接线盒一侧设置有航空插头，防水传感器接线盒顶部设置有传感器上盖。

所述的传感器底部设置有测量介质进入的开孔，测量介质在聚四氟乙烯绝缘层与电容传感器外极筒中，七段传感器内极筒与电容传感器外极筒构成7段电容传感器，所述测量介质在七段传感器内极筒与电容传感器外极筒之间，电容测量方法采用电容数字转换技术，通过电容充放电时间的测量，测量电容与参考电容的比值，7段电容同时测量。

所述的电容传感器外极筒为不锈钢外极筒，所述的七段传感器内极筒为电木(酚醛塑料)外粘贴的铜箔电极；七段传感器内极筒的铜箔电极与不锈钢外极筒构成电容的两极；电极板接入PCAPO1电容数字转换芯片，电容数字转换芯片与单片机通过SPI通讯接口进行通讯，把测得的数据传入单片机进行处理，单片机处理后，输出4-20mA信号，及485总线信号，便于远传及控制，传感器采用两线制。

本发明通过充放电来测量微电容，在这个过程中，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，组成一个低通滤波。电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电。而放电到一个可控制阚值电压的水平将会被芯片内部的高精度时间数字转换器所记录下来。这个测量过程将会在传感器和参考电容上重复交错进行，并且应用同样的电阻。为了避免温度的改变对测量电容值的影响，采用传感器电容与参考电容的比值作为计算结果，并且由于测量的周期时间在us级别，在这个时间段中测量的电容值几乎不变，这也保证了测量的准确性。

本发明具有以下有益效果：

1本传感器外围电路简单，只需要1片PCAPO1电容数字转换芯片，芯片本身带SPI及IIC接口，测量电容的结果容易与信号处理电路通讯，且多路电容能同时测量，提高了检测速度，避免了电子开关的切换，仪表的校正，维护量少，检测部分故障率低；

2分段测量减小了检测量程，提高了检测分辨率，提高了精度；自带量程基准(段长)，零点基准(空介质段)，满值基准(满介质段)，为实现在线自标定校正功能提供了依据，降低了对元器件的要求。

3本传感器带有4-20mA标准信号，及485等各种总线信号，便于与计算机及其他系统数据通讯；

4本传感器应用范围广，可广泛用于水，油，蒸汽等混合介质。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1-2为本发明的背景技术的示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的工作原理图；

图5为本发明的多段式液位传感器结构及等效原理图；

图6为本发明的芯片接入方式示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图及具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图3-6，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器，包括传感器上盖1、防水传感器接线盒2、航空插头3、电容传感器外极筒4、聚四氟乙烯绝缘层5、七段传感器内极筒6，电容传感器外极筒4内设置有七段传感器内极筒6，七段传感器内极筒6为粘贴于电木上的有铜箔电极，铜箔电极通过引线与防水传感器接线盒2相连，铜箔电极外部套有聚四氟乙烯绝缘层5，防水传感器接线盒2一侧设置有航空插头3，防水传感器接线盒2顶部设置有传感器上盖1。

所述的传感器底部设置有测量介质(7)进入的开孔，测量介质(7)在聚四氟乙烯绝缘层(5)与电容传感器外极筒(4)中，七段传感器内极筒(6)与电容传感器外极筒(4)构成7段电容传感器，所述测量介质(7)在七段传感器内极筒(6)与电容传感器外极筒(4)之间，电容测量方法采用电容数字转换技术，通过电容充放电时间的测量，测量电容与参考电容的比值，7段电容同时测量。

所述的电容传感器外极筒4为不锈钢外极筒，所述的七段传感器内极筒6为电木(酚醛塑料)外粘贴的铜箔电极；七段传感器内极筒6的箔电极与不锈钢外极筒构成电容的两极；电极板接入PCAPO1电容数字转换芯片，电容数字转换芯片与单片机通过SPI通讯接口进行通讯。

本具体实施方式采用的原理：以平行板电容器为例，电容的计算公式测量液位属于改变介电常数ε，原理如图4所示：A为被测液体的容器；B为电容外极筒；C为电容内极筒；对于液位测量，采用圆柱形电容，如图4所示，有介质时，电容的计算采用如下公式：

$C=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{\ln (r_2/r_1)}+\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0)h_x}{\ln (r_2/r_1)}---\left(1\right)$

式中h电极筒的高度，r₁，r₂内极筒的外径，外极筒的内径，hx为被测液体的高度，ε0为空气的介电常数，ε为被测液体的介电常数。

对于较高液位的测量，为避免被测介质中含有其它的介质而产生电容的多值性，影响测量的准确性，采用多段电容式传感器，多段式液位传感器结构及等效原理如图5所示。

电容的外极筒为一个整体，内极筒为n段，每段的间距Δ足够小，每段的高为h，互相绝缘。每段设计成相同的尺寸，没有被测介质时，每段极板与外极筒之间的电容值相等，当有被测介质时，当液面在第i段某一位置时，i段下面的极板电容值相等，i段上面各段电极的电容值相等，第i段的电容通过公式(1)可得，当确定液位在i段后，即可计算出液位的高度。

H_x＝(i-1)h+(i-1)Δ+h_x (2)

根据电容数字转换芯片的要求，电容内极筒的圆柱形电容最多为七段，需要参考电容一个，按照图6方式接入测量芯片PCAPO1.

其中，CO为参考电容，C1-C7为7段内极板与外极板间的电容，外极板与参考电容的一端接地，同时测量每一段的电容，然后利用公式2计算液位的高度，把测量的信号转换成标准4-20mA信号，用于远传及自动控制，利用单片机相应的接口完成各种总线协议，把测量的数字信号传至远方用于控制及运算。

本具体实施方式采用的电容数字转换技术使用单芯片解决了多路电容同时测量的问题，省去了电子开关，减少了寄生电容对电容测量的影响。使液位电容传感器更容易微型化及集成化，测量精度可达厘米级。多段电容液位传感器解决了测量介质中含有多相介质容易引起电容传感器的多值性问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于电容数字转换技术的分段液位传感器，其特征在于，包括传感器上盖(1)、防水传感器接线盒(2)、航空插头(3)、电容传感器外极筒(4)、聚四氟乙烯绝缘层(5)、七段传感器内极筒(6)，电容传感器外极筒(4)内设置有七段传感器内极筒(6)，七段传感器内极筒(6)为粘贴在电木上的铜箔电极，铜箔电极通过引线与防水传感器接线盒(2)相连，接线盒(2)内放置数字信号处理电路板，并留有RS485通讯接口，铜箔电极外部套有聚四氟乙烯绝缘层(5)，防水传感器接线盒(2)一侧设置有航空插头(3)，防水传感器接线盒(2)顶部设置有传感器上盖(1)；所述的传感器底部设置有测量介质(7)进入的开孔，测量介质(7)在聚四氟乙烯绝缘层(5)与电容传感器外极筒(4)中，七段传感器内极筒(6)与电容传感器外极筒(4)构成7段电容传感器，所述测量介质(7)在七段传感器内极筒(6)与电容传感器外极筒(4)之间；所述的电容传感器外极筒(4)为不锈钢外极筒，所述的七段传感器内极筒(6)为铜箔电极；七段传感器内极筒(6)的铜箔电极与不锈钢外极筒构成电容的两极；电极板接入PCAP01电容数字转换芯片，电容数字转换芯片与微处理器通过SPI通讯接口进行通讯。