CN101782418A - 一种非接触式电容液位计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式高精度电容液位计，其特征在于，包括至少两个电容传感器，即第一电容传感器及第二电容传感器，第一电容传感器及第二电容传感器的一端连接传送器，另一端分别设于底部密封的第一套管及第二套管内，第一套管及第二套管伸入容器内。由于本发明电容液位计的设计，使传感器在介质电介质常量稳定的情况下，即介质纯度很高且介质分布均匀性较好的时候，输出电容只与两根传感器与套管之间的液位变化时有关，与其它因素无关。通过变送器将传感器的电容信号转换为标准电信号，通过信号电缆远传，于是就能实现传感器无需直接与介质接触，采用非接触式来测量液位，而且测量的准确度很高，抗干扰能力较强且体积小巧。

Description

一种非接触式电容液位计

技术领域

本发明涉及一种非接触式电容液位计，用于测量超高纯介质液位。

背景技术

超高纯介质(气体、液体化学品)在整个半导体制造领域的应用非常广泛，目前工艺制程的变更对于介质纯度的要求越来越高，对于介质液位的测量要求也越来越高。目前测量液位普遍采用跟介质接触的金属电容液位计，跟液体接触的电容电极时间长了往往会对液体造成腐蚀及渗透污染，从而影响介质的纯度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以不跟介质接触但能准确测量液位的电容液位计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种非接触式高精度电容液位计，其特征在于，包括至少两个电容传感器，即第一电容传感器及第二电容传感器，第一电容传感器及第二电容传感器的一端连接传送器，另一端分别设于底部密封的第一套管及第二套管内，第一套管及第二套管伸入容器内，第一电容传感器作为测量端电容C_M，第二电容传感器作为参考端电容C_R，通过一个固定的参考端电容C_R来检测一个测量端电容C_M的相对电容变化量ΔC_M＝C_M-C_R，当所测介质液面在第一套管及第二套管之间发生变化时，插在第一套管及第二套管里的第一电容传感器及第二电容传感器之间就会产生电容量的变化，经过变送器对第一电容传感器及第二电容传感器的电容信号进行转换处理，即可输出标准的电信号，从而准确测量出液位。

本发明使用了两个电容传感器，一个电容传感器测量端，另一个则作为参考端，为了使传感器不与介质接触，两根电容传感器分别***套管内，而加上固定环则是为了避免因为传感器抖动造成的测量信号不稳定。随后，根据电容计算公式可以得出传感器的输出电容量与液位高度成线性关系。由于套管在其中实际只起到绝缘的作用，并不会引起电容量的变化，所以不会影响传感器之间的电容量的变化。当所测介质液面在两根套管之间发生变化时，插在套管里的传感器之间就会产生电容量的变化，经过变送器对传感器的电容信号进行转换处理，即可输出标准的电信号，从而准确测量出液位。

由于本发明电容液位计的设计，使传感器在介质电介质常量稳定的情况下，即介质纯度很高且介质分布均匀性较好的时候，输出电容只与两根传感器与套管之间的液位变化时有关，与其它因素无关。通过变送器将传感器的电容信号转换为标准电信号，通过信号电缆远传，于是就能实现传感器无需直接与介质接触，采用非接触式来测量液位，而且测量的准确度很高，抗干扰能力较强且体积小巧。

附图说明

图1为本发明提供的一种非接触式电容液位计的结构示意图；

图2为本发明中变送器的电路框图；

图3为本发明中EMV抗干扰措施的等效电路图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，为本发明提供的一种非接触式电容液位计的电路框图，包括第一电容传感器D1及第二电容传感器D2。第一电容传感器D1及第二电容传感器D2分别***第一套管T1及第二套管T2内。第一套管T1及第二套管T2内则垂直得***容器1内，第一套管T1及第二套管T2的底部密封，并且第一套管T1与第二套管T2之间绝缘。在第一电容传感器D1及第二电容传感器D2与第一套管T1及第二套管T2上端的分别用第一固定环2及第二固定环3固定。第一电容传感器D1及第二电容传感器D2同时连接变送器4。

第一电容传感器D1作为被测电容C_M(测量端)，第二电容传感器D2作为参考电容C_R(参考端)，通过一个固定的参考电容C_R来检测一个被测电容C_M的相对电容变化量ΔC_M＝C_M-C_R。由电容计算公式C＝εS/4πkd(ε为电介质常量，S为电容极板的面积，k为静电力常量，d为极板间的距离)中可以看出当电容极板的面积S一定，极板间的距离d也一定时，电容量只与电介质常量ε有关。当被测介质在极板间变化时，相当于电介质常量ε在变化，从而电容量也随之变化。由于液体的介电常数ε₁和液面上的介电常数ε₂不同，比如：ε₁＞ε₂，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，电容量也增大；反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε₁和ε₂的恒定才能保证液位测量准确。

根据公式，根据电容计算公式C＝εS/4πkd，ε为电介质常量，S为电容极板的面积，k为静电力常量，d为极板间的距离。从中可以看出当电容极板的面积S一定，极板间的距离d也一定时，电容量只与电介质常量ε有关。同时，根据电容传感器输出电容Cx＝A+Bx，A，B为与电容结构尺寸及被测介质有关的常量，可得到传感器的输出电容量与液位高度x成线性关系。由于第一套管T1及第二套管T2在其中实际只起到绝缘的作用，并不会引起电容量的变化，所以不会影响第一电容传感器D1及第二电容传感器D2之间的电容量的变化。当所测介质液面在两根套管之间发生变化时，插在套管里的传感器之间就会产生电容量的变化，经过变送器4对第一电容传感器D1及第二电容传感器D2的电容信号进行转换处理，即可输出标准的电信号，从而准确测量出液位。

为了能够把传感器采集到的电容量信号进行处理从而输出电标准信号，变送器4的如图2所示，包括频率可调的参考振荡器，参考振荡器的频率通过电容C_OSC调整，参考振荡器驱动至少两个构造对称的积分器，即第一积分器及第二积分器，积分器的个数与电容传感器的个数相同，第一积分器及第二积分器分别连接所述的第一电容传感器D1及第二电容传感器D2，第一积分器及第二积分器连接信号处理电路，第一积分器及第二积分器的振幅是由测量端电容C_M和参考端电容C_R决定的，第一积分器及第二积分器振幅的差值所提供的信号就反映出测量端电容C_M和参考端电容C_R的差值，由信号处理电路计算出这个振幅的差值随后调整到所需要的输出电压值。

所述信号处理电路包括减法电路，减法电路的后端依次串联源滤波器及可调的放大器，所述第一积分器及第二积分器振幅的差值通过有源滤波器滤波为直流电源信号，然后送到可调的放大器调整到所需要的输出电压值。

如果两个测量端电容C_M和参考端电容C_R值相同，那么经过整流和滤波得到的一个直流电压信号就是零。如果测量端电容C_M改变了ΔC_M，那么得到的输出电压与之是成正比的。如果两个测量端电容C_M和参考端电容C_R值不相同，那么当ΔC_M＝0时，在输出端得到的是一个偏置值，它始终是叠加在直流电压信号上的。

在实际应用中，还要考虑到现场环境对电容液位计带来的干扰。电容液位计的两根传感器就像天线一样很容易受到外来的高频干扰，因此需要采取措施保护高输入阻抗的输入级。这里采取的EMV抗干扰措施是在所述第二电容传感器D2及第一电容传感器D1上分别串联电阻R₁和电阻R₂。此电阻与寄生电容(连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容)以及变送器内部电容(变送器内部电容是变送器内线路板上的电容)一起形成低通滤波器，抑制了高频干扰信号。电阻的取值为： $R_1=\frac{K_1}{I_{\mathrm{CM}}},$ K₁为电阻R₁两端的电压，I_CM为通过测量端电容C_M的电流，K₁的范围为0.01～5V，和 $R_2=\frac{K_2}{I_{\mathrm{CR}}}$ K₂为电阻R₂两端的电压，I_CR为通过参考端电容C_R的电流，K₂的范围为0.01～5V。

Claims (8)

1.一种非接触式高精度电容液位计，其特征在于，包括至少两个电容传感器，即第一电容传感器(D1)及第二电容传感器(D2)，第一电容传感器(D1)及第二电容传感器(D2)的一端连接传送器(4)，另一端分别设于底部密封的第一套管(T1)及第二套管(T2)内，第一套管(T1)及第二套管(T2)伸入容器(1)内，第一电容传感器(D1)作为测量端电容C_M，第二电容传感器(D2)作为参考端电容C_R，通过一个固定的参考端电容C_R来检测一个测量端电容C_M的相对电容变化量ΔC_M＝C_M-C_R，当所测介质液面在第一套管(T1)及第二套管(T2)之间发生变化时，插在第一套管(T1)及第二套管(T2)里的第一电容传感器(D1)及第二电容传感器(D2)之间就会产生电容量的变化，经过变送器(4)对第一电容传感器(D1)及第二电容传感器(D2)的电容信号进行转换处理，即可输出标准的电信号，从而准确测量出液位。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式高精度电容液位计，其特征在于，在所述第一套管(T1)及第二套管(T2)的上端设有用来固定电容传感器的第一固定环(2)及第二固定环(3)。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于，所述的第一传感器(D1)及第二传感器(D2)的直径为1～8000mm，长度为5～50000mm。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于：在所述变送器(4)上设有现场显示仪表。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于，所述变送器(4)包括频率可调的参考振荡器，参考振荡器驱动至少两个构造对称的积分器，即第一积分器及第二积分器，积分器的个数与电容传感器的个数相同，第一积分器及第二积分器分别连接所述的第一电容传感器(D1)及第一电容传感器(D2)，第一积分器及第二积分器连接信号处理电路，第一积分器及第二积分器的振幅是由测量端电容C_M和参考端电容C_R决定的，第一积分器及第二积分器振幅的差值所提供的信号就反映出测量端电容C_M和参考端电容C_R的差值，由信号处理电路计算出这个振幅的差值随后调整到所需要的输出电压值。

6.根据权利要求5所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于，所述信号处理电路包括减法电路，减法电路的后端依次串联源滤波器及可调的放大器，所述第一积分器及第二积分器振幅的差值通过有源滤波器滤波为直流电源信号，然后送到可调的放大器调整到所需要的输出电压值。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于，在所述第二电容传感器(D2)及第一电容传感器(D1)上分别串联电阻R₁和电阻R₂，电阻的取值为： $R_1=\frac{K_1}{I_{\mathrm{CM}}}$ 和 $R_2=\frac{K_2}{I_{\mathrm{CR}}},$ 其中，K₁为电阻R₁两端的电压，I_CM为通过测量端电容C_M的电流，K₂为电阻R₂两端的电压，I_CR为通过参考端电容C_R的电流。

8.根据权利要求6所述的一种非接触式电容液位计，其特征在于，K₁的范围为1～5000mV，K₂的范围为1～5000mV。

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