CN112325981B - 一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，包括如下步骤：步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电感传感器构成串联电路；步骤2：根据公式(2)计算电感传感器上的阻抗电压V_S的变化量；步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数；步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程；步骤5：定义电感传感器的阻抗X_S∈[i2πfL_Smin,i2πfL_Smax]，其中L_S为传感器动态电感，将电感传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，得到X_R的取值。根据本方法原理设计出相应的电感式液位传感器适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度。

Description

一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，属于液位传感器技术领域。

背景技术

液位传感器是将液位的变化转换为电压的变化,该电压能够很好的与液位的高低相对应起来，从而实现了实时液位监测。在外部应变量的作用下，电感式液位传感器将输出与外部应变量对应的电压信号。液位传感器上的电压变化量δ，是衡量传感器灵敏度的重要指标。对于特定参数的液位传感器，其输出电压变化量不仅受到自身参数的影响，还受到外部电路结构和参数带来的影响。由于整体电路结构和参数的选频特性，如果外部电路及其参数配置不当，将会显著降低液位传感器的灵敏度。为此，研究液位传感器外部电路结构和参数配置，在液位传感器技术及其应用领域具有重要意义。

发明内容

为了获得液位传感器的最佳输出动态信号，本发明提供一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，通过测试电感上的电压变化量确定传感器的电感变化量，并最终获得传感器外部施加的应变量的变化量。

一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电感传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电感传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电感传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电感传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电感传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电感电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max的取值；

步骤5：定义电感传感器的阻抗X_S∈[i2πfL_Smin,i2πfL_Smax]，其中L_S为传感器动态电感，将电感传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

优选地，所述电感传感器包括绝缘管、组合磁性浮子和铜线绕组，且组合磁性浮子放置在绝缘管内，随液面升降，所述铜线绕组绕制在绝缘管外，且沿着绝缘管轴向性增加。

优选地，所述绝缘管为非磁导特性的绝缘管。

优选地，设所述组合磁性浮子的磁芯的有效磁路长度为l_e，横截面积为A_e，磁芯有效耦合的线圈匝数为n，绝缘管总长为h，则磁芯和耦合线圈所形成的电感表达式如下：

式(7)中，μ₀＝4π×10^-7，μ_r＝μ/μ₀为磁芯材料相对磁导率；

当组合磁性浮子的位置从h改变为h±Δh时，电感量的变化量的表达式为：

其中，匝数的最大变化量Δn_max＝n_max-n_min；

则电感式传感器的电感值最大变化量为：

则总长为h的绝缘管被有效长度为l_e的磁芯等分为d＝h/l_e段，在有效长度为l_e的范围内，当组合磁性浮子沿着绝缘管轴向的高度变化量为Δh时，绕组匝数变化率表达式为：

式(10)中，h_max为待测液位的最大高度，即为组合磁性浮子的最大行程；

根据公式(8)和(10)，当组合磁性浮子的高度改变Δh时，对应的电感量值的变化量ΔL_Δh表达式为：

优选地，所述组合磁性浮子包括磁芯与漂浮介质，且两者粘结构成组合磁性浮子。

有益效果：本发明提供一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，根据本方法原理设计出相应的电感式液位传感器适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度。

附图说明

图1为电阻串联传感器分压电路图；

图2为本发明的电感式液位传感器的结构示意图；

图3为本发明的组合磁性浮子的结构示意图；

图4为本发明的主动探测式电容传感器电路；

图5为本发明的信号调整单元电路；

图6为本发明的信号识别及输出单元电路。

图中：绝缘管1、组合磁性浮子2、磁芯2-1、漂浮介质2-2、铜线绕组3。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电感传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电感传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电感传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电感传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电感传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电感电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max的取值；

步骤5：定义电感传感器的阻抗X_S∈[i2πfL_Smin,i2πfL_Smax]，其中L_S为传感器动态电感，将电感传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

优选地，所述电感传感器包括绝缘管1、组合磁性浮子2和铜线绕组3，且组合磁性浮子2放置在绝缘管内，随液面升降，所述铜线绕组3绕制在绝缘管1外，且沿着绝缘管1轴向性增加。本发明中，在外部应变量(如浮力)的作用下，组合磁性浮子2在绝缘管管内部随液面升降。在不同的高度位置上，组合磁性浮子的磁芯的耦合线圈匝数不同，其电感量也随着其高度位置的变化而变化。

优选地，所述绝缘管为非磁导特性的绝缘管。

优选地，设所述组合磁性浮子的磁芯的有效磁路长度为l_e，横截面积为A_e，磁芯有效耦合的线圈匝数为n，绝缘管总长为h，则磁芯和耦合线圈所形成的电感表达式如下：

式(7)中，μ₀＝4π×10^-7，μ_r＝μ/μ₀为磁芯材料相对磁导率；

当组合磁性浮子的位置从h改变为h±Δh时，电感量的变化量的表达式为：

其中，匝数的最大变化量Δn_max＝n_max-n_min；

随着高度h的增加，磁芯耦合的线圈匝数从最小值n_min增大到最大值n_max，则匝数的最大变化量Δn_max＝n_max-n_min，则电感式传感器的电感值最大变化量为：

由此可见，当磁芯的尺寸确定之后，在有效磁性介质长度l_e范围类内，电感传感器的电感输出变化范围，由最大耦合绕组匝数n_max和最小耦合绕组匝数n_min的差值决定；

则总长为h的绝缘管被有效长度为l_e的磁芯等分为d＝h/l_e段，在有效长度为l_e的范围内，当组合磁性浮子沿着绝缘管轴向的高度变化量为Δh时，绕组匝数变化率表达式为：

式(10)中，h_max为待测液位的最大高度，即为组合磁性浮子的最大行程；如果n_min＝0，则代表磁性浮子在液位最低地方的线圈耦合匝数为0，在液位最大的位置的线圈耦合匝数为n_max。也就是说，磁性传感器的最大动态范围由Δn_Δh决定。

根据公式(8)和(10)，当组合磁性浮子的高度改变Δh时，对应的电感量值的变化量ΔL_Δh表达式为：

优选地，所述组合磁性浮子包括磁芯2-1与漂浮介质2-2，且两者粘结构成组合磁性浮子。

本发明在实际设计中，组合磁性浮子采用铁质材料(磁导率很高μ_r>>μ₀。例如，坡莫合金的μ_r为20000～200000)，可以忽略绝缘管内部除了铁质磁芯磁路l_e之外的磁路长度h-l_e构成的空心电感的电感量。

本发明中，铜线绕组3的螺旋升角线性增加或者在单位长度上增加。

本发明中，在最佳配置参数条件下，如果希望获得电感传感器的更大动态输出电压范围，可以通过特定的信号变换电路(如放大器、PWM转换器等)进行调整。

本发明中，电感式液位传感器与数据采集处理电路板连接，数据采集处理电路板上的数据采集电路包括：主动探测式电容传感器电路、信号调整单元、信号识别及输出单元，其中，所述感应电极与所述主动探测式电容传感器电路连接，所述主动探测式电容传感器电路将采集到的电压信号输入所述信号调整单元进行信号转换输出电平信号，输出的电平信号通过信号识别及输出单元进行信号识别和信号输出。

如图4所示，电阻R2、R6、电容CT和传感器等效电容CS构成电阻电容积分电路，施密特触发器U3E、U3D、电阻RT1、RT2、以及电容CT1构成方波信号发生器，其产生的方波提供给电阻电容积分电路。在传感器等效电容CS上产生的三角波电压信号通过电气连接端A送到电压跟随器U5进行电流放大。方波信号的输出频率，由施密特触发器的电阻RT1和RT1以及电容CT1决定，方波信号的输出电压幅度，由施密特触发器U3的电源电压VCC决定；电气连接端A的三角波信号的电压幅度V_C，与电容传感器的等效电容CS的大小有关。当待测液位上升，淹没电感式液位传感器的螺线管面积随之增大，等效电容CS随之上升，电气连接端A的电压幅度V_C随之下降。

实际实施过程中，主动探测式电容传感器电路，使用一个调整电容CT与传感器的感应电极，螺旋管的等效电容CS分别与电阻R2、R6、电容CT一端以及电气端A连接，电阻R2、R6另一端与所述施密特触发器U3D输出端连接，施密特触发器U3D的输入端分别与电阻RT1、RT2的一端以及施密特触发器U3D的输出端连接，施密特触发器U3E的输入端、电阻RT1和RT2的另一端均与电容CT1一端连接，电容CT与电容CT1另一端接地。

如图5所示的信号调整单元电路，由电压跟随器U5和电压比较器U4B构成。来自主动探测式电容传感器电路的三角波电压信号V_C，从电气连接端A通过电压跟随器U5之后送入电压比较器U4B的反相端。电压可调整的参考电压VREF连接电压比较器U5的同相端。设定合适的参考电压VREF，则不同液位高度产生相应幅度的三角波信号，经过电压比较器U4B之后，在电气连接端C产生占空比可变的连续方波输出(脉宽调制信号)，方波的占空比大小与淹没传感器的液位高度对应。

如图6是信号识别及输出单元电路，与液位高度存在对应关系的脉宽调制信号，经过施密特触发器U3A和U3F进行波形调整后，送入半波整流器D4转为直流电压输出，并通过电感L1与电容C8和C9构成的滤波器进行平滑处理。不同占空比的方波信号经过整流滤波后，为电荷释放电阻R8提供稳定的电流并产生与占空比相对应的直流电压信号。所产生的直流电压信号经过电位器RP调整以及滤波电容C10和电压跟随器U6之后，从电气端Out送出与液位高度具有对应关系的直流电压信号。

实际实施过程中，信号调整单元电路的电气连接端C的信号连接到施密特触发器U3A和U3F，并被D4整流之后分别连接电容C8和电感L1的一端，所述电感L1的另一端分别连接电容C9、电阻R8和变阻器RP的一端，所述电容C8、C9、电阻R8和变阻器RP的另一端均接地，变阻器RP的滑动端分别连接电容C10和电压跟随器U6的输入端，电容C10另一端分别接地和连接电压跟随器U6输入端，电压跟随器U6连接电气端Out即为电路输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电感传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电感传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电感传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电感传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电感传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电感电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max的取值；

步骤5：定义电感传感器的阻抗X_S∈[i2πfL_Smin,i2πfL_Smax]，其中L_S为传感器动态电感，将电感传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

2.根据权利要求1所述的一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述电感传感器包括绝缘管、组合磁性浮子和铜线绕组，且组合磁性浮子放置在绝缘管内，随液面升降，所述铜线绕组绕制在绝缘管外，且沿着绝缘管轴向性增加。

3.根据权利要求2所述的一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述绝缘管为非磁导特性的绝缘管。

4.根据权利要求3所述的一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，设所述组合磁性浮子的磁芯的有效磁路长度为l_e，横截面积为A_e，磁芯有效耦合的线圈匝数为n，绝缘管总长为h，则磁芯和耦合线圈所形成的电感表达式如下：

式(7)中，μ₀＝4π×10^-7，μ_r＝μ/μ₀为磁芯材料相对磁导率；

当组合磁性浮子的位置从h改变为h±Δh时，电感量的变化量的表达式为：

其中，匝数的最大变化量Δn_max＝n_max-n_min；

则电感式传感器的电感值最大变化量为：

则总长为h的绝缘管被有效长度为l_e的磁芯等分为d＝h/l_e段，在有效长度为l_e的范围内，当组合磁性浮子沿着绝缘管轴向的高度变化量为Δh时，绕组匝数变化率表达式为：

式(10)中，h_max为待测液位的最大高度，即为组合磁性浮子的最大行程；

根据公式(8)和(10)，当组合磁性浮子的高度改变Δh时，对应的电感量值的变化量ΔLΔh表达式为：

5.根据权利要求3所述的一种电感式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述组合磁性浮子包括磁芯与漂浮介质，且两者粘结构成组合磁性浮子。