CN2121020U - 数字电容式料位计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全数字化结构的电容式 料位计，它适用于在恶劣工业环境下对液体、粉状、固 体物料料位的测量。它是由检测振荡源、基准振荡 源、窄脉冲输出分频电路、数字差频器、输出环节及二 次仪表所构成。该料位计的设计超脱了现有电容式 料位计的设计思想，解决了原有电路温漂大的问题， 并大幅度地提高了可靠性、灵敏度和抗干扰能力。

Description

本实用新型是一种非接触式物料料位连续测量仪表。

电容式料位计的检测机理是：在容器内放入一个测量电极和一个参考电极（参考电极可用容器壁所代替），测量电极与参考电极间形成了一个电容器，当物料料面变化时，因介质的变化，此电容器的电容值也随着料面的变化而发生相应的变化。电容式料位计就是通过精确的检测出电容器容量的数值，间接的检测出物料的料位。

目前国内外生产的电容式料位计尽管在外型、结构、元器件等方面存在着较大的差异，但其基本都是以模拟电路为基础，工作原理也很相近。具有代表性的工作原理方框图如图1所示，这种料位计由高频信号振荡源、检测环节、输出变换环节、二次仪表所构成。其工作原理为：高频信号振荡源向被测电容注入一高频电压信号。我们知当外加电压的幅度、频率不变时流过电容器的电流与电容器的容量成正比，而在电容式料位计中被测电容Cx的值与物料的位置相关，当物料的位置变化时其容量也随着变化，从而引起流过电容Cx的电流的变化，通过检测流过电容Cx的电流的大小就间接地检测了物料的料位。检测环节将流过电容器的微小电流转换成电压信号放大后，送入变换环节。变换环节最终输出一个代表实际料位的电压（电流或频率）信号由二次仪表再将其转换成标准信号，输出、显示。

由于这种料位计主要以模拟电路为基础，电路中的高频信号振荡源的输出电压幅度、频率，检测环节，变换环节等电路都存在着不可忽视的温度漂移的问题。无论是通过实际使用还是理论分析都表明现有料位计电路受温度的影响是比较大的，需要在使用当中随季节的变化不断调整。由于受工作稳定性的制约这种电路的灵敏度不可能做得很高，因此不能用于电介常数较小的物料料位的测量。另外由于输入阻抗高（100仟欧以上）探头漏电也将严重影响其稳定性和降低其抗低频干扰信号的能力。

研制本实用新型的目地在于：

1.解决现有料位计温度稳定性差的问题，并力求在技术上有较大的突破。

2.提高灵敏度，扩大应用领域。

3.提高整机的抗干扰能力。

4.设计出一种造价低、适于批量生产的新产品。

本实用新型提出一种数字电容式料位计。其工作原理与国内外现有电容式料位计的工作原理不同。它采用了全数字化的结构，不但在电路上设计新颖，而且大大提高了仪表的温度稳定性。其工作原理方框图如图2所示。它由检测振荡源、基准振荡源、数字差频器、输出环节和二次仪表所构成。

其工作原理为：检测振荡源输出一个随被测电容Cx值增大而降低的频率信号Fx，基准振荡源输出一个固定的频率信号Fo。信号Fo，Fx分别通过窄脉冲输出分频电路后送入数字差频器。数字差频器的输出信号为：

F＝Fo’－Fx’。

式中：Fo’－－－Fo经过分频器后的输出信号。

Fx’－－－Fx经过分频器后的输出信号。

F－－－数字差频器输出的频率信号。

由于被测电容Cx正比于物料料位，故检测振荡源的输出Fx反比于物料料位，因此差频器的输出信号F就代表了物料的料位，并随物料料位的增高而增高。输出环节将差频器输出的脉冲转换成满足远距离传输要求的具有一定幅值和脉宽的信号送往二次仪表。二次仪表再将频率信号F还原成与实际料位相对应的标准电信号或数值。

数字电容式料位计的电路工作原理图如图3所示：

R1、R2、C1、C2、C3、C4、Cx、U1A、U1B构成了检测振荡源。C5、C6、C7、R2、W2、U1C、U1D构成了基准振荡源。R8、C16、U2：A、U2：B、U5：E、U5：F、U7：C构成了一个窄脉冲输出分频电路，它据有分频和单稳输出的功能。R6、C15、U3：A、U3：B、U5：B、U5：C、U7：A构成了另一个窄脉冲输出分频电路。U6：A、U6：B、U7：B构成了数字差频器。R9、C17、U5：A、U7：D构成了一个窄脉冲触发单稳电路。R10、LN、T1构成了隔离输出驱动环节。V、C12、C13、C14为电源部分。C8～C11为退藕电容。LED1为电源指示灯。R5为LED1的限流电阻。TA1、TA2为被测电容输入端子。TM1、TM2为电源输入端子。TM3、TM4、TM5为测量信号输出端子。TM6为参考电极接线端子。

电路的工作原理为：检测振荡源和基准振荡源输出的频率信号分别通过窄脉冲输出分频电路送入数字差频器。数字差频器的功能为：输出频率与两个输入频率信号之差成严格的正比关系。检测振荡源的输出信号，通过窄脉冲输出分频电路后，送至数字差频器的一个输入端；基准振荡源的输出信号通过窄脉冲输出分频电路后，送至数字差频器的另一个输入端。因此，便有关系式：

F＝（Fo－Fx）／256。

式中：256为窄脉冲输出分频电路的分频常数。

如前所述，当料位变化时，测量电极与参考电极间形成的电容器的数值也随着产生相应的变化，从而使Fx振荡器的输出频率也发生相应的变化。Fx振荡器输出频率的变化就代表了物料的变化。由于Fx仅反应出物料料位与某一参考值相比发生了变化，还不能代表物料的真实值。设：当空仓至满仓变化时Fx从2000KHz变化到1500KHz，Fo＝2000KHz。则当空仓至满仓变化时，数字差频器的输出为：F＝0～500KHz／256。故数字差频器的输出就代表了料面的高低。窄脉冲触发单稳电路输出一定宽度的脉冲序列，通过光电藕合器LN驱动T1输出具有一定幅度和脉宽的频率信号远传至二次仪表。二次仪表再将频率信号转换成与仓位对应的信号。二次仪表根据要求不同据有三种形式，分别为：频率－电压－电流转换仪表、以EPROM为校正元件的数字－电压－电流转换仪表和以单片机为核心的智能二次仪表。

整机性能分析：

1、稳定性分析。

A、除振荡源外，其余部分不存在温漂的问题。

B、振荡源自身具有良好的温度稳定性（以通过大量试验证明）。

C、数字差频电路具有良好的消除同向漂移的能力。由于两个振荡器的结构相同，参数相近，工作环境相同，如果电路有漂移大小方向也是一致的，而差频器的输出取决于Fo－Fx，所以这种漂移可在数字差频器中被消除掉。

2、抗干扰能力分析。

A、输入阻抗低，对低频干扰信号具有很大的衰减能力。

B、在二次仪表中对信号进行积分处理对高频干扰信号有较强的衰减能力。

C、输出采用光电隔离有利于提高整个系统的抗干扰能力。

3、灵敏度分析。

本电路当Fo为2MHz，Fx为2MHz～1.5MHz间变化时，对Fx的分辩率为0.0512％。当然，如果提高振荡器的频率或降低前级的分频级数，还可进一步提高灵敏度。

本实用新型与目前国内外大量使用的电容式料料位计相比具有如下优点：

1、稳定性好。

2、抗干扰能力强。

3、灵敏度高。

4、无专用、精密器件安装调式方便成本低。

本实用新型采用中大规模集成电路与现有电容式料位计相比无专用变压器、无电感元件、无线性电路、无精密器件、安装调式方便成本不足同类进口产品价格的十分之一。

附图说明：

图1：现有电容式料位计的工作原理方框图。

图中：Cx－－－－－－－－－为被测电容（探头与料仓间的分布电容）。

图2：连续测量数字电容式料位计的工作原理方框图。

图中：Cx－－－－－－－－－为被测电容。

图3：连续测量数字电容式料位计的工作原理电路图。

图中：

U1、U4、U5－－－－－－－－－－－－－施密特触发器。

U2、U3－－－－－－－－－－－－－－－－－计数器。

U6－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－D触发器。

C－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－电容

R－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－电阻。

D－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－二极管。

V－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－稳压电源。

T1－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－三极管。

LN－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－光电藕合器。

TA、TM－－－－－－－－－－－－－－－－－端子。

图4：数字双积分型电容式料位计的外型图。

电路板安装于壳体内，电源及信号由插座联接。

图中：

1－－－为壳上盖。    2－－－为密封圈。    3－－－为电缆插座。

4－－－为壳体。    5－－－为安装锁紧螺母。    6－－－为联接螺母。

7、9－－－为连杆锁紧螺母。    8－－－为连杆。    10－－－为探头。

Claims (1)

1、一种料位测量装置，电子线路安装于壳体内并同一个与壳体相绝缘的测量电极相连接，其特征是：被测电容Cx和C3、C4串联后与谐振电容C2相并联，窄脉冲输出分频电路由U2、U5∶F、U5∶E、U7∶C、R8、C16、连接而成，数字差频器由U6、U7∶B连接而成，检测振荡源输出的频率信号通过一个窄脉冲输出分频电路后与数字差频器的一个输入端相连接，与检测振荡源结构对称的基准振荡源输出的频率信号通过另一个窄脉冲输出分频电路后电数字差频器的另一个输入端相连接。

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