CN2084610U

CN2084610U - 电容式水位测量传感器

Info

Publication number: CN2084610U
Application number: CN 90223226
Authority: CN
Inventors: 王洪达
Original assignee: TIANJING DRAINAGE ADMINISTRATI
Current assignee: TIANJING DRAINAGE ADMINISTRATI
Priority date: 1990-11-10
Filing date: 1990-11-10
Publication date: 1991-09-11

Abstract

一种测量水位用的电容式传感装置。电容式传感体将电信号输入线性电容检测电路，促使其方波发生电路与单稳态电路输出脉冲送入与门电路进行复合，从而使与门输出的脉宽变化线性地反映传感体浸入水中后增加的所测量可变电容的变化。而线性修正电路则弥补检测电路输出所造成的非线性误差。本实用新型线性好，性能指标优良，线路简便。

Description

本实用新型涉及一种测量水位用的电容式传感装置。

现行的电容式水位测量传感器所使用的传感体一般是由金属导线以及其外的绝缘套管构成。此金属导线作为一个电极，导电液体——水作为另一电极，其间的绝缘套管作为中间填充介质。测量电路由于电容的充、放电而输出一相应的微安级电流到测量仪表，从而可测量出对应于此电流的水位。目前使用的测量电路在电路设计上没能针对这一检测方式做好电传信号的转换处理，从而使得传感器检测电信号输出不符合国家自动化仪表接口标准，且指标离散性很大，相同规格的传感性不能互换使用，且电路的线性不好，性能指标不稳定。

本实用新型的目的是针对上述缺点，提供一种线路简单，线性好，指标优良，成本低廉的电容式水位测量传感器。

本实用新型采用的技术方案：

本设计由电容式水位传感体（1）和测量电路组成。其中测量电路包括线性电容检测电路（2）和线性修正电路（3）。线性电容检测电路（2）由时基集成电路片IC₁、IC₂、晶体三极管T₁、T₂、晶体二极管D₁、D₂、稳压管DW、电阻R₁～R₇和电容C₁、C₂组成。传感体（1）输出的电信号送到IC₂12、13脚，IC₂9脚经反向D₁与T₁基极相联，同时经R₄接Vcc，IC₂10、14脚和Vcc联接。IC₁5脚一方面与IC₂8脚相联，一方面经反向D₂与T₁基极联接，IC₁2.6脚相联后经串联R₂、R₁接Vcc，同时经C₁与7脚联接。T₁集电极经R₅接T₂基极，T₁发射极接V_DD。T₂发射极经R₆接Vcc，其集电极经R₇接C₂正极，C₂负极接V_DD，T₂基极经正向DW接Vcc。IC₂11脚和C₂正极均与线性修正电路（3）联接。线性修正电路（3）包括晶体三极管T₃、电位器W₁～W₃和电阻R₆～R₁₀。T₃发射极接IC₂11脚，同时经R₈接Vcc，T₃基极接W₁滑动触点，其集电极接V_DD。W₁一固定端经R₉接Vcc，其另一固定端经R₁₀接W₂滑动触点，W₂一固定端与线性检测电路（4）中C₂正极联接，同时与W₃一固定端相联，其另一固定端与W₃另一固定端联接后接V_DD，W₃滑动触点接V_DD。IC₁、IC₂选用时基集成电路片。在线性电容检测电路（2）中，IC₁、R₁、R₂、C₁组成脉宽和周期可调的方波发生电路，5脚为IC₁输出端。IC₂、电容传感体（1）总电容C、R₃组成受IC₁输出电平下降沿触发的单稳态电路，9脚为IC₂输出端。IC₁、IC₂输出的脉冲送入D₁、D₂、R₄组成的与门电路，C点为与门输出端。与门输出送入T₁、T₂、R₅、R₆、DW组成的恒流脉冲开关放大电路，R₇、C₂组成输出滤波电路。在线性检测电路（3）中，R₈、T₃、W₂组成正反馈线性修正电路。调W₁可以调整输出零点，调W₂可调整线性修正反馈量，调W₃可改变输出电压幅度。

其工作原理是：

在线性电容检测电路（2）中IC₁、IC₂为时基集成电路片。IC₁输出脉冲宽度和周期的确定以及阻容元件的数值选择是依据下面公式：

T＝T₁＋T₂。其中

T₁＝0.7（R₁＋R₂）·C₁

T₂＝0.7R₂·C₁。

式中的T为方波发生电路的振荡周期。T₁为IC₁输出高电平时间，T₂为IC₁输出低电平时间。单稳态电路输出脉宽延时时间由下面公式确定：

T′＝1·1R₃·C。

传感体（1）总电容C由自由结构的静止电容C结和全部浸入水中后增加的测量可变电容C变组成，即：

C＝C_结＋C_变

IC₁的低电平脉宽应等于传感体（1）结构电容C_结形成的脉宽。IC₁输出的高电平脉宽应大于测量电容C_测形成的脉宽（参看图2）。这样，IC₁、IC₂输出的脉冲送入与门电路复合后，C_结形成的部分脉宽被抵消，保留了C_变形成的那部分脉宽，与门输出脉宽的变化线性地反映了C_变的变化，完成了线性测量的目的。检测脉宽与输出电压的转换由恒流脉冲开关放大电路及R₇、C₂组成的滤波电路完成，整个传感器输出电压V_O最大的幅度，主要由与门输出的脉冲占空比来决定。

由上所述，传感体（1）电容C₀由自身结构电容C_结和可变电容C_变组成，而C_变又由分布电容C_分和测量电容C_测组成，即：

C₀＝C_结＋C_分＋C_测。

结构电容C_结值是固定的，而C_分和C_测都是可变的，当C_测最小时，C_分最大，而C_测最大时，C_分最小。由于C_分的存在和变化，使得本来线性很好的检测电路，输出也出现了非线性误差。C_分一般占测量总电容的几十分之一，不可忽略不计。为了克服此C_分给测量输出带来的误差，R₈、W₂、T₃组成了线性修正电路（3），W₂取样于传感器的输出端V。T₃为射极跟随器，与IC₂的脉宽控制端11脚相联。

总之，本测量电路的工作过程是：

传感体（1）C_测↑→输出V₀↑→T₃发射极电压↑→单稳态电路脉宽增加→输出V₀↑↑。

输出V₀的再增加，抵消了由于分布电容C_分因测量电容C_测增大而减少造成输出V₀下降的误差，只要反馈量调整合适就可以弥补测量输出的线性误差。

采用本测量电路结构的水位传感器在供电直流12V时，达到如下指标：

输出电流 0～10mA 最大工作电流≤15mA

负载电阻 0～0.5KΩ 最小工作电流≤2.5mA

测量精度≤0.5％

线性误差

测量范围≤5％时误差≤20％

测量范围≤10％误差≤10％

测量范围≤20％时误差≤2％

测量范围≥30％时误差≤0.5％

本电路设计有恒流脉冲开关放大电路及滤波电路，因此能很好地完成检测脉宽与输出电压的转换，与门电路使输出脉宽变化能够线性地反映C_变的变化，而线性修正电路则可弥补C_分给测量输出带来的非线性误差。此外，由于采用了时基集成电路片，使线路简化。

总之，本装置具有线性好、性能指标良好、线路简单、操作简便的优点。

图1为本测量电路的电路原理图。

T₁为9014、T₂、T₃均为9012；D₁、D₂均为1N4148；W₁为100KΩ、W₂为2.2KΩ、W₃为1KΩR₁～R₁₀分别为80KΩ、10KΩ、110KΩ、10KΩ、5.6KΩ、47Ω、47Ω、56Ω、100KΩ、250KΩ；C₁、C₂分别为0.01F、47μF。

图2为对应于输出端a、b、c点的脉冲方波示意图。

图3为输出电压V₀与水位深度H间关系的特性曲线图。

图4为本实用新型外形示意图。

电容式检测传感体（1）采用SFF型通讯电缆，其末端缚有重锤（4）。

2为线性电容检测电路（含外壳）。

5为联接线性电容检测电路（2）和线性修正电路（3）的屏蔽电缆线。

6为输出端。

Claims

1、一种由电容式检测传感体和测量电路组成的电容式水位测量传感器，其特征在于，所述的测量电路包括线性电容检测电路(2)和线性修正电路(3)，电容为C₀的检测传感体(1)输出电信号到(2)中时基集成电路片IC₂12、13脚，IC₂12、13脚经R₃接V_cc，IC₂9脚经反向晶体二极管D₁与晶体三极管T₁基极相联，同时经R₄接V_cc，IC₂10、14脚与V_cc联接，时基集成电路片IC₁5脚一方面与IC₂8脚相联，一方面经反向晶体二极管D₂与T₁基极联接，IC₁2、6脚相联后经串联R₂、R₁接V_cc，同时经C₁与其7脚联接，T₁集电极经R₃接T₂基极，T₁发射极接V_DD，T₂发射极经R₆接V_cc，其集电极经R₇接C₂正极，C₂负极接V_DD，T₂基极经正向稳压管DW接V_cc，IC₂11脚和C₂正极均与线性修正电路(3)联接，IC₁、R₁、R₂、C₁组成脉宽和周期可调的方波发生电路，IC₂、C₀、R₃组成单稳态电路，D₁、D₂、R₄组成与门电路，T₁、T₂、R₅、R₆、DW组成恒流脉冲开关放大电路，在线性修正电路(3)中，晶体三极管T₃集电极与所述的线性电容检测电路(2)中IC₂11脚相联，同时经R₈接V_cc，T₃基极接电位器W₁滑动触点，其集电极接V_DD，W₁一固定端经R₉接V_cc，W₁另一固定端与电位器W₂的滑动触点联接，W₂一固定端与电容线性检测电路(2)中C₂正极相联，同时与电位器W₃一固定端联接，W₂另一固定端与W₃另一固定端相联后接V_DD，W₃滑动触点亦接V_DD，R₇、C₂组成输出滤波电路，T₃、W₂、R₈组成正反馈线性修正电路。

2、根据权利要求1所述的电容式水位测量传感器，其特征在于，所述的电容式检测传感体（1）采用SFF型通讯电缆。

3、根据权利要求2所述的电容式水位测量传感器，其特征在于，所述的SFF型通讯电缆末端缚有重锤（4）。