CN201716078U

CN201716078U - 一种液面变送器信号处理模块

Info

Publication number: CN201716078U
Application number: CN2010202693721U
Authority: CN
Inventors: 侯志刚
Original assignee: BEIJING COLLIHIGH SENSOR TECHNOLOGY CENTER
Current assignee: Beijing Collihigh Sensor Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-23

Abstract

本实用新型涉及一种测量模块，具体是用于电容液位传感器，用来精确测量电容值的液面变送器信号处理模块。与现有的液面变送器信号处理模块相比，本实用新型的信号激励电路中，采用专用的DDS芯片作为信号源，很大程度的提高了信号的频率和幅值的稳定；增加了带通滤波器，从而有效的滤除信号的干扰信号，提高了***的稳定性；增加了可变增益信号放大电路，当测量介质发生了变化时，可根据需要通过可变增益信号放大电路增加或者减小信号的放大倍数，以保证测量精度的要求；并且不再采用现有的液面变送器信号处理中的半波整流电路，而采用绝对值电路将信号的负电压信号变成正电压信号，从而保留了原有信号中的负电压信息，进而提高了测量精度。

Description

一种液面变送器信号处理模块

技术领域

本实用新型涉及一种测量模块，具体的说是用于电容液位传感器，用来精确测量电容值的液面变送器信号处理模块。

背景技术

现有的用于电容液位传感器的液面变送器信号处理模块的框图如图1所示，方形波激励信号电路产生方形波，被驱动增强电路增强，并发送到被测液体，由探极接收信号并传送给信号放大电路，经信号放大之后传送到半波整流电路，再传送到积分电路。其缺点如下：

1.激励信号采用方形波，为了提高其驱动能力，方形波的最高电平直接采用了***电源，例如+5V，输出激励信号的幅值为0～+5V、占空比为50%的方形波信号，因为***的电源的往往波动比较大，因此造成驱动电平不稳定，从而使得反馈信号的电压变化比较大，由此也就影响了测量的精度；

2.现有的液面变送器信号处理模块缺少带通滤波电路，由于工业现场的干扰比较大，如果对采集的信号不进行滤波处理的话，那么干扰信号就会被接收并放大，这样就会使得真正的信号被噪声所严重干扰，显然也会降低***的测量精度也会降低***的稳定性；

3.现有液面变送器信号处理模块的激励信号往往是由模拟电路搭建，随着温度的变化，信号的频率和幅值都会发生明显变化，由此也会影响测量精度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种改进的液面变送器信号处理模块，实现激励信号的平稳输出以及对接收信号测量精度的有效提升。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种液面变送器信号处理模块，包括信号发生电路和信号接收处理电路，所述信号发生电路包括相互连接的正弦波激励信号电路和驱动增强电路，所述信号接收处理电路包括顺次连接的探极、信号初级放大电路、带通滤波电路、可变增益信号放大电路、绝对值电路、积分电路和反向比例放大电路；

所述信号发生电路中，通过正弦波激励信号电路产生正弦波信号经驱动增强电路进行放大，并通过被测液体传送给信号接收处理电路中的探极进行接收；

所述信号接收处理电路中，探极将接收到的信号传送给信号初级放大电路进行初级放大，经过放大的信号通过带通滤波电路进行滤波，滤波之后的信号通过可变增益信号放大电路进行进一步放大增益，并通过绝对值电路将电压为负的信号取正后发送给积分电路，通过积分电路将信号转换为幅值稳定的直流信号，并通过反向比例放大电路将负电压信号转换成正电压信号，并最终将信号传送给AD采集器进行信号分析。

本实用新型的有益效果是：与现有的用于电容液位传感器的液面变送器信号处理模块相比，增加了带通滤波器，从而有效的滤除信号的干扰信号，提高了***的稳定性；增加了可变增益信号放大电路，当测量介质发生了变化时，可根据需要通过可变增益信号放大电路增加或者减小信号的放大倍数，以保证测量精度的要求；与现有的用于电容液位传感器的液面变送器信号处理模块相比，不再采用半波整流电路，而采用绝对值电路将信号的负电压信号变成正电压信号，从而保留了原有信号中的负电压信息，进而提高了测量精度。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述正弦波激励信号电路包括DDS芯片，所述正弦波由DDS芯片产生。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用DDS芯片作为信号源，很大程度的提高了信号的频率和幅值的稳定，同时温漂也比较小。

进一步，所述可变增益信号放大电路包括运算放大器和信号选通开关芯片，所述运算放大器和信号选通开关芯片之间组成反馈电路，通过控制信号选通开关芯片引脚的高低电瓶实现运算放大器对信号的放大倍数。

采用上述进一步方案的有益效果是，电路实现简单，控制方便，采用运算放大器和信号选通开关芯片组合方式替代实现同样功能的可变增益运放芯片，成本低廉。

进一步，所述信号选通开关芯片为MC14051型芯片或者其他可以实现同样功能的芯片。

附图说明

图1为现有的用于电容液位传感器的液面变送器信号处理模块的逻辑框图；

图2为本实用新型液面变送器信号处理模块逻辑框图；

图3为本实用新型中的信号初级放大电路图；

图4为本实用新型中的带通滤波电路图；

图5为本实用新型中的可变增益信号放大电路图；

图6为本实用新型中的绝对值电路图；

图7为本实用新型中的积分电路图；

图8为本实用新型中的反相比例放大电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图2所示，本实用新型液面变送器信号处理模块，包括信号发生电路和信号接收处理电路，信号发生电路包括相互连接的正弦波激励信号电路1和驱动增强电路2，信号接收处理电路包括依次连接的探极4、信号初级放大电路5、带通滤波电路6、可变增益信号放大电路7、绝对值电路8、积分电路9和反向比例放大电路10。其中，正弦波激励信号电路1产生正弦波信号并传送给驱动增强电路2；驱动增强电路2将接收到的正弦波信号进行放大并通过被测液体3传送给探极4；探极4将探测到的信号传送给与其连接的信号初级放大电路5；信号初级放大电路5将接收到的信号进行初级放大并传送给带通滤波电路6；带通滤波电路6将接收到的信号进行滤波，将其中的干扰信号滤除后，将信号传送给可变增益信号放大电路7；可变增益信号放大电路7将接收到的信号进行放大增益，并将放大增益后的信号传送给绝对值电路8；绝对值电路8将接收到的信号取绝对值并传送给积分电路9；积分电路9将接收到的信号转换为直流信号；由于积分电路9转换后的直流信号为负电压信号，所以，通过反向比例放大电路10将直流信号转换成正电压信号，并发送给AD采集器11进行数据分析。

本实用新型中的正弦波激励信号电路1中包含有DDS芯片，正弦波信号由DDS芯片产生，采用DDS芯片产生的正弦波信号，其频率和幅度均比较稳定，受到***电源波动的影响很小，并且温漂也比较小，本实施方式中的DDS芯片采用了AD公司的AD9834芯片来产生正弦波激励信号。

由于DDS芯片所产生的正弦波信号的电压幅值比较低，例如对于AD9834芯片来说，其产生的正弦波信号的峰值最大为300 mV，显然驱动能力是不够的，因此需要通过驱动增强电路2来增强其驱动能力，驱动增强电路2是先通过运放将正弦波信号放大到峰峰值为9V，再通过跟随器将正弦波信号的驱动能力进一步提高。经过驱动增强电路2之后的信号便通过被测液体3发往探极4，通过探极4进行接收。

从电路角度来说，被测液体3和探极4共同组成了一个可变电容，而被测液体3的液位高度的变化，将直接导致可变电容的电容值的变化，从而通过测量该可变电容的电容值即可实现对液位高度的判断。

如图3所示，为本实用新型中的信号初级放大电路5的电路示意图，其中可变电容Cx即为前述中被测液体3和探极4共同组成的可变电容，由于可变电容Cx的电容值的变化将导致电路中的电信号的变化，因此通过该信号初级放大电路5以及其后的各功能电路对电路中信号的滤波、放大等操作既可以得到非常理想的液位信息，具体来说，如图3中，可变电容Cx连接于运算放大器U5C的负向输入端，耦合电容Cs连接于运算放大器U5C的负向输入端和输出端之间，输入电压U_i为激励信号，输出的电压为U_o，由运算放大器的原理可知：

Figure 2010202693721100002DEST_PATH_IMAGE001

其中，耦合电容Cs电容值固定，当U_i为电压固定的激励信号时，被测的可变电容Cx值和输出电压U_o，成线性关系，因此通过对输出电压U_o的测量和计算便可得到所要测定的液位高度。

带通滤波电路6，采用如图4中所示的二阶无限增益多路反馈带通滤波电路，其中选定所述带通滤波器的Q值为10，带通频率为40K（该带通频率与激励信号频率相同），从而尽可能滤除所接收信号中的干扰信号。

如图5所示，为本实用新型中可变增益信号放大电路的电路图，该电路主要由运算放大器和信号选通开关芯片组成，其中信号选通开关芯片为MC14051型芯片，MC14051型芯片相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码A、B、C来决定，这里将C引脚固定为低电平，所以通过控制MC14051型芯片的A、B两个引脚，可以实现不同的信号选通通道，由此也就使得运放的反馈电路的不同，进而可以实现1倍、2倍、3倍和4倍的放大增益。例如，当A和B的引脚都是高电平时，则MC14051型芯片的第13引脚和第3引脚接通，那么对于运算放大器U1来说，其反馈的电路为10 K，其放大器的增益为1倍。当Q6为高电平Q7为低电平时，则第14和第3脚接通，由此反馈电阻为20 K，所以放大增益为2倍。A、B引脚的电平与输出增益的关系如下表所示：

A 引脚	B引脚	增益
			0	0	1
1	0	2
			0	1	3
1	1	4

该可变增益放大电路电路的另一个优点是成本低廉，在精度满足***要求的基础上，采用信号选通开关芯片和运算放大器进行组合的方式实现信号的增益的调整的方法，而不是采用可变增益运放芯片，由此可以实现降低成本。关于选通开关芯片的选择可以不仅局限于MC14051型芯片，其他可以实现同样供的的芯片均可替换MC14051型芯片来实现信号的增益调整。

采用该可变增益信号放大电路，当测量介质发生了变化时，如测量介质由水而变成油，其电容值将发生很大变化，通过可变增益信号放大电路可以适当的将放大倍数增加，以保证测量精度，反之可以通过可变增益信号放大电路适当减小电路放大倍数，以防止放大增益饱和。

为了将正弦信号变成AD采集器可以采集的直流信号，所以需要将正弦信号的负半轴的信号去掉，为了保留负半轴的信号，从而可以提高测量精度，因此采用了绝对值电路。如图6所示，为本实用新型的绝对值电路。由图6所示电路可知：

当U_i>0时，U_o1<0,二极管Q2截止，故U_P1=U_N2=U_I，使得I_R1=I_R2=0,因此U_o=U_I。

当U_i<0时，U_o1>0,二极管Q2导通，故U_P1=U_N2=U_P2=0，为虚地，因此

Figure 2010202693721100002DEST_PATH_IMAGE002

所以。该电路实现了精密的全波整流。

如图7所示，为本实用新型中积分电路的电路图。通过积分电路的积分的运作可以使信号的变动平均化，同时降低杂波信号的影响。信号经过积分电路的处理后，变成幅值稳定的直流信号，该信号幅值的大小和被测电容值成线性关系。图7所示的积分电路中的输出电压U_o和输入电压U_i的关系为：

如图8所示，为本实用新型中的反相比例放大电路。由于积分电路输出的信号是负电压信号，所以需要将转换为正电压才能进行AD采集，本实施方式中采用了增益为1的反相比例放大电路，图8中，电阻R₁₀的阻值等于电阻R₁₁的阻值，所以输出电压U_o和输入电压U_i的关系为：

至此得到图8中的输出电压U_o即完成了整个信号的处理，将图8中的输出电压U_o发送给AD采集器即可实现对液位信息的测量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种液面变送器信号处理模块，包括信号发生电路和信号接收处理电路，其特征在于，所述信号发生电路包括相互连接的正弦波激励信号电路和驱动增强电路，所述信号接收处理电路包括顺次连接的探极、信号初级放大电路、带通滤波电路、可变增益信号放大电路、绝对值电路、积分电路和反向比例放大电路；

所述信号接收处理电路中，探极将接收到的信号传送给信号初级放大电路进行初级放大，经过放大的信号通过带通滤波电路进行滤波，滤波之后的信号通过可变增益信号放大电路进行进一步放大增益，并通过绝对值电路将电压为负的信号取正后发送给积分电路，通过积分电路将信号转换为直流信号，并通过反向比例放大电路将负电压信号转换成正电压信号，并最终将信号传送给AD采集器进行信号分析。

2.根据权利要求1所述的液面变送器信号处理模块，其特征在于：所述正弦波激励信号电路包括DDS芯片，所述正弦波由DDS芯片产生。

3.根据权利要求1所述的液面变送器信号处理模块，其特征在于：所述可变增益信号放大电路包括运算放大器和信号选通开关芯片，所述运算放大器和信号选通开关芯片之间组成反馈电路，通过控制信号选通开关芯片引脚的高低电瓶实现运算放大器对信号的放大倍数。

4.根据权利要求3所述的液面变送器信号处理模块，其特征在于：所述信号选通开关芯片为MC14051型芯片。