一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，七段傳感器內(nèi)極筒為粘貼在電木上的銅箔電極，外極筒為不銹鋼傳感器外殼，銅箔電極通過(guò)引線與防水傳感器接線盒相連，銅箔電極外部套有聚四氟乙烯絕緣層，防水傳感器接線盒一側(cè)設(shè)置有航空插頭，防水傳感器接線盒頂部設(shè)置有傳感器上蓋。本發(fā)明的電容檢測(cè)方法使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)芯片PCAPO1，解決了電容測(cè)量的寄生電容問(wèn)題，解決了多段電容同時(shí)測(cè)量問(wèn)題，芯片內(nèi)部可通過(guò)電路和算法對(duì)寄生電容進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果可以達(dá)到在適溫范圍內(nèi)的增益偏移。通過(guò)SPI或者IIC數(shù)據(jù)串行接口，可方便地將數(shù)據(jù)與主機(jī)交換。低噪聲，低功耗，外圍電路簡(jiǎn)單，容易微型化和集成化。
【專利說(shuō)明】一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]電容式液位傳感器的測(cè)量電路是十分關(guān)鍵的部分，而且由于液位變化導(dǎo)致電容的變化非常小，測(cè)量范圍大概在幾十皮法到幾百皮法之間變化，因而測(cè)量電路的關(guān)鍵在于微小電容的檢測(cè)，微小電容的測(cè)量方法按照其測(cè)量原理可以分為以下幾種方法:
[0003](I)諧振法諧振法是在被測(cè)電容Cx (常常伴隨有一漏電阻Rx)兩端并聯(lián)一個(gè)固定電感L，然后加一可變頻率的電源。調(diào)整信號(hào)源頻率，使電路發(fā)生諧振。諧振時(shí)，Cx呈現(xiàn)的容抗和L呈現(xiàn)的感抗相等，從而可求得Cx。
[0004]該方法的優(yōu)點(diǎn)是:頻率范圍寬，可從幾百KHz到幾百M(fèi)Hz ;適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量；可適于小電容測(cè)量。缺點(diǎn)是:不適于自動(dòng)化；不適于在線測(cè)量。
[0005](2)振蕩法振蕩法的原理是使振蕩頻率受Cx制約，測(cè)量Cx的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了測(cè)量振蕩頻率。而頻率的測(cè)量可以用計(jì)數(shù)器，也可以用頻率電壓轉(zhuǎn)換(FVC)積分器實(shí)現(xiàn)。振蕩法又分RC和LC兩種。前者簡(jiǎn)單，但抗寄生電容能力差，振蕩頻率穩(wěn)定性差，對(duì)小電容變化靈敏度低，因而不宜測(cè)量要求分辯率優(yōu)于0.1pF的電容。后者測(cè)量范圍可以從幾百KHz到幾百M(fèi)Hz,比較適合高損耗材料的電容,抗寄生電容干擾的能力差。
[0006](3)交流電橋法交流電橋法的原理是把被測(cè)電容(亦可有漏導(dǎo))放在一個(gè)橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的另一個(gè)橋臂，二橋臂分別接到頻率相同、電壓相同的兩個(gè)信號(hào)源上。調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，則被測(cè)橋臂中的阻抗與參考阻抗共軛相等。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:精度高，適合做精密電容測(cè)量；可以做到高SNR。主要缺點(diǎn)是:不具備自動(dòng)平衡措施。
[0007](4)充放電法充放電法的基本原理如圖1所示。CMOS開關(guān)Kl和K2受時(shí)鐘信號(hào)控制，在Kl通K2斷期間，A點(diǎn)接到電壓源上，對(duì)被測(cè)電容Cx充電；后半周期，Kl斷K2通，Cx上的電荷泄放。此時(shí),一端B點(diǎn)接地，另一端A點(diǎn)接到虛地。因此，在后半周期中，Cx上的電荷全部泄放掉。在時(shí)鐘脈沖控制下,充放電過(guò)程以頻率f = 1/T重復(fù)進(jìn)行，因而平均放電電流為:Im = VcAf該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并通過(guò)C而平滑，最后給出一個(gè)直流輸出電壓V。=RfIm = RfVcC/
[0008]充放電法的優(yōu)點(diǎn)是:低漂移；可自動(dòng)檢測(cè)無(wú)需人工干預(yù)；開關(guān)工作頻率可高達(dá)數(shù)兆赫茲；測(cè)量準(zhǔn)確度高，幾乎不受被測(cè)電容中的漏電阻R X的影響。
[0009]充放電法是目前主流的液位傳感器采用的方法，缺點(diǎn)是:受寄生電容的干擾。另外電路較為復(fù)雜，缺少AD轉(zhuǎn)換，需要單片機(jī)等微處理器進(jìn)行連接，不利于微型化及集成化，
[0010]分段式液位測(cè)量是利用等結(jié)構(gòu)物理電極把整個(gè)測(cè)量范圍分成不同層面，每個(gè)層面對(duì)應(yīng)著固定的空間高度，用模擬電路技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，逐層測(cè)量電容值。如果測(cè)量的是同一介質(zhì)，各段采集的數(shù)字量應(yīng)該一致或接近，反之則有較大差異，利用該現(xiàn)象可以判斷出介質(zhì)分界面的層段，然后就能計(jì)算出界面或液面高度。
[0011]分段測(cè)量減小了檢測(cè)量程，提高了檢測(cè)分辨率，提高了精度；自帶量程基準(zhǔn)(段長(zhǎng))，零點(diǎn)基準(zhǔn)(空介質(zhì)段)，滿值基準(zhǔn)(滿介質(zhì)段)，為實(shí)現(xiàn)在線自標(biāo)定校正功能提供了依據(jù)，降低了對(duì)元器件的要求。
[0012]從圖2中可以看出，需要檢測(cè)每一段的電容值，需要分段檢測(cè)或需要切換開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，這是通常分段電容檢測(cè)使用的方法。需要搭接切換電路，容易引入寄生電容。溫度變化時(shí)還需要補(bǔ)償電路。
[0013]目前，國(guó)內(nèi)在電容式液位傳感器的接口電路設(shè)計(jì)上，尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。而采用電阻、電容等分立元件搭建的傳統(tǒng)測(cè)量電路，有其無(wú)法克服的局限性。它在精度、準(zhǔn)確度和抗干擾性上，還不盡如人意。采用微電子加工技術(shù)，將以上各種測(cè)量電路中的電路元件集成到一個(gè)芯片內(nèi)，再將此芯片與傳感器封裝在一起是微電容檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本發(fā)明目的是在于提供一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，解決了寄生電容的補(bǔ)償問(wèn)題，芯片具有AD功能，有SPI接口及12C接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片的控制命令和微電容數(shù)據(jù)的有效傳輸。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，包括傳感器上蓋、防水傳感器接線盒、航空插頭、電容傳感器外極筒、聚四氟乙烯絕緣層、七段傳感器內(nèi)極筒，電容傳感器外極筒內(nèi)設(shè)置有七段傳感器內(nèi)極筒，七段傳感器內(nèi)極筒為粘貼在電木上的銅箔電極，銅箔電極通過(guò)引線與防水傳感器接線盒相連，銅箔電極外部套有聚四氟乙烯絕緣層，防水傳感器接線盒一側(cè)設(shè)置有航空插頭，防水傳感器接線盒頂部設(shè)置有傳感器上蓋。
[0016]所述的傳感器底部設(shè)置有測(cè)量介質(zhì)進(jìn)入的開孔，測(cè)量介質(zhì)在聚四氟乙烯絕緣層與電容傳感器外極筒中，七段傳感器內(nèi)極筒與電容傳感器外極筒構(gòu)成7段電容傳感器，所述測(cè)量介質(zhì)在七段傳感器內(nèi)極筒與電容傳感器外極筒之間，電容測(cè)量方法采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)電容充放電時(shí)間的測(cè)量，測(cè)量電容與參考電容的比值，7段電容同時(shí)測(cè)量。
[0017]所述的電容傳感器外極筒為不銹鋼外極筒，所述的七段傳感器內(nèi)極筒為電木(酚醛塑料)外粘貼的銅箔電極；七段傳感器內(nèi)極筒的銅箔電極與不銹鋼外極筒構(gòu)成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)通過(guò)SPI通訊接口進(jìn)行通訊，把測(cè)得的數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后，輸出4-20mA信號(hào)，及485總線信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳及控制，傳感器采用兩線制。
[0018]本發(fā)明通過(guò)充放電來(lái)測(cè)量微電容，在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)傳感器的電容和一個(gè)參考電容被連接到同一個(gè)放電電阻，組成一個(gè)低通濾波。電容首先被充電到電源電壓，然后通過(guò)電阻進(jìn)行放電。而放電到一個(gè)可控制闞值電壓的水平將會(huì)被芯片內(nèi)部的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器所記錄下來(lái)。這個(gè)測(cè)量過(guò)程將會(huì)在傳感器和參考電容上重復(fù)交錯(cuò)進(jìn)行，并且應(yīng)用同樣的電阻。為了避免溫度的改變對(duì)測(cè)量電容值的影響，采用傳感器電容與參考電容的比值作為計(jì)算結(jié)果，并且由于測(cè)量的周期時(shí)間在us級(jí)別，在這個(gè)時(shí)間段中測(cè)量的電容值幾乎不變，這也保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0019]本發(fā)明具有以下有益效果:[0020]I本傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，只需要I片PCAPOl電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，芯片本身帶SPI及IIC接口，測(cè)量電容的結(jié)果容易與信號(hào)處理電路通訊，且多路電容能同時(shí)測(cè)量，提高了檢測(cè)速度，避免了電子開關(guān)的切換，儀表的校正，維護(hù)量少，檢測(cè)部分故障率低；
[0021]2分段測(cè)量減小了檢測(cè)量程，提高了檢測(cè)分辨率，提高了精度；自帶量程基準(zhǔn)(段長(zhǎng))，零點(diǎn)基準(zhǔn)(空介質(zhì)段)，滿值基準(zhǔn)(滿介質(zhì)段)，為實(shí)現(xiàn)在線自標(biāo)定校正功能提供了依據(jù)，降低了對(duì)元器件的要求。
[0022]3本傳感器帶有4_20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，及485等各種總線信號(hào)，便于與計(jì)算機(jī)及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊；
[0023]4本傳感器應(yīng)用范圍廣，可廣泛用于水，油，蒸汽等混合介質(zhì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明；
[0025]圖1-2為本發(fā)明的【背景技術(shù)】的示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明的工作原理圖；
[0028]圖5為本發(fā)明的多段式液位傳感器結(jié)構(gòu)及等效原理圖；
[0029]圖6為本發(fā)明的芯片接入方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0031]參照?qǐng)D3-6，本【具體實(shí)施方式】采用以下技術(shù)方案:一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，包括傳感器上蓋1、防水傳感器接線盒2、航空插頭3、電容傳感器外極筒
4、聚四氟乙烯絕緣層5、七段傳感器內(nèi)極筒6，電容傳感器外極筒4內(nèi)設(shè)置有七段傳感器內(nèi)極筒6，七段傳感器內(nèi)極筒6為粘貼于電木上的有銅箔電極，銅箔電極通過(guò)引線與防水傳感器接線盒2相連，銅箔電極外部套有聚四氟乙烯絕緣層5，防水傳感器接線盒2 —側(cè)設(shè)置有航空插頭3，防水傳感器接線盒2頂部設(shè)置有傳感器上蓋I。
[0032]所述的傳感器底部設(shè)置有測(cè)量介質(zhì)(7)進(jìn)入的開孔，測(cè)量介質(zhì)(7)在聚四氟乙烯絕緣層(5)與電容傳感器外極筒(4)中，七段傳感器內(nèi)極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)構(gòu)成7段電容傳感器，所述測(cè)量介質(zhì)(7)在七段傳感器內(nèi)極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)之間，電容測(cè)量方法采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)電容充放電時(shí)間的測(cè)量，測(cè)量電容與參考電容的比值，7段電容同時(shí)測(cè)量。
[0033]所述的電容傳感器外極筒4為不銹鋼外極筒，所述的七段傳感器內(nèi)極筒6為電木(酚醛塑料)外粘貼的銅箔電極；七段傳感器內(nèi)極筒6的箔電極與不銹鋼外極筒構(gòu)成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)通過(guò)SPI通訊接口進(jìn)行通訊。
[0034]本【具體實(shí)施方式】采用的原理:以平行板電容器為例，電容的計(jì)算公式C 二 f測(cè)量液位屬于改變介電常數(shù)ε，原理如圖4所示:Α為被測(cè)液體的容器；Β為電容外極筒；c為電容內(nèi)極筒；對(duì)于液位測(cè)量，采用圓柱形電容，如圖4所示，有介質(zhì)時(shí)，電容的計(jì)算采用如下公式:
【權(quán)利要求】
1.一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，其特征在于，包括傳感器上蓋(I)、防水傳感器接線盒(2)、航空插頭(3)、電容傳感器外極筒(4)、聚四氟乙烯絕緣層(5)、七段傳感器內(nèi)極筒出)，電容傳感器外極筒(4)內(nèi)設(shè)置有七段傳感器內(nèi)極筒(6)，七段傳感器內(nèi)極筒(6)為粘貼在電木上的銅箔電極，銅箔電極通過(guò)引線與防水傳感器接線盒(2)相連，接線盒⑵內(nèi)放置放置數(shù)字信號(hào)處理電路板，并留有RS485通訊接口，銅箔電極外部套有聚四氟乙烯絕緣層(5)，防水傳感器接線盒(2) —側(cè)設(shè)置有航空插頭(3)，防水傳感器接線盒(2)頂部設(shè)置有傳感器上蓋(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，其特征在于，所述的傳感器底部設(shè)置有測(cè)量介質(zhì)(7)進(jìn)入的開孔，測(cè)量介質(zhì)(7)在聚四氟乙烯絕緣層(5)與電容傳感器外極筒(4)中，七段傳感器內(nèi)極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)構(gòu)成7段電容傳感器，所述測(cè)量介質(zhì)(7)在七段傳感器內(nèi)極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)之間，電容測(cè)量方法采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)電容充放電時(shí)間的測(cè)量，測(cè)量電容與參考電容的比值，7段電容同時(shí)測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的分段液位傳感器，其特征在于，所述的電容傳感器外極筒(4)為不銹鋼外極筒，所述的七段傳感器內(nèi)極筒(6)為銅箔電極；七段傳感器內(nèi)極筒(6)的銅箔電極與不銹鋼外極筒構(gòu)成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數(shù)字 轉(zhuǎn)換芯片，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與微處理器通過(guò)SPI通訊接口進(jìn)行通訊。
【文檔編號(hào)】G01F23/26GK103900661SQ201410058768
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】田海軍, 馮國(guó)亮, 張鋆, 樸 亨, 李帥男 申請(qǐng)人:東北電力大學(xué)