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電容法構(gòu)成的液位檢測(cè)及控制裝置(一)
摘 要：液位測(cè)量是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中必不少的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)，傳感器和變送器往往成為液位測(cè)量系統(tǒng)中將液位信號(hào)變成工程所需信號(hào)不可缺少的兩個(gè)部分。因而對(duì)傳感器和變送器進(jìn)行分析、研究以及設(shè)計(jì)是必要的。
本文采用的是電容法測(cè)液位。傳感器和變送器部分是本論文的主要研究?jī)?nèi)容，首先對(duì)傳感器和變送器部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，變送器設(shè)計(jì)應(yīng)用了模擬電路技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)。其中電容信號(hào)檢測(cè)電路采用的是由兩片555定時(shí)器構(gòu)成的脈寬調(diào)制法。
本文控制裝置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過此控制裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的閉環(huán)PID控制。另外在容器的上、下限位處分別安裝液面?zhèn)鞲衅骺蓪?shí)現(xiàn)對(duì)上、下限位的報(bào)警。
關(guān)鍵詞：液位檢測(cè)；電容式傳感器；變送器；控制裝置
第一章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
以單個(gè)容器為例，具體的框圖如圖1.1所示。其中電容式傳感器位于容器中，變送器位于容器頂。其中本課題涉及到的硬件主要包括電容式傳感器、電容檢測(cè)信號(hào)和變送器，其次是控制器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。軟件設(shè)計(jì)就是對(duì)PLC的編程，軟件較硬件簡(jiǎn)單，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位系統(tǒng)的閉環(huán)PID控制，使整個(gè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)控制裝置出現(xiàn)故障時(shí)，還可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。
圖1.1 系統(tǒng)原理框圖
在液位控制系統(tǒng)中，用電容式傳感器檢測(cè)液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)，然后送給模擬量混合擴(kuò)展模塊(EM235)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與液位成比例關(guān)系的數(shù)字量，CPU將它與液位設(shè)定值比較，并按PID控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量混合擴(kuò)展模塊,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過它控制進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的閉環(huán)控制。
第二章 電容式傳感器的設(shè)計(jì)
對(duì)于電容傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下幾方面予以考慮。
1.減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能。
環(huán)境溫度變化使電容式傳感器內(nèi)各零件幾何尺寸和相互間幾何位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度附加誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此，必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。
電容式傳感器的金屬電極材料以選用溫度系數(shù)低而穩(wěn)定的鐵鎳合金為好，但難以加工。也可以采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。
傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以封裝，用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件而起保護(hù)作用，可防塵、防熱、防濕、防腐蝕，并且在高溫下可以減少表面損耗，降低溫度系數(shù)，但成本較高。
電容式傳感器的容抗都很高，特別是當(dāng)電源激勵(lì)頻率較低時(shí)。當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與此容抗相近時(shí)，必須考慮分路作用對(duì)系統(tǒng)靈敏度的影響，所以傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外，還要有穩(wěn)定的性能。因此，選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并且具有高的絕緣電阻、低的吸潮性和高的表面電阻的材料，例如云母、石英、人造寶石及各種陶瓷作支架。雖然這些材料較難以加工但性能遠(yuǎn)高于塑料和有機(jī)玻璃等材料。在溫度不太高的環(huán)境下，可以考慮選用聚四氟乙烯材料作支架，其絕緣性能較好。
電容式傳感器的電介質(zhì)應(yīng)盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）。若采用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差，這種溫度誤差雖然可以用后接電子線路加以補(bǔ)償（如采用與測(cè)量電橋相并聯(lián)的補(bǔ)償電橋），但不易完全消除。
可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達(dá)溫度變化所產(chǎn)生的誤差，作為設(shè)計(jì)依據(jù)，雖然比較繁瑣，但可以借助計(jì)算機(jī)處理。
傳感器的電源頻率采用50kHZ至幾兆赫，可以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。還應(yīng)指出，由于電容傳感器的靈敏度與極板間距離成反比，因此初始距離都應(yīng)盡量取的小些，這不僅增大加工工藝的難度、減小了變換器作用的動(dòng)態(tài)范圍，也增加了對(duì)支架等絕緣材料的要求，這時(shí)甚至要注意極間出現(xiàn)的電壓擊穿現(xiàn)象。
2.消除和減小邊緣效應(yīng)與泄露電容的影響
電容器的邊緣效應(yīng)使設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜化、產(chǎn)生非線性以及降低傳感器的靈敏度。消除和減小的方法是在結(jié)構(gòu)上增設(shè)防護(hù)電極，防護(hù)電極必須與被防護(hù)電極取相同的電位，盡量使它們同為地電位。還可以將電極板做得盡量薄，使其極間距相應(yīng)減小，從而減小邊緣效應(yīng)。
電容式傳感器的電容量及其工作時(shí)的電容變化量都很小，往往小于泄露電容。所謂泄露電容，主要由兩部分組成：電容器的極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的寄生電容以及引線電容（電纜電容）。這些泄露電容不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它的變化是虛假的，且隨條件而變，很不穩(wěn)定，從而會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，必須消除或減小它。
（1）增加原始電容值，可減小泄露電容的影響。采用減小極片或極筒間的間距（平板式間距為0.2~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm），增加工作面積或工作長(zhǎng)度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容傳感器的電容值變化pF，相對(duì)變化。
（2）消除電纜電容的方法有：將測(cè)量線路的前級(jí)安放在緊靠傳感器的地方，或利用集成技術(shù)將它們組合在一個(gè)殼體內(nèi)，以減小或省去電纜長(zhǎng)度和電纜位置變化的影響；對(duì)于圓筒式傳感器可采用接地屏蔽措施，克服不穩(wěn)定的寄生電容的影響。屏蔽和接地時(shí)必須注意避免電極移動(dòng)時(shí)，高電位極板與屏蔽間電容的變化，以防止造成虛假的輸出信號(hào)。圖2.1畫出了圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式，圖中可動(dòng)電極處于地電位，這樣既解決了可動(dòng)電極的絕緣處理問題，又可以保證電極移動(dòng)時(shí)與屏蔽間的電容不變。
圖2.1圓筒形電容傳感器的接地屏蔽示意圖
電容式液位傳感器是根據(jù)電容極板間物質(zhì)介電常數(shù)的不同（如，水的介電常數(shù)為79，而干燥空氣則為1）所引起的電容變化并測(cè)試電容，進(jìn)而求得被測(cè)物理量（如液位）。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多大型的圓型貯料容器，器壁有金屬的也有非金屬的；貯料有液體的，也有粒狀（或粉狀）固體的，電物理性方面有導(dǎo)電的，也有電絕緣的。在貯罐器壁為金屬材質(zhì)時(shí)具有最簡(jiǎn)單的電容極板構(gòu)造形式，在圖2.2中，忽略雜散電容和邊緣效應(yīng)后，有貯液狀態(tài)下的電容。圖2.2中由兩圓筒構(gòu)成電容器兩極，假定部分浸入被測(cè)量液體中（液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式液位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測(cè)量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響�？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容C2和空氣介質(zhì)部分電容C1兩部分組成：
其中圖中，， 。所以總電容量C為式為：
。這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度成正比。
圖2.2圓筒式電容式傳感器電極
本設(shè)計(jì)中電容極板的材質(zhì)采用銅，也是制作PCB板的材料，因?yàn)殂~與金和銀在元素周期表中同屬一族，因而具有與貴金屬相似的優(yōu)異物理和化學(xué)性能。它塑性好、易加工、耐腐蝕、無磁性、美觀耐用、特別是，銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。由于銀比較昂貴，因而銅是被廣泛應(yīng)用的最佳導(dǎo)電體和導(dǎo)熱體。
第三章 變送器設(shè)計(jì)
3.1 電源電路設(shè)計(jì)
供電電源電路如圖3.1所示：
圖3.1 供電電源電路
3.2 電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
本文中所用的電容檢測(cè)電路是由兩片555構(gòu)成的脈寬調(diào)制法。
圖3.2 由555構(gòu)成的脈寬調(diào)制法原理圖
脈寬調(diào)制法的電路原理圖如圖4.2所示。它是用一片555定時(shí)器和一些阻容組成多諧振蕩器，另外一片555定時(shí)器、待測(cè)電容和一些阻容組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。多諧振蕩器的輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)，這樣單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出一個(gè)占空比與被測(cè)電容成正比的脈沖。而單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖的占空比由于輸出電壓平均值有關(guān)，因此只要檢測(cè)出電壓平均值就可以反應(yīng)被測(cè)電容的大小。
該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、測(cè)量方便，具有一般的測(cè)量準(zhǔn)確度。主要缺點(diǎn)是不能自動(dòng)調(diào)零，線性度差。
3.3 電壓轉(zhuǎn)換電路
圖3.3電壓轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)原理圖
因?yàn)檫\(yùn)算放大器具有高輸入阻抗的特性,因而運(yùn)算放大器的兩輸入端的電流和可以近似為零。
因運(yùn)算放大器的輸入阻抗高，故流經(jīng)R10的電流近似為零，又由虛短和虛斷可知，V0及第二個(gè)變送器的輸出電壓相等。對(duì)第三個(gè)運(yùn)算放大器和電壓跟隨器應(yīng)用同樣的原理，并設(shè)輸出電流為I�？傻�
令 可得 ,即
由 OUT= ，又可得
第四章 控制裝置
在液位閉環(huán)系統(tǒng)中，用電容式傳感器檢測(cè)液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)，然后送給模擬量混合擴(kuò)展模塊(EM235)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與液位成比例關(guān)系的數(shù)字量，CPU將它與液位設(shè)定值比較，并按PID控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量混合擴(kuò)展模塊,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過它控制進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的閉環(huán)控制。
圖4.1CPU222和模擬量混合擴(kuò)展模塊EM235接線圖
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用上明牌ZDSM系列直行程電動(dòng)套筒調(diào)節(jié)閥，由套筒閥配用德國進(jìn)口PS系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。
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