CN200947052Y - 插入式圆柱型电容传感器液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种插入式圆柱型电容传感器液位测量装置；以往插入式液位测量方法由于采用扩散硅压力传感器作为测量的敏感元件，适用范围小、结构复杂、成本高昂；本实用新型由于采用一体化结构的插入式圆柱型电容传感器作为测量液体液位的装置，该测量装置可以测量各种性质包括酸、碱、水、各种导电、非导电、非粘性等与聚四氟乙烯兼容的液体的液位；并适用于高温液体、密闭容器内的液体的液位测量等；测量的量程范围大；电路简单，零点、满度连续可调，且供电电压为14～36V，及标准24VDC，输出信号为标准的4～20mA的线性电信号，可以方便读出液体液位大小；本实用新型广泛适用于各种状况下的液体液位的测量。

Description

插入式圆柱型电容传感器液位测量装置

                     技术领域

本实用新型涉及一种液体液位测量装置，特别是一种插入式圆柱型电容传感器液位测量装置。

                     背景技术

目前，插入式液位测量方法大都是采用静压式测量原理，应用扩散硅压力传感器作为测量的敏感元件，将压力传感器置于容器内液体的底部，传感器的测压面直接感受大气压力和该液体的液柱高度产生的压力之和，而背压面必须经连接电缆中的一条导气管与液体上部的大气压力相连通，才能获得实际液位的高度产生的压力，用这种方法测量液位的高度，仅适用于敞开容器的中性液体和液体密度均匀不变的场合，而且多采用分体结构，结构复杂，成本高昂，适用范围小，特别是对于测量一些带高危险性的压力密封容器内的液体、或者带高腐蚀性的腐蚀性液体及非洁净液体的液位时，由于结构或材料的限制，上述的静压式液位测量的方法就完全不能适应。而如何准确测量出带压密封容器内的液体、腐蚀性液体及非洁净液体的液位，特别是如何通过准确测量了解其液位变化，对使用者和消费者在使用或灌装时避免各种安全事故具有重大的意义。

                     发明内容

针对上述问题，本实用新型提供一种一体化结构、适合工业通用的、测量各种盛装液体容器及各种性质液体的液位的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，由基准电压电路、时序控制电路、电容检测电路、信号放大变换电路构成的控制电路板安装在铝合金壳体内，壳体内安装有由圆柱形不锈钢极柱和圆筒形不锈钢极板筒2组成的电容传感器，极柱与极板筒之间由绝缘支架固定连接，电容传感器与控制电路板电连接，电容传感器将感应信号，通过传感装置向与其电连接的受时序控制电路和基准电压电路控制的电容检测电路发出，电容检测电路对接受来的信号进行处理，并通过与其相连的信号放大变换电路将信号放大并变换为标准的4～20mAD电流信号。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型采用一体化结构的插入式圆柱型电容传感器作为测量液体液位的装置，该电容传感器测量装置可以随时随地地放入被测容器内或被测液体中，感应到被测容器内或液体液位的变化信号，并通过与其相连的控制电路对感应信号进行检测处理、并放大变换为一线性电信号向外输出，从而测量出密闭容器内或被测液体液位；另外由于本电容感应器采用不锈钢材料制成，并在其极柱上涂有聚四氟乙烯，因此该测量装置可以测量各种性质包括酸、碱、水各种导电、非导电、非粘性等与聚四氟乙烯兼容的液体的液位；并适用于高温液体、密闭容器内的液体的液位测量等；测量的量程范围大；电路简单，零点、满度连续可调。且供电电压为14～36V，及标准24VDC，属于工业现场或设备标准电源，输出信号为标准的4～20mA的线性电信号，为仪器仪表行业标准的二次仪表信号。

                     附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型的插入式圆筒型电容传感器的结构图；

图2是本实用新型的插入式圆筒型电容传感器的结构剖示图；

图3是本实用新型的工作原理方框图；

图4是本实用新型的工作原理图1；

图5是本实用新型的电容传感器电容量模拟原理图1；

图6是本实用新型的电容传感器电容量模拟原理图2；

图7是本实用新型的工作原理图2；

图8是本实用新型的工作原理图3；

图9是本实用新型的电控原理图；

图10是本实用新型的时序脉冲的波形图。

                     具体实施方式

参照图1、图2、图3，一种插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，由基准电压电路、时序控制电路、电容检测电路、信号放大变换电路构成的控制电路板安装在铝合金壳体10内，壳体10内安装有由极柱1和极板筒2组成的电容传感器，极柱1与极板筒2之间由绝缘支架3固定连接，电容传感器与控制电路板电连接，电容传感器将感应信号，通过传感装置向与其电连接的受时序控制电路和基准电压电路控制的电容检测电路发出，电容检测电路对接受来的信号进行处理，并通过与其相连的信号放大变换电路将信号放大并变换为标准的4～20mA的线性电信号；另外极柱1上涂有聚四氟乙烯，极柱1为柱型不锈钢棒，极板筒2为下端开口的不锈钢圆筒，其极板上开有多个小孔4。由于本实用新型采用一体化结构的插入式圆柱型电容传感器作为测量液体液位的装置，该电容传感器测量装置可以随时随地地放入被测容器内或被测液体中对液体液位进行测量，而不受容器或所测液体性质的影响。测量时，电容传感器一旦感应到被测容器内或液体液位的液位的变化信号，就会向与其两个电极也就是极柱1和极板筒2相连的、由基准电压电路及时序控制电路控制的电容检测电路发送感应信号，电容检测电路对接受到的感应信号进行检测处理后，再发送到与之相联的信号放大变换电路，对处理后的信号进行放大，并变换为与液位高度成线性关系的电信号向外输出，通过线性稳定的、标准4～20mA的线性电信号，就可以测量出密闭容器内或被测液体的液位；下面将针对本插入式圆柱型电容传感器特殊结构，说明其电容的计算方法：

参照图4、图5、图6、图7、图8，由于本实用新型采用插入式圆柱型电容传感器作为液体液位的测量装置，其电容C₀的计算公式应为：

$C_0=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}H}{\ln (D/d)}---\left(a\right)$

式中：H----电极的长度；

      D------外极板筒的内直径；

      d-------内极柱的外直径

      ε₀----电极间的介电常数。

从计算公司可以知道，电容C₀的值与电极的长度H及电极间的介电常数ε₀有关。

当本装置插入被测液体后，由于极板筒2的筒壁上开有多个小孔4，所测液体很容易进入两电极间，根据常识，只要所开小孔4足够均匀、足够多，两电极间的液位与所测液体的液位基本上能保持一致，当所测液位变化时，电极间的覆盖长度h也随之变化，上部未浸入液体部分电极间空气的介电常数为ε₀，被测液体的介电常数为ε1，则上部气体中的电容为：

$C1=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0(H-h)}{\ln (D/d)}---\left(b\right)$

浸入液体部分的电容为：

$C2=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{1}h}{\ln (D/d)}---\left(c\right)$

参照图7、图8，分别是本装置在非导电液体和导电液体内的两种测量原理图，此时两电极间的总电容Cx：

           Cx＝C1+C2                      (d)

将式(a)和式(b)代入式(c)，得

$\mathrm{Cx}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0(H-h)}{\ln (D/d)}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{1}h}{\ln (D/d)}$

$=\mathrm{Co}+\frac{2\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_1)h}{\ln (D/d)}---\left(e\right)$

式(e)中第一项为初始电容Co，其值只与整体测量装置有关，其值固定不变，第二项表明电容Cx与液位h呈线性关系，如图5所示，与液体的密度、容器的压力无关。

另外由于本电容感应器采用不锈钢材料制成，并在其极柱上涂有聚四氟乙烯，因此该测量装置可以测量各种性质包括酸、碱、水各种导电、非导电、非粘性等与聚四氟乙烯兼容的液体的液位；并适用于高温液体、密闭容器内的液体的液位测量等；且由于极柱1与极板筒2的长度可以根据需要截取不同长度，因此测量的量程范围大。

另外，参照图9、图10，本实用新型采用由基准电压电路及时序控制电路控制的电容检测电路来对本插入式圆筒型电容传感器的感应信号进行检测和处理，电容检测电路利用电容的充、放电周期，将测量电容Cx转换成线性电信号输出。本实用新型的时序控制电路采用四-双与非门电路U2A、U2B、U2C、U2D与电阻R6、R7、C6产生高频方波，再经电阻R8、R9、二极管D2、D3，电容C7、C8，处理成两路相位相反、宽度不等的时序控制脉冲，分别作用于模拟开关的充电控制开关U3A和放电控制开关U3B；在t1～t4时间内，使得U3A和U3B按确定的时序轮换导通工作，完成一次充、放电过程。设在t0时刻，U3A和U3B均处于断开状态，在t1时间U3A导通，恒定电压Vref向电容Cx充电至Vref值，在t2时间，U3A断开，Cx仍保留有电压Vref，在t3时间，U3B导通，Cx上的电压经低通滤波器R10、R11、C3放电，随后在t4的时间，U3B断开，完成一个充、放电检测周期。每一周期内的放电电流经低通滤波器滤出其直流分量，再经放大器放大后，就得到了显示液位高度的稳定的、标准的4～20mA的线性电信号，通过读表即可方便得知。

●参照图9，本实用新型的信号放大变换电路由运算放大器U1B，Q3，R0，R12，R13，R14，R15，R16，R17，C4，调零点电位器Wo和调满度电位器Ws组成，R12，R13的一端接U1B的同相输入端5，它们的另一端分别接Verf和Ws的中间抽头，R14和C4的一端接U1B的反相输入端6，它们的另一端分别接到U1A的同相输入端3和U1B的输出端7；U1B的输出端7接三极管Q3的基极，发射极接电阻R16的一端，集电极接Verf，R16另一端接电路地，电阻R17与Ws并联后，再与R15串联组成串并联电阻回路，一端接地，另一端接外电源24V的负端。当接通24V电源正端时，液位的变化引起感应电容的变化，通过电容检测电路和信号转换放大电路就会将液位高度变换成线性的电流信号，通过调节零点电位器Wo和满度电位器Ws，使得输出信号可以成为标准的4～20mA的电流信号。为了确保本装置使用的安全性能，给Cx提供稳定的充电电源，给其它各单元电路提供稳定的工作电源，本实用新型为电容检测电路附设了一个基准电压，由运算放大器U1A、三极管Q1、Q2、电阻R1，R2，R3，R4，R5，Dz1，Dz2，C1，C2组成，U1A的同相输入端3连接到C1与Dz1并联的一端，也是连接到R1的一端，C1与Dz1并联的另一端接电路地，R1的另一端接到Vref，U1A的反相输入端接到R3、R4的一端，R3的另一端接Vref，R4的另一端接电路地，U1A的输出端1接Q2的基极，Q2的发射极接R2的一端，集电极接Q1的基极，R2的另一端接电路地，Q1的发射极接D1和R5的一端，集电极接Vref，R5的另一端接Vref，Dz2，C2并联，一端接Vref，一端接电路地。为了保护工作电路使用的安全性能，防止电源接反或过电压误输入时造成电路器件的损坏，本实用新型的控制电路上还设置有由D1，Dz3，C5构成的保护电路。D1的一端接24V电源正端，一端接Dz3，C5并联的一端，Dz3，C5并联的一端接24V电源负端。本实用新型电路简单，零点、满度连续可调，方便操作和应用。

Claims (10)

1、一种插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于由基准电压电路、时序控制电路、电容检测电路、信号放大变换电路构成的控制电路板安装在壳体(10)内，壳体(10)内安装有由极柱(1)和极板筒(2)组成的电容传感器，极柱(1)与极板筒(2)之间由绝缘支架(3)固定连接，电容传感器与控制电路板电连接，电容传感器将感应信号，通过传感装置向与其电连接的受时序控制电路和基准电压电路控制的电容检测电路发出，电容检测电路对接受来的信号进行处理，并通过与其相连的信号放大变换电路将信号放大并变换为电信号。

2、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于壳体(10)由铝合金材料制成。

3、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极柱(1)与极板筒(2)的安装柱轴重合。

4、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极柱(1)的形状为圆柱形。

5、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极板筒(2)的形状为圆筒形。

6、根据权利要求1或2所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极柱(1)上涂有聚四氟乙烯。

7、根据权利要求1或2所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极柱(1)为柱型不锈钢棒，极板筒(2)为下端开口的不锈钢圆筒。

8、根据权利要求1或2所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于极板筒(2)的极板上开有小孔(4)。

9、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于电容检测电路中的时序控制信号由四--双输入端斯密特触发器和R6，R7，R8，R9，D2，D3，C6，C7，C8组成，高频脉冲经U2A与非门整形后分为两路：一路送U2B与非门反相后输出，另一路接U2C与非门的输入端，U2C由R8和D2并联组成一输入端，另一输入端接C7到地，U2C的输出作为控制充电开关的时序脉冲；U2B反相输出的信号，接到U2D与非门的输入端，U2D由R9和D3并联组成一端，另一输入端接C8到地，U2D的输出作为控制放电开关的时序脉冲；由四路CMOS模拟开关中两个独立的模拟开关U3A、U3B作为电容充放电的控制开关，其连接关系是，充电控制脉冲接U3B的引脚5，引脚3接恒定电压Vref，引脚4接电容传感器极柱(1)，极板筒(2)接地，放电控制脉冲接U3C的引脚6，引脚9接引脚4，并与电容传感器极柱(1)相连接，引脚8与低通滤波器R10的一端相连，构成闭合的放电回路。

10、根据权利要求1所述的插入式圆柱型电容传感器液位测量装置，其特征在于所述电信号为标准的4～20mA的线性电信号。

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