CN110231071B - 一种基于电容式传感器的液位测量装置 - Google Patents

一种基于电容式传感器的液位测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于电容式传感器的液位测量装置，所述装置包括电容式传感器以及与所述电容式传感器连接的电容测量仪；所述电容式传感器用于感应待测液体的液位并将液位信息转化为电容值；所述电容测量仪用于检测所述电容值，并根据所述电容值计算出待测液体的液位，可适用于测试高温(300℃)液体；测量精度高；采用非侵入式电容传感器，大大提高了测量装置使用寿命；无连接杆等连接机构，大大减小了测量装置体积；结构简单，引线少，提高了装置可靠性，特别适用于小型核供热堆，具有良好的应用前景。

Description

一种基于电容式传感器的液位测量装置
技术领域
本发明实施例涉及液位测量技术领域，具体涉及一种基于电容式传感器的液位测量装置。
背景技术
常见的适用高温环境的液位测量方法有：基于超声波式传感器液位测量方法、基于电感式传感器液位测量方法、基于磁致伸缩式传感器液位测量方法等。基于超声波式传感器液位测量方法依靠超声波在液相介质界面反射的时差得到位置信号，其优点是精度很高，缺点是在液相介质表面产生气泡时误差较大；基于电感式传感器液位测量方法通过电感线圈对液位进行间断测量，其优点是精度较高，缺点是线圈较多、可靠性低；基于磁致伸缩式传感器液位测量方法通过检测活动磁环的位置获取位置，此方法能够适应高温等恶劣环境，其主要缺点是体积较大，可靠性较低。总之，以上方法很难同时满足精度高、可靠性好、适用高温环境等三方面要求。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于电容式传感器的液位测量装置，以解决现有的液位测量方法无法兼具高精度、可靠性好以及适用高温环境多方面要求的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于电容式传感器的液位测量装置，所述装置包括电容式传感器以及与所述电容式传感器连接的电容测量仪；
所述电容式传感器用于感应待测液体的液位并将液位信息转化为电容值；
所述电容测量仪用于检测所述电容值，并根据所述电容值计算出待测液体的液位。
进一步地，所述装置还包括上位计算机，所述上位计算机与所述电容测量仪连接，所述上位计算机用于待测液体液位的计算结果以进行分析、显示以及存储。
进一步地，所述电容式传感器包括绝缘陶瓷管、激励电极、测量电极以及屏蔽层壳体；所述绝缘陶瓷管与所述待测液体液面垂直设置，所述绝缘陶瓷管浸入至所述待测液体内；所述激励电极和测量电极分别固定在所述绝缘陶瓷管的外表面并分别与所述电容测量仪电连接，所述激励电极用于获取激励信号，所述测量电极用于输出测量信号；所述屏蔽层壳体套设在所述绝缘陶瓷管的外侧，所述屏蔽层壳体用于屏蔽外部电磁作用。
进一步地，所述激励电极和测量电极均呈螺旋状，两者彼此绝缘并相互嵌套形成双螺旋结构，且两电极的外接线端之间的距离变窄形成窄缝。
进一步地，所述电容测量仪包括电源模块、信号源模块、信号检测模块、处理模块；所述电源模块用于为各模块提供不同的供电电压；所述信号源模块和信号检测模块均连接至处理模块，所述信号源模块用于提供激励信号，所述信号检测模块用于测量信号相位检测；所述处理模块用于信号源模块和信号检测模块的时序控制、数字信号的处理以及液位计算。
进一步地，所述电容测量仪上设置有四个测试端，分别为高电流端、高电位端、低电流端和低电位端，所述高电流端和高电位端分别连接激励电极，所述低电流端和低电位端分别连接测量电极。
进一步地，所述电源模块包括相互连接的电源滤波器和变压器，所述电源滤波器与外电源连接；所述信号源模块包括信号源电路以及与所述信号源电路连接的电压偏置电路和电流偏置电路，所述电压偏置电路和电流偏置电路连接激励电极；所述信号检测模块包括程控放大电路、相位检测电路、电流采样电路和差分放大电路，所述相位检测电路的输入端连接程控放大电路的输出端，所述程控放大电路的输入端分别连接电流采样电流和差分放大电路，所述电流采样电路的输入端分别连接高电流端和低电流端，所述差分放大电路的输入端分别连接高电位端和低电位端；所述处理模块包括相互连接的ARM和CPLD，所述CPLD连接信号源电路和相位检测电路的输入端。
进一步地，所述电容测量仪还包括接口模块，所述接口模块连接所述ARM，所述接口模块用于连接显示屏和按键面板以及提供通讯接口。
进一步地，所述电容测量仪还包括可更新模块，所述可更新模块连接所述ARM，所述可更新模块用于固件的更新升级以及相关参数设置。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提出的一种基于电容式传感器的液位测量装置，该装置包括电容式传感器以及与所述电容式传感器连接的电容测量仪，电容式传感器用于感应待测液体的液位并将液位信息转化为电容值，电容测量仪用于检测所述电容值，并根据所述电容值计算出待测液体的液位，该装置耐高温性好，可适用于测试高温(300℃)液体；高温待测液体与空气的相对介电常数相差大，测量精度高；采用非侵入式电容传感器，大大提高了测量装置使用寿命；无连接杆等连接机构，大大减小了测量装置体积；结构简单，引线少，大大减少了工程实际中经常出现的虚焊等现象，提高了装置可靠性，具有较好的工程实用价值，特别适用于小型核供热堆，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置中电容式传感器的截面结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置中电容式传感器的轴测示意图；
图4为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置中电容式传感器的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置中电容式传感器的等效电路图；
图6为本发明实施例1提供的一种基于电容式传感器的液位测量装置中电容测量仪的结构示意图。
图中：电容式传感器100、电容测量仪200、上位计算机300、绝缘陶瓷管110、激励电极120、测量电极130、屏蔽层壳体140、接线柱150、电源模块210、信号源模块220、信号检测模块230、处理模块240、接口模块250、可更新模块260。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种基于电容式传感器的液位测量装置，该装置包括电容式传感器100以及与电容式传感器100连接的电容测量仪200，其中，电容式传感器100用于感应待测液体的液位并将液位信息转化为电容值，电容测量仪200用于检测电容值，并根据电容值计算出待测液体的液位。
本实施例的液位测量装置的工作原理如下：利用待测液体液位变化引起电容式传感器100内介电常数变化并导致输出电容发生变化，输出电容与待测液体液位之间线性相关，根据两者的关系，通过测量电容式传感器100输出的电容值可计算得到待测液体的液位。
如图2所示，本实施例中，电容式传感器100采用窄缝圆柱壳电容式传感器100，电容式传感器100包括绝缘陶瓷管110、激励电极120、测量电极130以及屏蔽层壳体140；绝缘陶瓷管110与待测液体液面垂直设置，绝缘陶瓷管110浸入至待测液体内；激励电极120和测量电极130分别固定在绝缘陶瓷管110的外表面并分别与电容测量仪200电连接，激励电极120用于获取激励信号，测量电极130用于输出测量信号；屏蔽层壳体140套设在绝缘陶瓷管110的外侧，屏蔽层壳体140用于屏蔽外部电磁作用。进一步地，如图3和图4所示，激励电极120和测量电极130均呈螺旋状，两者彼此绝缘并相互嵌套形成双螺旋结构，且两电极的外接线端之间的距离变窄形成窄缝，两电极的末端分别连接有接线柱150。
如图6所示，电容测量仪200包括电源模块210、信号源模块220、信号检测模块230、处理模块240；电源模块210用于为各模块提供不同的供电电压；信号源模块220和信号检测模块230均连接至处理模块240，信号源模块220用于提供激励信号，信号检测模块230用于测量信号相位检测；处理模块240用于信号源模块220和信号检测模块230的时序控制、数字信号的处理以及液位计算。
具体的，电容测量仪200上设置有四个测试端，分别为高电流端Hcur、高电流端Hpot、低电流端Lcur和低电位端Lpot，高电流端Hcur和高电流端Hpot分别连接激励电极120，低电流端Lcur和低电位端Lpot分别连接测量电极130。电源模块210包括相互连接的电源滤波器和变压器，电源滤波器与外电源连接，可将220 V电源电压经整流、滤波后产生±18 V、±12 V、±5 V等电源信号，供电容测量仪中各数字电路、运算放大器和功率放大器等器件使用；信号源模块220包括信号源电路以及与信号源电路连接的电压偏置电路和电流偏置电路，电压偏置电路和电流偏置电路连接激励电极120；信号检测模块230包括程控放大电路、相位检测电路、电流采样电路和差分放大电路，相位检测电路的输入端连接程控放大电路的输出端，程控放大电路的输入端分别连接电流采样电流和差分放大电路，电流采样电路的输入端分别连接高电流端Hcur和低电流端Lcur，差分放大电路的输入端分别连接高电流端Hpot和低电位端Lpot，负载电流信号经电流电压转换电路转换成电压信号，与负载电压信号经过同一通道，经CPLD时序控制，实现相位检测功能；处理模块240包括相互连接的ARM和CPLD，CPLD用于时序控制，CPLD连接信号源电路和相位检测电路的输入端。
进一步地，电容测量仪200还包括接口模块250，接口模块250连接ARM，接口模块用于连接显示屏和按键面板以及提供通讯接口。
进一步地，电容测量仪200还包括可更新模块260，可更新模块260连接ARM，可更新模块260用于固件的更新升级以及相关参数设置。
液位测量时，将电容式传感器100竖直***待测液体内，整个电容式传感器100的长度L范围内包含液体部分l与空气部分(L-l)。如图5所示，电容式传感器100的电容值C等于传感器内液体部分对应电容值Cliquid和传感器内空气部分对应电容值Cair两部分的并联值。Cliquid和Cair分别为典型的窄缝圆柱壳电容式传感器100的液体部分和空气部分所形成的电容，Cliquid和Cair的电容值分别如公式(1)和(2)所示，电容式传感器100的电容值C的表达式如式(3)所示，电容式传感器100的理论电容值CT的表达式如式(4)所示，其中，CL为未使用时内部全部为空气时电容式传感器的电容，εmix1、εmix2分别是电容式传感器100内液体部分与空气部分的平均相对介电常数，窄缝角度δ＝10°＝π/18。
Figure BDA0002133820560000071
Figure BDA0002133820560000072
Figure BDA0002133820560000073
Figure BDA0002133820560000074
根据Lichtenecker公式，可以得到电容式传感器100内液体部分的平均相对介电常数εmix1与空气部分的平均相对介电常数εmix2的计算式，分别如式(5)和(6)所示，式中R、r分别为绝缘陶瓷管110的内、外半径，ε0、εr1、εr2分别为空气、待测液体以及绝缘陶瓷管110的相对介电常数。
Figure BDA0002133820560000075
Figure BDA0002133820560000076
基于此，可知液体部分l与电容式传感器100电容值CT线性相关，电容测量仪200读取到电容式传感器100相关电容的信号参数后可计算出待测液体的液位，并可显示在电容测量仪200的显示屏上，并可通过RS232串行电缆上传到计算机，也可通过标准4-20mA转换电路输出。
进一步地，该装置还包括上位计算机300，上位计算机300与电容测量仪200连接，上位计算机300用于获取待测液体液位的计算结果并进行分析、显示以及存储。
本实施例提出的一种基于电容式传感器的液位测量装置，电容式传感器中采用的绝缘陶瓷管具有较好的耐高温性，可适用于测试高温(300℃)液体；高温待测液体与空气的相对介电常数相差大，使得测量精度较高；采用非侵入式电容传感器，大大提高了测量装置使用寿命；无连接杆等连接机构，大大减小了测量装置体积；结构简单，引线少，大大减少了工程实际中经常出现的虚焊等现象，提高了装置可靠性，具有较好的工程实用价值，特别适用于小型核供热堆，具有良好的应用前景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述装置包括电容式传感器以及与所述电容式传感器连接的电容测量仪；
所述电容式传感器用于感应待测液体的液位并将液位信息转化为电容值；
所述电容测量仪用于检测所述电容值，并根据所述电容值计算出待测液体的液位；
所述电容式传感器采用窄缝圆柱壳电容式传感器，所述电容式传感器包括绝缘陶瓷管、激励电极、测量电极以及屏蔽层壳体；所述绝缘陶瓷管与所述待测液体液面垂直设置，所述绝缘陶瓷管浸入至所述待测液体内；所述激励电极和测量电极分别固定在所述绝缘陶瓷管的外表面并分别与所述电容测量仪电连接，所述激励电极用于获取激励信号，所述测量电极用于输出测量信号；所述屏蔽层壳体套设在所述绝缘陶瓷管的外侧，所述屏蔽层壳体用于屏蔽外部电磁作用；
所述激励电极和测量电极均呈螺旋状，两者彼此绝缘并相互嵌套形成双螺旋结构，且两电极的外接线端之间的距离变窄形成窄缝；
电容式传感器的长度L范围内包含液体部分l与空气部分L-l，电容式传感器的电容值C等于传感器内液体部分对应电容值Cliquid和传感器内空气部分对应电容值Cair两部分的并联值，Cliquid和Cair分别为典型的窄缝圆柱壳电容式传感器100的液体部分和空气部分所形成的电容，Cliquid和Cair的电容值分别如公式(1)和(2)所示，电容式传感器的电容值C的表达式如式(3)所示，电容式传感器的理论电容值CT的表达式如式(4)所示，其中，CL为未使用时内部全部为空气时电容式传感器的电容，εmix1、εmix2分别是电容式传感器100内液体部分与空气部分的平均相对介电常数，窄缝角度δ＝10°＝π/18，
Figure FDA0002522453990000011
Figure FDA0002522453990000012
Figure FDA0002522453990000021
Figure FDA0002522453990000022
根据Lichtenecker公式，可以得到电容式传感器100内液体部分的平均相对介电常数εmix1与空气部分的平均相对介电常数εmix2的计算式，分别如式(5)和(6)所示，式中R、r分别为绝缘陶瓷管的内、外半径，ε0、εr1、εr2分别为空气、待测液体以及绝缘陶瓷管110的相对介电常数，
Figure FDA0002522453990000023
Figure FDA0002522453990000024
液体部分l与电容式传感器电容值CT线性相关，电容测量仪读取到电容式传感器相关电容的信号参数后计算出待测液体的液位。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述装置还包括上位计算机，所述上位计算机与所述电容测量仪连接，所述上位计算机用于待测液体液位的计算结果以进行分析、显示以及存储。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述电容测量仪包括电源模块、信号源模块、信号检测模块、处理模块；所述电源模块用于为各模块提供不同的供电电压；所述信号源模块和信号检测模块均连接至处理模块，所述信号源模块用于提供激励信号，所述信号检测模块用于测量信号相位检测；所述处理模块用于信号源模块和信号检测模块的时序控制、数字信号的处理以及液位计算。
4.根据权利要求3所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述电容测量仪上设置有四个测试端，分别为高电流端、高电位端、低电流端和低电位端，所述高电流端和高电位端分别连接激励电极，所述低电流端和低电位端分别连接测量电极。
5.根据权利要求4所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述电源模块包括相互连接的电源滤波器和变压器，所述电源滤波器与外电源连接；所述信号源模块包括信号源电路以及与所述信号源电路连接的电压偏置电路和电流偏置电路，所述电压偏置电路和电流偏置电路连接激励电极；所述信号检测模块包括程控放大电路、相位检测电路、电流采样电路和差分放大电路，所述相位检测电路的输入端连接程控放大电路的输出端，所述程控放大电路的输入端分别连接电流采样电流和差分放大电路，所述电流采样电路的输入端分别连接高电流端和低电流端，所述差分放大电路的输入端分别连接高电位端和低电位端；所述处理模块包括相互连接的ARM和CPLD，所述CPLD连接信号源电路和相位检测电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述电容测量仪还包括接口模块，所述接口模块连接所述ARM，所述接口模块用于连接显示屏和按键面板以及提供通讯接口。
7.根据权利要求6所述的一种基于电容式传感器的液位测量装置，其特征在于，所述电容测量仪还包括可更新模块，所述可更新模块连接所述ARM，所述可更新模块用于固件的更新升级以及相关参数设置。
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