分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法，包括交流激勵源、前置放大單元、加法器、減法器、中間放大單元、檢波器、低通濾波器。本發(fā)明解決了現(xiàn)有方法中對測量電路與傳感器距離的嚴(yán)格限制，當(dāng)液位快速變化時響應(yīng)能力不足，以及只能測得單一變換信號的問題，很大程度上擴(kuò)展了分節(jié)電容液位傳感器的應(yīng)用范圍。
【專利說明】分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器及測量技術(shù)，具體涉及航天特種測量。
【背景技術(shù)】
[0002]在航天液體火箭推進(jìn)領(lǐng)域中，無論是在發(fā)動機地面試驗，還是火箭飛行中，都需要精確掌握推進(jìn)劑貯箱內(nèi)的實時液位。如果對貯箱進(jìn)行不同高度對應(yīng)容積的標(biāo)定后，再根據(jù)一定時間內(nèi)分析液面計測量電路的輸出信號，還可以得到推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)流量這一重要參數(shù)。北京航天試驗技術(shù)研究所的馬禮耀等人提出一種分節(jié)式電容液位傳感器，該方法由于采用了細(xì)分直管段的傳感器結(jié)構(gòu)，再結(jié)合差動測量技術(shù)，使得傳感器具有很強的溫度、壓力自動補償能力，以及極高的精度和分辨率。
[0003]但是，與分節(jié)式電容液位傳感器相配合的測量電路存在很大困難，制約了這種傳感器的應(yīng)用，遇到的主要困擾如下:
[0004](I)信噪比極低，極易被過大的雜散因素所淹沒。受實際使用中的惡劣環(huán)境限制，變送器與傳感器之間需要保持較長距離。以線纜長度為50m計，線纜的分布電容就高達(dá)5000pF，且該分布參數(shù)還會發(fā)生變化(外界溫度變化、線纜晃動等)，而要檢測的差動電容最大僅為幾個pF,最高分辨可達(dá)0.0lpF0
[0005](2)實時性要求高。由于在實際應(yīng)用中，液位下降速度可能很快，為保證測量精確、及時，要求測量刷新率高，即快速響應(yīng)性能很好(500Hz以上)。
[0006](3)需要同時實現(xiàn)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)變化狀態(tài)下的液位測量。在加注過程中，由于貯箱內(nèi)上部溫度較高，低溫推進(jìn)劑液面附近存在劇烈沸騰，差動電容變換信號將出現(xiàn)雜亂波形。此外，由閥門動作等原因也會引起的液面突然起伏，也會輸出奇異波形。對于以上類似的非平穩(wěn)變化狀態(tài)，依賴于計算三角波個數(shù)而實現(xiàn)的液位測量功能失效，真實液位信息將無法確定。
[0007]目前，各種已知方法都不能較好解決以上存在問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法。解決的技術(shù)問題為，從大的干擾源中快速提取微小的電容變化并進(jìn)行調(diào)理，同時實現(xiàn)高靈敏度的局部液面和整體液位測量。
[0009]交流激勵源同時加在兩個待測電容的公共電極，兩個待測電容的另一端分別連接各自對應(yīng)的前置放大器的反相輸入端，參比電容連接在前置運算放大器的反相輸入端和輸出端之間。前置放大器的同相輸入端通過電阻或直接連接信號地。前置運算放大器在反相輸入端與輸出之間，連接有標(biāo)準(zhǔn)參比電容。
[0010]在運算放大器極高的開環(huán)增益作用下，運算放大器反相輸出端在測量過程中始終處于“虛地”狀態(tài)。交流激勵源作用于待測電容上所產(chǎn)生的電流始終完全流過反饋支路，并經(jīng)過固定的參比電容將待測奇節(jié)、偶節(jié)電容的大小變換為兩個交流電壓信號，當(dāng)待測電容的大小變化時，交流電壓信號的幅值也發(fā)生相同比例變化。
[0011]對應(yīng)于奇、偶數(shù)節(jié)實時電容的兩路輸出變換電壓信號進(jìn)入加法器、減法器進(jìn)行求和、求差運算，從而得到表征兩待測電容之和、差的原始電壓信號，即表征宏、微觀液位的原始信號。這兩種信號分別經(jīng)各自的交流放大單元、檢波單元、低通濾波單元和輸出調(diào)節(jié)單元，同時得到滿足使用要求的宏觀和微觀液位變換信號。其中:放大單元實現(xiàn)對兩類初始交流電壓信號進(jìn)行幅度放大；檢波器實現(xiàn)將低通濾波后的兩類交流信號各自變換為直流電壓輸出；低通濾波器對檢波器輸出的兩類電壓信號進(jìn)行低通濾波，得到直流電壓信號；輸出調(diào)節(jié)單元對兩類直流電壓信號的零位、幅度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
[0013]I)抗干擾能力強，克服線纜分布電容等雜散因素對小電容測量的影響。
[0014]2)同時得到反應(yīng)微觀液位變化和宏觀液位變化的兩種變換信號，提高使用可靠性，擴(kuò)展了分節(jié)液面計的適用范圍。
[0015]本發(fā)明對基于差動電容檢測的其它應(yīng)用，如電容式真空壓力傳感器等，同樣具有所述之優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為分節(jié)電容液位傳感器工作原理。
[0017]圖2為信號檢出形式。
[0018]圖3為線纜雜散因素抑制原理。
[0019]圖4為測量電路實現(xiàn)原理。
【具體實施方式】
[0020]為了本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面以分節(jié)液面計為應(yīng)用傳感器，結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021]為便于理解本
【發(fā)明內(nèi)容】
，對分節(jié)電容液位傳感器進(jìn)行必要介紹。
[0022]如圖1所示，分節(jié)電容液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)與普通電容液位傳感器相同，一種典型結(jié)構(gòu)是由同軸的金屬內(nèi)管、外管構(gòu)成，但外管被分割成相同高度并相互絕緣的若干節(jié)(個數(shù)通常為偶數(shù)，以達(dá)到完整對稱性)，然后把奇數(shù)節(jié)連成一組，偶數(shù)節(jié)連成另一組。它們與內(nèi)管分別構(gòu)成電容cxl、cx2，將這兩個電容作為比較測量。在貯箱內(nèi)為氣態(tài)的初始狀態(tài)下，奇、偶節(jié)電容基本相等，此時，測量電路輸出為零位信號。以液面上升過程為例，隨著時間變化，測量電路輸出波形如圖2左側(cè)所示。液面下降過程中，分析方法同理。即隨著加注、試車過程的液位上升或下降，通過測量電路將獲得連續(xù)的三角波。在任意時刻，傳感器被液體淹沒的奇、偶數(shù)節(jié)個數(shù)相差不大于I個。在一定時間內(nèi)通過判讀三角波個數(shù)，再對應(yīng)貯箱標(biāo)定的容積，就可以計算低溫介質(zhì)的穩(wěn)態(tài)體積流量。當(dāng)液位高度變化速率改變時，只影響三角波的周期，不對測量造成影響。若結(jié)合某時刻測量電路輸出電壓幅度與三角波幅值間所對應(yīng)的關(guān)系，還可得到在一個分節(jié)內(nèi)的液面相應(yīng)精確位置。
[0023]上面這種高分辨率的測量實現(xiàn)依賴于一定的前提，即氣-液面分界明顯，不存在較大波動和沸騰。但對于低溫液體而言，在加注、轉(zhuǎn)存等過程中，或是貯箱突然增壓或放氣等操作，都會使得波形雜亂難辨，三角波的個數(shù)無法確定，導(dǎo)致測量失效。此時，只有用液位傳感器的奇數(shù)節(jié)電容和偶數(shù)節(jié)電容之和來代表宏觀的總液位才是合理和可行的，測量電路輸出波形應(yīng)如圖2右側(cè)所示。當(dāng)然，液位高位變化速率不可能始終保持恒定，相應(yīng)輸出波形只是近似呈線性，但該信號起到的作用是相同的。
[0024]測量電路對長線纜的分布電容抑制原理如圖3所示。交流激勵源Vs驅(qū)動待測電容的一個電極，另一電極連接運算放大器A的反相輸入端，Cnl、Cn2為線纜分布電容，CX、CS分別代表待測電容和固定大小的參考電容。當(dāng)正弦波信號源內(nèi)阻與Cnl的容抗相比足夠小時，Cnl影響可忽略，而運算放大器A的反相輸入端處于“虛地”狀態(tài)時，Cn2兩端的電位相等，從而消除了線纜分布電容的干擾。
[0025]為此，測量電路的核心功能就是同時完成兩種信號的變換及調(diào)理。如圖4所示。
[0026]假設(shè)電容液位傳感器S被細(xì)分為相同長度的2η節(jié)，其中，一個細(xì)分節(jié)Si(l ^ i ^ 2η)在氣、液相間的電容變化ACi被變換為反應(yīng)微觀液位的三角波電壓AVs,最大變化電容對應(yīng)三角波的峰-峰值Vp_p。而所有細(xì)分節(jié)總和，即傳感器整體在氣、液相間的電容變化量△ Cz被變換為反應(yīng)宏觀液位的近似線性(液面高度變化速率不可能始終相同)電壓ΛVz，最大變化電容對應(yīng)近似線性波的最大變化電壓AVZ。顯然，在理論上滿足:
[0027]Δ Cz = 2η Δ Ci(I)
[0028]在頻率、幅值穩(wěn)定的正弦波Ux~激勵下，兩個工作在負(fù)反饋狀態(tài)下的前置運算放大器分別快速跟蹤隨液位變化而變化的傳感器奇數(shù)節(jié)電容Cxl和偶數(shù)節(jié)電容Cx2，輸出交流變換電壓Us卜、Us2~，計算公式如下:
[0029]Usi ~=Ux~Cxl/CSi(2)
[0030]Us2 ~=Ux~Cx2/CS2(3)
[0031]當(dāng)兩前置運算放大器ApA2所用 參比電容Csl、Cs2在容值、溫度系數(shù)方面非常接近，即認(rèn)為Cs = Cs2 = Cs, Us卜、Us2~經(jīng)過加法器和減法器后，有以下關(guān)系:
[0032]Usi ~-Us2 ~=Ux ~(Cxl-Cx2) /Cs (4)
[0033]Usi ~+Us2 ~=Ux ~(Cxl+Cx2) /Cs (5)
[0034]如果定義前置變換靈敏度K。，K0 = Ux ^/Cs,則
[0035]Usi ~-Us2 ~=K0 (Cjd-Cx2)(6)
[0036]Usi ~+US2~=K0(Cxl+Cx2)(7)
[0037]由式(I)知，當(dāng)2n較大時(如2n = 100)，微觀、宏觀液位變換信號的靈敏度將存在很大差異。要達(dá)到相同數(shù)量級的規(guī)范使用信號(0-5V或4-20mA)，主要通過不同的交流放大倍數(shù)實現(xiàn)。其中，由于微觀液位變換的原始信號較小(通常為mV級)，可采用儀表放大器直接進(jìn)行100-1000倍的高增益、不失真放大。
[0038]如果定義微觀、宏觀液位中間放大單元A3、A4的增益分別為Ksl、Kzl，則通過該級后的輸出電壓信號Us~、Uz~:
[0039]Us ~=KslK0 (Cxl-Cx2)(8)
[0040]Uz ~=KzlK0(Cxl+Cx2)(9)
[0041]Us~、U卜分別經(jīng)過檢波器Pp P2進(jìn)行交流檢波后，分別得到脈動直流輸出Uso、Uzo,變換系數(shù)為Ks2、Kz2。
[0042]再分別經(jīng)過濾波器Fp F2進(jìn)行低通濾波后，即得到微、宏觀直流變換電壓Us、Uz，變換系數(shù)為Ks3、Kz3。[0043]通過上述電路變換，實時地將液位傳感器的奇數(shù)節(jié)、偶數(shù)節(jié)電容差值及和值線性地變換為直流電壓輸出，即:
[0044]Us = Ks3Ks2KslK0(Cjd-Cx2)(IO)
[0045]Uz = Ks3Kz2KzlK0 (Cxl+Cx2) (11)
[0046]隨著液位的平穩(wěn)上升/下降，將同時得到微觀液位變換信號Us和宏觀液位變換信號Uz，信號檢測不受到長信號線纜的影響。
[0047]本發(fā)明可對應(yīng)于不同的分節(jié)電容液位傳感器結(jié)構(gòu)。比如，傳感器可以設(shè)計成平行極板，細(xì)分節(jié)的高度不完全相同。基于該技術(shù)應(yīng)用于電容式真空壓力傳感器等其它用途，本發(fā)明對上述情況同樣有效。
[0048]本行業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和保護(hù)范圍內(nèi)的前提下，對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和改進(jìn)，都落入本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.所述的分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法，其特征在于:包括交流激勵源、前置放大單元、加法器、減法器、中間放大單元、檢波器、低通濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法，其特征在于:前置放大單元由運算放大器A” A2、參比電容Csl、Cs2組成。交流激勵源E同時加在兩個待測電容Cxl、Cx2的公共電極，待測電容的另一端分別連接各自對應(yīng)的運算放大器的反相輸入端，同相輸入端通過電阻或直接連接信號地，已知大小的參比電容連接在每個運算放大器的反相輸入端和輸出端之間。交流激勵源作用至待測電容所產(chǎn)生的電流，通過固定的參比電容反饋，將兩個待測電容變換為兩個成比例的交流電壓信號輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分節(jié)電容液位傳感器測量電路實現(xiàn)方法，其特征在于:減法器01實現(xiàn)將兩個電壓變換信號進(jìn)行求差，得到表征兩個待測電容之差的初始電壓信號； 加法器D2實現(xiàn)將兩個電壓變換信號進(jìn)行求和，得到表征兩個待測電容之和的初始電壓信號; 中間放大單元A3、A4實現(xiàn)對兩種初始電壓信號進(jìn)行幅度放大； 檢波器P1、P2實現(xiàn)將放大后的兩種交流信號各自變換為直流電壓輸出； 低通濾波器Fp F2對檢波器輸出信號進(jìn)行低通濾波，得到直流電壓信號。
【文檔編號】G01F23/26GK103575360SQ201210250511
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月19日
【發(fā)明者】蘇韜, 蔡睿, 于海磊, 管理, 李志剛, 朱子環(huán), 耿衛(wèi)國, 鄭勤生, 田源, 周文怡, 周磊, 段娜, 于濤, 莊建, 趙晉平, 李薇 申請人:北京航天試驗技術(shù)研究所, 北京航天峰光電子技術(shù)有限責(zé)任公司