CN201368755Y - 电容式料位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种电容式料位测量装置，为测量其上一对电极与其间的待测物料所构成的等效电容值，因该等效电容值与待测物料位置呈接近线性的函数关系，故利用函数计算该测量到的等效电容值，即可得知待测物料的位置；本实用新型对其中一电极输入一交流信号，该交流信号经过待测物料传递至另一电极后，再输入一均方根值转换电路以转换输出一直流检测信号，此一直流信号将与待测物料位置呈线性关系，可供后端设备作为计算及监控待测物料位置的依据。

Description

电容式料位测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种电容式料位测量装置，尤指一种可将一桶槽内的物体或液体位置转换为电子信号供使用者运用，且可避免噪声干扰的电容式料位测量装置。本实用新型可应用于化学储液槽、油槽、水槽、谷仓、煤灰储存桶、石灰水泥储存桶等工业用物体或液体位置的监控。

背景技术

一般电容式料位测量装置多使用无稳态复振器Astable multivibrator振荡原理，请参阅图6所示，其包括一测量电极91、一参考电极92、一脉波产生器93及一振荡电阻R，其中该测量电极91伸入一盛装有待测物料的桶槽中以与待测物料接触，该参考电极92与该测量电极91平行设置，其一端并接地，而此两电极91、92将等效为一电容，其电容值会随着该两电极91、92之间待测物料的位置而改变；另该脉波产生器93的一触发接脚TRIG和一临界触发接脚THRES连接该测量电极91；而该振荡电阻R连接该脉波产生器93的触发接脚TRIG和临界触发接脚THRES，如此即构成一无稳态复振器。

由于振荡频率(Frequency)与电阻R、测量电极91和参考电极92所构成的电容的乘积成反比 $\⇒f\∝\frac{1}{R\×C},$ 因此只须电阻值已知，通过测量该脉波产生器93的检测端OUT所得的振荡频率，即可反推出电容值；并通过反推得的电容值的变化，推知两电极91、92之间待测物料的位置。

请进一步参阅图7所示，一般RC振荡电路产生的波形，若测量电极91和参考电极92所构成的电容的值变化，则RC振荡电路产生的波形的频率会产生对应变化，如此一来，即可供后端设备从RC振荡电路产生的波形的频率变化量反推出电容值的变化，以推算出两电极91、92之间待测物料的位置。

上述方式在一般环境中虽可测量出正确的电容值，但若应用于高噪声环境，例如在测量电极91附近若设有变频器、电磁阀或加热器时，则振荡频率就会受到严重干扰。如图8所示，积分波形上产生了突波，如此一来，将造成振荡频率的测量发生错误。

由上述可知，利用RC振荡原理的电容式料位测量装置具有不耐噪声干扰的重大问题，而且更令人困扰的是，由于在安装该电容式料位测量装置时，桶槽周边的设备往往尚未完全开始运转，因此RC振荡型电容式料位测量装置在没有噪声干扰下尚可正确动作，故测量错误的情形通常不会立刻发生；然而在桶槽周边的设备开始运转后，即会产生大量噪声，导致发生振荡信号错误的情形。尤其当桶槽中的待测物料为有毒或危险性物质时，一旦待测物料于桶槽中的位置超出警戒范围，而该电容式料位测量装置却无法正确加以测量，则后果将不堪设想。

实用新型内容

为解决既有电容式料位测量装置不耐高噪声的缺点，本实用新型的主要目的在提供一种电容式料位测量装置，其可将一桶槽内的物料位置转换为电子信号供后端设备计算出物料位置，且可避免噪声干扰。

为达成前述目的所采取的主要技术手段提供前述电容式料位测量装置包括：

一测量电极，与待测物料接触；

一参考电极，与待测物料接触并与该测量电极对应构成一等效电容；

一振荡电路，连接该测量电极，并向该测量电极输出一交流信号；

一检测电阻，连接该参考电极和地端，且该检测电阻上的跨压即为一与等效电容的值成正比的交流检测信号；

一均方根值转换电路，连接该检测电阻，以取得该检测电阻的跨压作为一交流检测信号，并将该交流检测信号进行均方根转换为一直流检测信号；

一运算放大电路，连接该均方根值转换电路，以接收并将该直流检测信号加以运算放大后输出，此输出信号与该等效电容成正比关系；又该运算放大电路可供配合后端设备的需求，调整该直流检测信号的电压电平及大小，以符合后端设备需求。

本实用新型的有益效果：利用上述技术手段，由于交流检测信号通过均方根值转换电路后，均方根值转换电路系计算交流检测信号与零伏特电平的电压差平方再开根号所得的值，故与交流检测信号的振幅有关而与频率无关，且均方根运算会将振幅的平方值取平均，因此该均方根值转换电路具有防制高频噪声的效果，令后端设备计算等效电容值时不因高频噪声的干扰而发生误算的问题。

附图说明

图1：是本实用新型第一实施例的功能方块图。

图2：是本实用新型第二实施例的功能方块图。

图3：是本实用新型的测量原理示意图。

图4A：是本实用新型第三实施例的一功能方块图。

图4B：是本实用新型第三实施例的另一功能方块图。

图5：是图4B中的功能方块图的具体实施电路图。

图6：是现有电容式料位测量装置的电路图。

图7：是现有电容式料位测量装置的振荡频率波形图。

图8：是现有电容式料位测量装置的振荡频率受到噪声干扰而产生突波的波形图。

【主要元件符号说明】

10  测量电极

20  参考电极

20′检测端

30  振荡电路

40  检测电阻

50  均方根值转换电路

60  运算放大电路

70  桶槽

71  待测物料

80  带通滤波电路

91  测量电极

92  参考电极

93  脉波产生器

具体实施方式

关于本实用新型的第一实施例，请参阅图1所示，包括一测量电极10、一参考电极20、一振荡电路30、一检测电阻40、一均方根值转换电路50及一运算放大电路60。

上述测量电极10供置入一盛装有待测物料71的桶槽70中，以与待测物料71接触。

上述参考电极20于本实施例中供置入一盛装有待测物料71的桶槽70中，以与待测物料71接触，并与该测量电极10对应设置，如此即可与该测量电极10构成一等效电容。

上述振荡电路30连接该测量电极10，并向该测量电极10输出一交流信号；又该交流信号可为弦波、方波或三角波。

上述检测电阻40连接该参考电极20和地端，且该检测电阻40上的跨压即为一与该等效电容的值成正比的交流检测信号。

上述均方根值转换电路50连接该检测电阻40，以取得并将该交流检测信号进行均方根转换为一直流检测信号。

上述运算放大电路60连接该均方根值转换电路50，以接收并将该直流检测信号加以运算放大后输出，此输出信号与该等效电容成正比关系。

此外，另请参阅图2所示，本实用新型的第二实施例与上述第一实施例大致相同，不同之处在于：若该桶槽70为金属材质时，则可毋须设置该参考电极，改以一检测端20′连接该桶槽70的一侧壁，而以该金属桶槽70的侧壁作为参考电极。

有关本实用新型的测量原理，请参阅图3所示，假设振荡电路30产生出具固定电压和频率的交流信号为V_ac，C为测量电极10和参考电极20所构成的等效电容，R为该检测电阻40，而i_LOOP代表此一回路中的电流，V_out为该检测电阻40对地的电压，则可列出以下算式：

$\begin{array}{cc}Z=Z_R+Z_C\≈Z_C\⇒Z_C=\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}\∝\frac{1}{C}& A\end{array}$

$\begin{array}{cc}\⇒i_{\mathrm{LOOP}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{Z}\∝\frac{1}{Z}\∝\frac{1}{1/c}\∝C& B\end{array}$

$\begin{array}{cc}\⇒V_{\mathrm{out}}=i_{\mathrm{LOOP}}R\∝i_{\mathrm{LOOP}}\∝C& C\end{array}$

$\⇒V_{\mathrm{out}}\∝C\∝$ 待测物料位置                   D

$\begin{array}{cc}C=\frac{1}{2\mathrm{\πfR}\sqrt{\frac{{V_{\mathrm{ac}}}^2}{{V_{\mathrm{out}}}^2}-1}}& E\end{array}$

由于物料电容量C与测量电极10及参考电极20间的待测物料71位置成正比，因此C正比于待测物料71位置，且C的电容抗与电容量成反比Z_C＝1/2πfC其中f代表振荡频率，检测电阻40的阻抗与其阻值相等Z_R＝R，C与R串联等效阻抗Z＝Z_R+Z_C，若检测电阻40选用阻值小的电阻，则计算时可忽略之，则阻抗Z与C成反比 $Z\≈\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}\∝\frac{1}{C}$ 如式A。回路电流 $i_{\mathrm{LOOP}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{Z}\∝\frac{1}{Z}\∝\frac{1}{1/c}\∝C$ ，与C成正比，如式B。R对地电压V_out＝i_LOOP×R∝C，与C成正比，如式C。因此可证实测量检测电阻40的跨压即可推算出待测物料71位置，如式D。亦可考虑检测电阻40的影响，则V_out与C的关系如式E。

由上述可知，算式A～E证明V_out与C有一定的函数关系，因此通过均方根值转换电路50将V_out转换为较易处理的直流检测信号，即可供后端设备作为监控待测物料位置的依据；此外，因高频噪声的特性为电压高但周期短，故经过均方根运算平均后，可大幅降低高频噪声对交流检测信号的影响，因此本实用新型大幅改善了既有电容式料位测量装置抗噪声能力较差的缺点。

再者，请进一步参阅图4A与图4B所示，本实用新型的第三实施例与第一及第二实施例大致相同，不同之处在于：为进一步更完全地消除高频噪声所引起的误差，可在均方根值转换电路50的前串接一个带通滤波电路80，且其带通中心频率与该振荡电路30的振荡频率相同，只让具有与该振荡电路30所输出交流信号相同频率的交流检测信号通过，如此即可大幅增强抗噪声干扰的能力。

至于本实用新型的具体实施电路，则请进一步参阅图5所示，本实用新型的振荡电路30和带通滤波电路80所输出交流信号的频率及振幅范围可视使用者需求，由调整电路中的元件值将的控制在100赫兹至100百万赫兹的范围及10毫伏至30伏特的范围之间；此外，该运算放大电路60是使用可变电阻R12、R14，供使用者调整该直流检测信号的电压电平及大小，以符合后端设备的检测需求。

综上所述，本实用新型实为一极具进步性与实用性的佳作，且未见于刊物或公开使用，符合新型专利的申请要求，依法提出申请。

Claims (7)

1.一种电容式料位测量装置，其特征在于，包括：

一测量电极，与待测物料接触；

一参考电极，与待测物料接触并与该测量电极对应构成一等效电容；

一振荡电路，连接该测量电极，并向该测量电极输出一交流信号；

一检测电阻，连接该参考电极和地端；

一均方根值转换电路，连接该检测电阻，以取得该检测电阻的跨压作为一交流检测信号，并将该交流检测信号进行均方根转换为一直流检测信号；

一运算放大电路，连接该均方根值转换电路，以接收并将该直流检测信号加以运算放大后输出。

2.如权利要求1所述的电容式料位测量装置，其特征在于，该参考电极为一金属桶槽。

3.如权利要求1所述的电容式料位测量装置，其特征在于，进一步包括一带通滤波电路，该带通滤波电路串接于该检测电阻和该均方根值转换电路之间，且其带通中心频率与该振荡电路的振荡频率相同。

4.如权利要求2所述的电容式料位测量装置，其特征在于，进一步包括一带通滤波电路，该带通滤波电路串接于该检测电阻和该均方根值转换电路之间，且其带通中心频率与该振荡电路的振荡频率相同。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电容式料位测量装置，其特征在于，该交流信号为弦波。

6.如权利要求1至4中任一项所述的电容式料位测量装置，其特征在于，该交流信号为方波。

7.如权利要求1至4中任一项所述的电容式料位测量装置，其特征在于，该交流信号为三角波。

Images