CN108225495A - 一种电容式液位传感器在线测量系统及其方法 - Google Patents

一种电容式液位传感器在线测量系统及其方法 Download PDF

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Abstract

一种电容式液位传感器在线测量系统及方法用于液位监测，能够在线测量电容式液位传感器电容，主要解决传感器电容测量中的抗干扰能力、精度、线性度较差，以及测量范围限制大、电路复杂、可靠性低的问题。这种系统通过变频三角波振荡单元将电容式液位传感器信号调理为三角振荡波，再进行滤波消除噪声干扰，并对信号进行进行整形，转换为CMOS或TTL方波信号；通过频率捕获单元，使用高频脉冲填充方法获取方波信号频率；再从方波频率解析出电容值，并进行温度补偿和线性拟合，计算出校正后的传感器电容。本发明具有测量精度高，测量范围宽、可配置，实时性好，抗干扰能力强的优点，适用于工业嵌入式监测和控制设备。

Description

一种电容式液位传感器在线测量系统及其方法
技术领域
本发明属于监测和控制技术领域，主要用于航空燃油等液位监测。具体的说是一种对电容式液位传感器信号的处理方法及其系统，在线实时监测燃油液位，为控制和监测系统提供精确的燃油量信息。
背景技术
在工业中，存在大量的液位测量需求，一般采用电容式传感器，能够方便地将液位量转变为电容量，实现对液位的监测和控制。如在航空发动机状态监测和控制中，对燃油液位进行监测，为发动机控制系统和飞机系统提供精确的燃油量信息以及超限告警信息，关系着发动机的正确控制和飞行安全。
电容传感器在线检测需要专用的调理电路，传统的调理方法一般存在电荷泄露问题，抗干扰能力、精度、线性度较差；并且测量范围有较多限制，需要在常用的pF和nF级测量时切换不同的调理电路，电路复杂，降低了效率和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于在线测量液位传感器电容，克服电容测量中精度差，抗干扰能力不强，受温度影响大，需要切换电路的缺点，为工业监测和控制提供准确依据。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电容式液位传感器在线测量系统，包括：变频三角波振荡单元，滤波和整形单元，频率捕获单元，温度补偿单元，解析校准单元；
变频三角波振荡单元将电容式液位传感器信号调理为三角振荡波，三角振荡波的频率与传感器电容值成线性关系；
滤波和整形单元对输入三角振荡波进行滤波，消除噪声干扰；进行整形，转换为方波信号；
频率捕获单元，通过高频脉冲填充获取方波信号频率；
温度补偿单元，通过温度传感器和调理电路、A/D采集电路将温度信息并转换为数字量；
校准解析单元，通过频率捕获单元获取的信号频率及温度信息，计算出传感器电容；同时通过存储的线性拟合标定参数，提高解析精度；
变频三角波振荡单元由同相输入滞回比较电路和积分运算电路组成，积分运算电路的输出引入同相输入滞回比较电路，作为深度电压负反馈，从而产生振荡三角波并输出。
一种电容式液位传感器在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将被测电容式液位传感器作为变频三角波振荡发生电路的一部分接入，即积分环节电容C，从而控制输出三角波的振荡频率；振荡频率f＝R2/(4R1R3C),其中R1、R2、R3为振荡发生电路的调频电阻，可以根据被测传感器电容范围，通过设置阻值调节三角波频率，输出信号为振荡频率R2/(4R1R3C)的三角波；
步骤2：将步骤1中的频率与被测传感器电容成线性关系的三角波进滤波和整形，消除噪声干扰，将三角波转换为方波输出；
步骤3：将步骤2中的方波作为输入，采用频率捕获的方式获得方波频率；
步骤4：温度补偿单元采用铝电阻或精度更高的pt1000铂电阻测试环境温度，通过热电阻调理电路和A/D采集电路，将温度转换为数字信号发送给处理器或硬件逻辑；
步骤5：校准解析单元采用硬件逻辑或处理器实现，通过软件或逻辑的方法，首先根据脉冲计数值和脉冲频率计算出方波频率f，根据公式f＝R2/(4R1R3C)计算出电容原始值；根据从步骤4获得的温度对电容原始值进行修正，抵消环境温度带来的温漂作用；根据线性拟合时储存在非易失存储器中的标定参数，对电容原始值进行进一步校准，消除非线性影响；解析计算出校准后的被测电容式液位传感器电容值。
步骤2中，采用低通滤波电路消除高频噪声干扰，提高信噪比；采用施密特整形电路消除信号畸变，将三角波转换为方波，输出同频率的方波。
步骤3中，具体是采用高频的脉冲填充，取得方波频率，采用FPGA逻辑或处理器自带的频率捕获单元实现，根据精度要求配置填充脉冲的频率，输出为脉冲计数值。
本发明相对现有电容在线测量的优势可以通过以下五点说明：
a.由于将电容直接作为振荡电路积分环节，没有开关切换噪声，抗杂散电容性能好，克服了电荷泄露影响，测量电容精度高；
b.通过数字电路测量震荡频率，刷新率高，测量实时性好，并可根据被测电容范围配置填充脉冲频率，能够适应宽范围的电容测量，实现从pF级到nF级的电容测量，并且保证全范围测量精度；
c.调理电路简单，仅需要震荡和滤波，不需要参考电容、量程切换电路、F/V变换，消除了传统测量电路带来的非线性影响，电路简单，可靠性、精度高；
d.采用低通滤波器和整形电路进行去噪、防畸变处理，削弱传感器信号和震荡电路中的干扰，特别是由于振动引起的干扰；
e.具备温度校准和线性拟合参数校准，方便进行标定，极大提高了测量精度，经测试电容测试精度达到1％。
附图说明
图1是电容式液位传感器在线测量方法的功能原理框图；
图2是变频三角波振荡单元示意图；
图3是整形和滤波单元示意图；
图4是频率捕获原理示意图；
图5是温度补偿单元示意图；
图6是解析校准单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
请同时参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6，其中，图1是本发明的功能原理框图，图2是变频三角波振荡单元示意图，图3是整形和滤波单元示意图，图4是频率捕获原理示意图，图5是温度补偿单元示意图，图6是解析校准单元示意图。
从图1可以看到：电容式液位传感器在线测量方法及系统由变频三角波振荡单元，滤波和整形单元，频率捕获单元，温度补偿单元，解析校准单元组成。变频三角波振荡单元，滤波和整形单元完成对传感器信号的调理，频率捕获单元获取电容振荡原始频率；温度补偿单元采集环境温度，将温度信息传送给解析校准单元；解析校准单元通过温度校准、标定参数校准对电容振荡频率进行修正，并计算出校准后的传感器电容值。
步骤1：如图2,测电容式液位传感器作为变频三角波振荡发生电路的的一部分，即积分环节电容C，以控制输出三角波的振荡频率。该电路由同相输入滞回比较电路和积分运算电路组成。N1、R2、R4、V1组成同相输入滞回比较电路：其中N1为比较器，R2、R4为电阻，V1是一个双向稳压的二极管；其中R4一端接在N1的输出引脚，R4另一端接R2一端，R2的另一端接N1的同相端，N1的反相端接地，R4与R2相接的点作为同相输入滞回比较电路的输出，为了控制电压输出范围，输出点接二极管V1。C、R3、R5、N2组成积分运算电路：其中电容C就是接入的液位传感器，R3、R5为电阻，N2为运算放大器，R3一端接同相输入滞回比较电路的输出点，另一端接液位传感器一个引脚和N2的反相端，N2同相端通过电阻R5接地以实现负载匹配，液位传感器的另一个引脚接N2的输出引脚，该引脚的信号作为积分运算电路的输出，这样液位传感器就成为了积分运算电路的积分电容。电阻R1跨接在N2输出引脚和N1的同相端，将积分电路输出引入同相输入滞回比较电路，作为深度电压负反馈，从而使积分运算电路输出振荡三角波。振荡三角波的振荡频率f＝R2/(4R1R3C),其中R1、R2、R3为振荡电路的调频电阻，可以根据被测传感器电容范围，通过设置R1、R2、R3阻值调节三角波频率；变频三角波振荡发生电路输出为振荡频率为R2/(4R1R3C)的三角波；该电路通过将传感器作为积分环节电容C，精确控制了输出三角波频率，减少了中间环节，而频率值的采集精度远高于一般的A/D转换等方法，可以极大提高测量精度。
步骤2：如图3,将步骤1中的频率为R2/(4R1R3C)的三角波进滤波和整形，消除噪声干扰，将三角波转换为同频率的方波；方波通过缓冲器，转换为TTL或CMOS电平，发送给后级的硬件逻辑电路或处理器电路解析出频率值。其中低通滤波电路采用巴特沃兹逻辑器消除高频噪声干扰，提高信噪比。施密特整形电路消除信号畸变，将三角波转换为方波，输出频率同为R2/(4R1R3C)的方波；
步骤3：将步骤2中的方波作为输入，采用频率捕获的方式获得方波频率。可以采用FPGA逻辑或DSP等处理器自带的频率捕获单元实现。如图4,采用高频的时钟脉冲填充，取得方波频率，可以根据精度要求配置填充脉冲的频率。在方波的上升沿开始脉冲计数，在下一个方波上升沿停止计数，脉冲频率为fclock，计数值为n，则方波的频率f＝fclock/n。在fclock越高，则频率捕获精度越高；该电路输出为方波的脉冲计数值；采用频率计数的方法可以极大提高频率捕获精度，从而提高电容测量精度。在电容较大时，脉冲计数值会很大，可能造成寄存器溢出，这种情况下可以改变计数脉冲频率，由逻辑电路自动进行调整；
步骤4：温度补偿单元采用铝电阻或精度更高的pt1000铂电阻测试环境温度，通过热电阻调理电路和A/D采集电路，将温度转换为数字信号发送给处理器或硬件逻辑；如图5，将pt1000铂电阻接入电阻桥，调理电路对电桥加以电流激励，并对电桥电压进行调理和A/D转换，从而将温度转换为温度值输出；
步骤5：校准解析单元采用硬件逻辑或DSP等处理器实现。如图6,根据步骤3获得的方波的脉冲计数值n和脉冲频率fclock，通过公式f＝fclock/n计算方波频率f。再根据公式f＝R2/(4R1R3C)计算出电容原始值C；将步骤4获得的温度值输入温度校准模块，对电容原始值进行校准；从非易失存储器中读取标定拟合参数，对电容值进行进一步校准。最后将校准后的传感器电容值输出。校准解析单元通过温度校准、标定的办法，可以很好的消除线路寄生电容、温度漂移，从而实现高精度的电容值测量。
在选择器件参数时应根据公式f＝R2/(4R1R3C)合理选择电阻R1、R2、R3的值，并根据公式f＝fclock/n选择计数脉冲频率fclock，以合理匹配需测量电容范围。如测量电容范围10pF～1nF,希望输出三角波频率为1KHz～100KHz,选择电阻R1、R2、R3为10KΩ、1KΩ、25KΩ，并都选择为1‰精度电阻，选择最大输出频率的1000倍频率作为计数脉冲频率，即fclock为100MHz，在标定消除线路电容和温漂的情况下，则电路测量精度可以优于1％。

Claims (5)

1.一种电容式液位传感器在线测量系统，其特征是，包括：变频三角波振荡单元，滤波和整形单元，频率捕获单元，温度补偿单元，解析校准单元；
变频三角波振荡单元将电容式液位传感器信号调理为三角振荡波，三角振荡波的频率与传感器电容值成线性关系；
滤波和整形单元对输入三角振荡波进行滤波，消除噪声干扰；进行整形，转换为方波信号；
频率捕获单元，通过高频脉冲填充获取方波信号频率；
温度补偿单元，通过温度传感器和调理电路、A/D采集电路将温度信息并转换为数字量；
校准解析单元，通过频率捕获单元获取的信号频率及温度信息，计算出传感器电容；同时通过存储的线性拟合标定参数，提高解析精度。
2.如权利要求1所述的一种电容式液位传感器在线测量系统，其特征是，变频三角波振荡单元由同相输入滞回比较电路和积分运算电路组成，积分运算电路的输出引入同相输入滞回比较电路，作为深度电压负反馈，从而产生振荡三角波并输出。
3.一种电容式液位传感器在线测量方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：将被测电容式液位传感器作为变频三角波振荡发生电路的一部分接入，即积分环节电容C，从而控制输出三角波的振荡频率；振荡频率f＝R2/(4R1R3C),其中R1、R2、R3为振荡发生电路的调频电阻，可以根据被测传感器电容范围，通过设置阻值调节三角波频率，输出信号为振荡频率R2/(4R1R3C)的三角波；
步骤2：将步骤1中的频率与被测传感器电容成线性关系的三角波进滤波和整形，消除噪声干扰，将三角波转换为方波输出；
步骤3：将步骤2中的方波作为输入，采用频率捕获的方式获得方波频率；
步骤4：温度补偿单元采用铝电阻或精度更高的pt1000铂电阻测试环境温度，通过热电阻调理电路和A/D采集电路，将温度转换为数字信号发送给处理器或硬件逻辑；
步骤5：校准解析单元采用硬件逻辑或处理器实现，通过软件或逻辑的方法，首先根据脉冲计数值和脉冲频率计算出方波频率f，根据公式f＝R2/(4R1R3C)计算出电容原始值；根据从步骤4获得的温度对电容原始值进行修正，抵消环境温度带来的温漂作用；根据线性拟合时储存在非易失存储器中的标定参数，对电容原始值进行进一步校准，消除非线性影响；解析计算出校准后的被测电容式液位传感器电容值。
4.如权利要求1所述的一种电容式液位传感器在线测量方法，其特征是，步骤2中，采用低通滤波电路消除高频噪声干扰，提高信噪比；采用施密特整形电路消除信号畸变，将三角波转换为方波，输出同频率的方波。
5.如权利要求1所述的一种电容式液位传感器在线测量方法，其特征是，步骤3中，具体是采用高频的脉冲填充，取得方波频率，采用FPGA逻辑或处理器自带的频率捕获单元实现，根据精度要求配置填充脉冲的频率，输出为脉冲计数值。
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