电容法构成的液位检测及控制装置(一)

电容法构成的液位检测及控制装置(一)

摘 要：液位测量是现代工业生产过程中必不少的重要环节。同时，传感器和变送器往往成为液位测量系统中将液位信号变成工程所需信号不可缺少的两个部分。因而对传感器和变送器进行分析、研究以及设计是必要的。
 本文采用的是电容法测液位。传感器和变送器部分是本论文的主要研究内容，首先对传感器和变送器部分进行了设计，变送器设计应用了模拟电路技术和数字电路技术。其中电容信号检测电路采用的是由两片555定时器构成的脉宽调制法。
 本文控制装置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列电动调节阀。通过此控制装置实现了对液位的闭环PID控制。另外在容器的上、下限位处分别安装液面传感器可实现对上、下限位的报警。
 关键词：液位检测；电容式传感器；变送器；控制装置
 
 第一章 系统整体设计
 以单个容器为例，具体的框图如图1.1所示。其中电容式传感器位于容器中，变送器位于容器顶。其中本课题涉及到的硬件主要包括电容式传感器、电容检测信号和变送器，其次是控制器和电动调节阀。软件设计就是对PLC的编程，软件较硬件简单，通过硬件设计和软件编程以实现对液位系统的闭环PID控制，使整个系统具有很好的稳定性。另外，当控制装置出现故障时，还可通过手动调节电动调节阀的开度。

图1.1  系统原理框图
 在液位控制系统中，用电容式传感器检测液位，变送器将液位传感器输出的电容值转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量混合扩展模块(EM235)，经A/D转换后得到与液位成比例关系的数字量，CPU将它与液位设定值比较，并按PID控制规律对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量混合扩展模块,经D/A转换后变为电流信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制进水量，实现对液位的闭环控制。
第二章 电容式传感器的设计
 对于电容传感器，设计时可以从以下几方面予以考虑。
 1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。
 环境温度变化使电容式传感器内各零件几何尺寸和相互间几何位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变传感器的电容量，产生温度附加误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此，必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
 电容式传感器的金属电极材料以选用温度系数低而稳定的铁镍合金为好，但难以加工。也可以采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。
 传感器内电极表面不便经常清洗，应加以封装，用以防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防热、防湿、防腐蚀，并且在高温下可以减少表面损耗，降低温度系数，但成本较高。
 电容式传感器的容抗都很高，特别是当电源激励频率较低时。当两极板间总的漏电阻若与此容抗相近时，必须考虑分路作用对系统灵敏度的影响，所以传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外，还要有稳定的性能。因此，选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并且具有高的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料，例如云母、石英、人造宝石及各种陶瓷作支架。虽然这些材料较难以加工但性能远高于塑料和有机玻璃等材料。在温度不太高的环境下，可以考虑选用聚四氟乙烯材料作支架，其绝缘性能较好。
 电容式传感器的电介质应尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质（也不受湿度变化的影响）。若采用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差，这种温度误差虽然可以用后接电子线路加以补偿（如采用与测量电桥相并联的补偿电桥），但不易完全消除。
 可以用数学关系式来表达温度变化所产生的误差，作为设计依据，虽然比较繁琐，但可以借助计算机处理。
 传感器的电源频率采用50kHZ至几兆赫，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。还应指出，由于电容传感器的灵敏度与极板间距离成反比，因此初始距离都应尽量取的小些，这不仅增大加工工艺的难度、减小了变换器作用的动态范围，也增加了对支架等绝缘材料的要求，这时甚至要注意极间出现的电压击穿现象。
 2.消除和减小边缘效应与泄露电容的影响
 电容器的边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的电位，尽量使它们同为地电位。还可以将电极板做得尽量薄，使其极间距相应减小，从而减小边缘效应。
 电容式传感器的电容量及其工作时的电容变化量都很小，往往小于泄露电容。所谓泄露电容，主要由两部分组成：电容器的极板与其周围导体构成的寄生电容以及引线电容（电缆电容）。这些泄露电容不仅降低了传感器的灵敏度，而且它的变化是虚假的，且随条件而变，很不稳定，从而会引起较大的测量误差，必须消除或减小它。
 （1）增加原始电容值，可减小泄露电容的影响。采用减小极片或极筒间的间距（平板式间距为0.2~0.5mm，圆筒式间距为0.15mm），增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容传感器的电容值变化pF，相对变化。
 （2）消除电缆电容的方法有：将测量线路的前级安放在紧靠传感器的地方，或利用集成技术将它们组合在一个壳体内，以减小或省去电缆长度和电缆位置变化的影响；对于圆筒式传感器可采用接地屏蔽措施，克服不稳定的寄生电容的影响。屏蔽和接地时必须注意避免电极移动时，高电位极板与屏蔽间电容的变化，以防止造成虚假的输出信号。图2.1画出了圆筒形电容式传感器的接地屏蔽方式，图中可动电极处于地电位，这样既解决了可动电极的绝缘处理问题，又可以保证电极移动时与屏蔽间的电容不变。
 
 图2.1圆筒形电容传感器的接地屏蔽示意图
 电容式液位传感器是根据电容极板间物质介电常数的不同（如，水的介电常数为79，而干燥空气则为1）所引起的电容变化并测试电容，进而求得被测物理量（如液位）。在工业生产过程中，有许多大型的圆型贮料容器，器壁有金属的也有非金属的；贮料有液体的，也有粒状（或粉状）固体的，电物理性方面有导电的，也有电绝缘的。在贮罐器壁为金属材质时具有最简单的电容极板构造形式，在图2.2中，忽略杂散电容和边缘效应后，有贮液状态下的电容。图2.2中由两圆筒构成电容器两极，假定部分浸入被测量液体中（液体应不能导电，若能导电，则电极需作绝缘处理）。这样，极板间的介质由2部分组成：空气介质和液体介质，由此而形成的电容式液位传感器，由于液体介质的液面发生变化，从而导致电容器的电容C也发生变化。这种方法测量的精度很高，且不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容C2和空气介质部分电容C1两部分组成：
 其中图中，， 。所以总电容量C为式为：
           

                
 。这说明，电容量C的大小与电容器浸入液体的深度成正比。
图2.2圆筒式电容式传感器电极
 本设计中电容极板的材质采用铜，也是制作PCB板的材料，因为铜与金和银在元素周期表中同属一族，因而具有与贵金属相似的优异物理和化学性能。它塑性好、易加工、耐腐蚀、无磁性、美观耐用、特别是，铜的导电和导热性除略逊于银以外，是所有金属中最好的。由于银比较昂贵，因而铜是被广泛应用的最佳导电体和导热体。
第三章 变送器设计
 3.1 电源电路设计
 供电电源电路如图3.1所示：

图3.1 供电电源电路
 3.2 电容检测电路设计
 本文中所用的电容检测电路是由两片555构成的脉宽调制法。
 
图3.2 由555构成的脉宽调制法原理图
 脉宽调制法的电路原理图如图4.2所示。它是用一片555定时器和一些阻容组成多谐振荡器，另外一片555定时器、待测电容和一些阻容组成单稳态触发电路。多谐振荡器的输出作为单稳态触发器的输入信号，这样单稳态触发器就输出一个占空比与被测电容成正比的脉冲。而单稳态输出脉冲的占空比由于输出电压平均值有关，因此只要检测出电压平均值就可以反应被测电容的大小。
 该方法的主要优点是电路简单、价格便宜、测量方便，具有一般的测量准确度。主要缺点是不能自动调零，线性度差。
 3.3 电压转换电路
 
图3.3电压转换为电流信号原理图
 因为运算放大器具有高输入阻抗的特性,因而运算放大器的两输入端的电流和可以近似为零。
 因运算放大器的输入阻抗高，故流经R10的电流近似为零，又由虚短和虚断可知，V0及第二个变送器的输出电压相等。对第三个运算放大器和电压跟随器应用同样的原理，并设输出电流为I。可得
  
      令 可得  ,即
  由  OUT= ，又可得
                     第四章 控制装置
 在液位闭环系统中，用电容式传感器检测液位，变送器将液位传感器输出的电容值转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量混合扩展模块(EM235)，经A/D转换后得到与液位成比例关系的数字量，CPU将它与液位设定值比较，并按PID控制规律对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量混合扩展模块,经D/A转换后变为电流信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制进水量，实现对液位的闭环控制。

图4.1CPU222和模拟量混合扩展模块EM235接线图
 电动调节阀采用上明牌ZDSM系列直行程电动套筒调节阀，由套筒阀配用德国进口PS系列电动执行机构组成。
 参考文献
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