CN106546303A - 应用于恶劣环境下的电容式液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器，其主要由传感探头、传输电缆和远程电路组成，通过传输电缆的连接实现远程电路与被测环境的分离，使该传感系统更适用于高温、高压、高湿等恶劣的应用环境；传感探头的多孔筒轴式结构以及采用Halar材料进行涂覆，使该传感探头更适用于具有腐蚀性、导电性、粘稠性液体的液位检测；传感探头的独特设计以及相关检测算法的开发，使系统具备了远程断线检测功能；采用有源屏蔽方法解决因使用传输电缆带来的寄生电容干扰问题，有效提高了系统的动态响应速度及测量精度。

Description

应用于恶劣环境下的电容式液位传感器

技术领域

本发明涉及一种定点型液位检测传感系统，特别是涉及可应用于高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣环境下的低成本、高精度电容式液位传感系统。

背景技术

液位测量是对固-液、液-液、气-液分界位置进行测量的一种技术，现已广泛应用于食品、制药、石油、化工、运输等工业领域，是现代化工业保证正常生产的必要检测技术。液位测量技术已由早期的基于机械原理迅速地向多学科全面发展，逐步实现智能化、数字化、集成化。目前主要的液位测量方法有：差压法、浮子法、超声法、光导法、雷达法、电容法等多种液位检测技术，其中，差压法不适用于低温液体液位测量，由于低温液体密度不均导致最终测量误差较大；浮子法不适用于空间较小的测量环境，且极易被磨损或被秽物堵塞；超声法对检测环境质量要求较高，检测精度极易受温度变化或环境噪声影响；光导法的机械稳定性较差，杂散光的存在导致测量误差较大；雷达法的实现成本较高，不适于工业应用的推广；相比于前述的几种液位检测技术，电容式液位检测传感器具有较好的动态响应、可靠的机械结构、较高的分辨率及灵敏度、使用寿命长、成本低廉以及对工作环境要求较低等综合性优点。

电容式液位传感器可视为一个可变电容器，可将外界非电量的变化转化为电容值的变化，工业应用中，电容式液位传感器多为圆柱筒轴式，在忽略边缘效应情况下，其电容为C=2 πε L/ln(a/b)，式中，C为电容器电容量，ε为被测物质的介电常数，L为内圆柱与外圆筒之间的覆盖长度，a为外圆筒的内半径，b为内圆柱的半径。

国内发表的电容式液位传感器方面的专利检索号为CN103940493A，CN103852135A，CN102589644A，CN102288259A。但对于在高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣环境下的电容液位传感器应用问题还未得到解决。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器。本发明可应用于高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣的环境下导电液体的液位测量，同时保证传感装置具有坚固的机械结构、较高的灵敏度和良好的检测性能，可实现装置的低成本批量生产。

本发明所采用的技术方案是：一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器如图1所示，其特点是：包括传感探头，与传感探头连接的传输电缆，与传输电缆另一端连接的远程电路，以及上位机信号处理和系统控制软件。

一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器，涉及了传感探头的设计：为适用于导电液体的液位测量以及高温、高压、高湿、高腐蚀等恶劣的应用环境，传感探针为金属材质，涂覆材料具备耐高压、耐高温、耐腐蚀、绝缘等特性；传感探头采用多孔筒轴式结构，防止液体流动不均对检测电容值的影响；为减小测量误差，传感探头由长度不同的多个探针构成；为实现远程传输电缆及各连接点断线检测，在传感探头检测环境外增设与检测介质等效电容并联的固值电容。

一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器，涉及了传输电缆的选型：鉴于液位传感器应用环境较为恶劣，通过传输电缆的连接实现传感探头与探测电路的分离；传输电缆为绝缘性较好的实心聚烯烃同轴铠装电缆；为减小寄生电容对检测结果的影响，导电介质应为电阻率较低、横截面积较小的金属材料，同时，传输电缆与传感探头和远程探测电路之间进行屏蔽处理。

一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器，涉及了远程电路的开发：远程电路主要包括了寄生电容屏蔽电路、电容探测电路、控制指示电路，寄生电容屏蔽电路用于解决使用传输电缆带来的寄生电容问题，电容探测电路用于检测液位变化或断线引起的电容值变化，控制指示电路根据上位机执行相关数字信号处理后的信号进行数值显示和断线报警。

与现有电容式液位检测装置相比，本发明具有如下优点和积极效果：

（1)隔离电路的安装和远程电缆的使用，使该液位监测传感器在高温、高压、高湿等恶劣环境下工作成为可能。

（2)传感器探头采用耐腐蚀材料的独特设计，使该液位传感器可用于监测具有腐蚀性的液体的液位。

（3)适用于非金属管道或者无金属接地的井中。

（4)无浮动结构，坚固的机械设计结构，灵敏度高。

（5)设有内置电缆断线检测功能。

（6)该发明采用交变结构（交变电压或频繁换向的直流电压）可以减少电偶腐蚀，当应用该交变结构时，可避免直流电压引起的金属损失。

（7)采用主动屏蔽技术抵消了连接传感探头与电路的远程电缆的寄生电容，有效减小系统检测误差。

附图说明

图1是电容式液位传感系统图。

图2是典型筒轴式电容器结构图。

图3是多点电容式液位探头结构图。

具体实施方式

一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器包括由一个或多个探针构成的传感探头，连接远程电路的传输电缆和远程电路。传感探头的实施例如图3所示。远程电路、传输电缆、传感探头的整体结构如图1所示。

从电磁学和电子学角度上讲，电容是容纳电荷的器件。对于一个给定的电势，电荷有衡量所储存电能的功能。图2所示为常见的筒轴式电容器。

每单位长度的电容表达式为：

（1）

上式中，a为内电极的外半径，b为外电极的内半径，k _o 为内外半径间介质的介电常数，L为圆柱体的长度，ε _o 为自由空间的电容率。如果电极被某一介电常数为k ₁ 的液体覆盖, 那么所测电容变化量的表达式为：

（2）

对于电容式传感器，在测量导电液体的时，两个传感器的电极中至少有一个必须是绝缘的，以避免短路的发生。在液体-空气界面下方，液体作为导体，因此，该电容的介质层恰好就是电极绝缘的厚度。在液体-空气分界面上方，介质层的厚度包括了电极间绝缘和产生更小电容的电极间空气。

在图3中详细介绍了传感器探头的结构。图的左侧展示了传感探头的剖面图，而图的右侧清晰的展示了4个独立的探针。每个探针与传感探头内的非导电材料是绝缘的。每个探针的材质为优选的不锈钢，具有耐腐蚀性的非导电涂覆层（如Halar材料）。该材料具有两大优点：1）防腐蚀性，2）良好的绝缘性。该材料很薄（0.5—1mm），可满足金属探针测量液体的电容的条件。每个传感器探头由4个小探针构成，其中的3个探针用来检测液位，第四个是一个公共的探针。该公共探针的长度与最低的液体检测探针大致相同，以此确保至少有一个探针进行测量。每个探针在不同的高度，以确保对液位的高精度测量。

当探针是干燥时，所测电容值较小，当液位上升浸没每一根传感探针时电容随之增加。固定电容器连接在每个传感器线上，如果连接传感探头的电缆没有破损，传感探头可提供一个稳定的导频信号，综上所述，检测电缆破损是可以实现的。固定电容器被嵌入到传感探头内使之于周围环境分离开，图3中的左侧图展示了电容是如何连接到传感线上的。

用来探测液位的3个探针均被连接到屏蔽电缆中的单根绝缘线上。这三路电缆的外部屏蔽结构不连接在传感探头上，而是作为让电缆电容最小化的电路的保护信号。公共的探针被连接到附加的被三路电缆包围的屏蔽结构上。

如图1所示，展示了液位检测和电缆中断检测的电传感方法的结构。从电子学角度讲，传感探头连接到远程电缆终端相当于存在两个电容，即C_load和 C_liquid。C_load是传感探头内部的固定电容，而C_liquid是取决于浸没传感探针的液体的高度的可变电容。传感探头与远程电路被一条长为30米的电缆分离开。探测电路采用中心线的三角波信号，并测量流入的附加电容的电流量。电缆通常对测量比较大的电容有利，但却很难测到微小的电容变化。为了抵消电缆的寄生电容，需要让施加到每个屏蔽线上的电压与施加到每个传感线上的电压保持相同。该保护电压可消除电缆寄生电容对传感探头电容测量的准确性的影响。

如图1所示，该电路产生一个10-50KHz的方波。该方波传被送给一个能够产生同频并且幅值约为1V的三角波的积分器。通过传感电阻，高频信号会产生一个较大的差动电压（图1中缓冲区之后），但伴随着频率的增大有引入电磁噪声的风险。围绕信号线的缓冲电路采用三角波信号进行屏蔽，用电压驱动屏蔽被作为保护。相同的三角波信号是通过运算放大器中能够使负输入跟踪正输入的负反馈方式而应用在中心信号线上。运算放大器的输出电压为所施加的三角波的总和加上（I × R），其中I是流入信号线的电流，R是在运算放大器的反馈路径中的电阻。相同的三角波被传递给一个独立A/D转换器的输入端，进而使得软件能够从正比于传感器头部电容的实际电压值去分离应用三角波。

在软件上，通常采用单片机测量A/D转换信号，再通过求平均值方法减少突发和随机噪声源。每个通道的测量结果通过传感探头的电容值来表示。如果所测量的电容低于固定电容器预期读数的50％时，电缆被确定为已破损。如果测得的电容高于预值，则可确定有液体存在。如果确定电缆破损或者存在液体，干燥的接点闭合，以指出该电路所需的服务。输出选项多样化，用来驱动继电器，指示灯或者LED，同时还可以作为CMOS/TTL逻辑电路的接口。

同时，该软件还输出了更详细的串行数据，如果客户需要，可自行选择。

Claims (10)

1.一种应用于恶劣环境下的电容式液位传感器，其特征是：该电容式液位传感系统是由传感探头、传输电缆、远程电路，以及上位机信号处理和系统控制软件组成。

2.根据权利要求1所述的传感探头，其特征在于它采用Halar这种特殊材料镀膜来实现电隔离，是由多个探针构成，并且至少有一个与最低探针长度相同的探针作为公共探针。

3.根据权利要求1所述的传感探头，其特征在于它采用多孔圆柱腔体封装探针并允许液体自由流动。

4.根据权利要求1所述的传感探头，其特征在于它的每个探针与公共探针之间有一个固定电容作为参考电容，实现远程电路与传感探头之间线路的故障检测。

5.根据权利要求4所述的固定电容，其特征在于它可能是分布式电容器件，也可能是无液体时传感探针的固有电容。

6.根据权利要求1所述的电容式液位传感系统，它的传感探头与远程电路是通过传输电缆连接，只有在远程电路的尾端进行了独立的屏蔽连接，即传感器与传感器之间、传感器与环境之间进行了屏蔽处理。

7.根据权利要求1所述的远程电路，其特征在于它产生的三角波电压同时作用于传感器的远程电路和传感器屏蔽之间，以致在传感线阵列之间、传感器和环境中的电子空穴之间不会产生寄生电容。

8.根据权利要求7所述的三角波电压，其特征在于它可应用在所有传感导线和相应的屏蔽线上，同时测量在每个传感线所需的电荷，以保持施加三角波电压，从而测量传感线末端的探针的电容。

9.根据权利要求7所述的三角波电压，其特征在于它可以被锯齿波、正弦波信号、或相关的调制信号取代，并且在电路中也具有确定电导的功能。

10.根据权利要求1所述的远程电路，其特征在于它采用了相关信号处理技术，包括尖峰抑制，求动态均值，多个协议的连续读取，以抑制超长电缆造成的环境噪声，避免读数不精准。