一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器的製造方法
2023-06-09 12:43:06 3
一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，七段傳感器內極筒為粘貼在電木上的銅箔電極，外極筒為不鏽鋼傳感器外殼，銅箔電極通過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設置有航空插頭，防水傳感器接線盒頂部設置有傳感器上蓋。本發明的電容檢測方法使用電容數字轉換技術晶片PCAPO1，解決了電容測量的寄生電容問題，解決了多段電容同時測量問題，晶片內部可通過電路和算法對寄生電容進行補償校準，補償的結果可以達到在適溫範圍內的增益偏移。通過SPI或者IIC數據串行接口，可方便地將數據與主機交換。低噪聲，低功耗，外圍電路簡單，容易微型化和集成化。
【專利說明】一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是傳感器【技術領域】，具體涉及一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器。
【背景技術】
[0002]電容式液位傳感器的測量電路是十分關鍵的部分，而且由於液位變化導致電容的變化非常小，測量範圍大概在幾十皮法到幾百皮法之間變化，因而測量電路的關鍵在於微小電容的檢測，微小電容的測量方法按照其測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電容Cx (常常伴隨有一漏電阻Rx)兩端並聯一個固定電感L，然後加一可變頻率的電源。調整信號源頻率，使電路發生諧振。諧振時，Cx呈現的容抗和L呈現的感抗相等，從而可求得Cx。
[0004]該方法的優點是:頻率範圍寬，可從幾百KHz到幾百MHz ;適合實驗室測量；可適於小電容測量。缺點是:不適於自動化；不適於在線測量。
[0005](2)振蕩法振蕩法的原理是使振蕩頻率受Cx制約，測量Cx的問題轉化成了測量振蕩頻率。而頻率的測量可以用計數器，也可以用頻率電壓轉換(FVC)積分器實現。振蕩法又分RC和LC兩種。前者簡單，但抗寄生電容能力差，振蕩頻率穩定性差，對小電容變化靈敏度低，因而不宜測量要求分辯率優於0.1pF的電容。後者測量範圍可以從幾百KHz到幾百MHz,比較適合高損耗材料的電容,抗寄生電容幹擾的能力差。
[0006](3)交流電橋法交流電橋法的原理是把被測電容(亦可有漏導)放在一個橋臂，可調的參考阻抗放在相鄰的另一個橋臂，二橋臂分別接到頻率相同、電壓相同的兩個信號源上。調節參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參考阻抗共軛相等。該方法的主要優點是:精度高，適合做精密電容測量；可以做到高SNR。主要缺點是:不具備自動平衡措施。
[0007](4)充放電法充放電法的基本原理如圖1所示。CMOS開關Kl和K2受時鐘信號控制，在Kl通K2斷期間，A點接到電壓源上，對被測電容Cx充電；後半周期，Kl斷K2通，Cx上的電荷洩放。此時,一端B點接地，另一端A點接到虛地。因此，在後半周期中，Cx上的電荷全部洩放掉。在時鐘脈衝控制下,充放電過程以頻率f = 1/T重複進行，因而平均放電電流為:Im = VcAf該電流被轉換成電壓並通過C而平滑，最後給出一個直流輸出電壓V。=RfIm = RfVcC/
[0008]充放電法的優點是:低漂移；可自動檢測無需人工幹預；開關工作頻率可高達數兆赫茲；測量準確度高，幾乎不受被測電容中的漏電阻R X的影響。
[0009]充放電法是目前主流的液位傳感器採用的方法，缺點是:受寄生電容的幹擾。另外電路較為複雜，缺少AD轉換，需要單片機等微處理器進行連接，不利於微型化及集成化，
[0010]分段式液位測量是利用等結構物理電極把整個測量範圍分成不同層面，每個層面對應著固定的空間高度，用模擬電路技術、數字電路技術及單片機技術相結合，逐層測量電容值。如果測量的是同一介質，各段採集的數字量應該一致或接近，反之則有較大差異，利用該現象可以判斷出介質分界面的層段，然後就能計算出界面或液面高度。
[0011]分段測量減小了檢測量程，提高了檢測解析度，提高了精度；自帶量程基準(段長)，零點基準(空介質段)，滿值基準(滿介質段)，為實現在線自標定校正功能提供了依據，降低了對元器件的要求。
[0012]從圖2中可以看出，需要檢測每一段的電容值，需要分段檢測或需要切換開關進行檢測，這是通常分段電容檢測使用的方法。需要搭接切換電路，容易引入寄生電容。溫度變化時還需要補償電路。
[0013]目前，國內在電容式液位傳感器的接口電路設計上，尚無成熟的經驗和技術。而採用電阻、電容等分立元件搭建的傳統測量電路，有其無法克服的局限性。它在精度、準確度和抗幹擾性上，還不盡如人意。採用微電子加工技術，將以上各種測量電路中的電路元件集成到一個晶片內，再將此晶片與傳感器封裝在一起是微電容檢測的發展趨勢。
【發明內容】
[0014]針對現有技術上存在的不足，本發明目的是在於提供一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，解決了寄生電容的補償問題，晶片具有AD功能，有SPI接口及12C接口，實現了對晶片的控制命令和微電容數據的有效傳輸。
[0015]為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現:一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，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、七段傳感器內極筒，電容傳感器外極筒內設置有七段傳感器內極筒，七段傳感器內極筒為粘貼在電木上的銅箔電極，銅箔電極通過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設置有航空插頭，防水傳感器接線盒頂部設置有傳感器上蓋。
[0016]所述的傳感器底部設置有測量介質進入的開孔，測量介質在聚四氟乙烯絕緣層與電容傳感器外極筒中，七段傳感器內極筒與電容傳感器外極筒構成7段電容傳感器，所述測量介質在七段傳感器內極筒與電容傳感器外極筒之間，電容測量方法採用電容數字轉換技術，通過電容充放電時間的測量，測量電容與參考電容的比值，7段電容同時測量。
[0017]所述的電容傳感器外極筒為不鏽鋼外極筒，所述的七段傳感器內極筒為電木(酚醛塑料)外粘貼的銅箔電極；七段傳感器內極筒的銅箔電極與不鏽鋼外極筒構成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數字轉換晶片，電容數字轉換晶片與單片機通過SPI通訊接口進行通訊，把測得的數據傳入單片機進行處理，單片機處理後，輸出4-20mA信號，及485總線信號，便於遠傳及控制，傳感器採用兩線制。
[0018]本發明通過充放電來測量微電容，在這個過程中，一個傳感器的電容和一個參考電容被連接到同一個放電電阻，組成一個低通濾波。電容首先被充電到電源電壓，然後通過電阻進行放電。而放電到一個可控制闞值電壓的水平將會被晶片內部的高精度時間數字轉換器所記錄下來。這個測量過程將會在傳感器和參考電容上重複交錯進行，並且應用同樣的電阻。為了避免溫度的改變對測量電容值的影響，採用傳感器電容與參考電容的比值作為計算結果，並且由於測量的周期時間在us級別，在這個時間段中測量的電容值幾乎不變，這也保證了測量的準確性。
[0019]本發明具有以下有益效果:[0020]I本傳感器外圍電路簡單，只需要I片PCAPOl電容數字轉換晶片，晶片本身帶SPI及IIC接口，測量電容的結果容易與信號處理電路通訊，且多路電容能同時測量，提高了檢測速度，避免了電子開關的切換，儀表的校正，維護量少，檢測部分故障率低；
[0021]2分段測量減小了檢測量程，提高了檢測解析度，提高了精度；自帶量程基準(段長)，零點基準(空介質段)，滿值基準(滿介質段)，為實現在線自標定校正功能提供了依據，降低了對元器件的要求。
[0022]3本傳感器帶有4_20mA標準信號，及485等各種總線信號，便於與計算機及其他系統數據通訊；
[0023]4本傳感器應用範圍廣，可廣泛用於水，油，蒸汽等混合介質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本發明；
[0025]圖1-2為本發明的【背景技術】的示意圖；
[0026]圖3為本發明的結構示意圖；
[0027]圖4為本發明的工作原理圖；
[0028]圖5為本發明的多段式液位傳感器結構及等效原理圖；
[0029]圖6為本發明的晶片接入方式示意圖。
【具體實施方式】
[0030]為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合附圖及【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[0031]參照圖3-6，本【具體實施方式】採用以下技術方案:一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，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、七段傳感器內極筒6，電容傳感器外極筒4內設置有七段傳感器內極筒6，七段傳感器內極筒6為粘貼於電木上的有銅箔電極，銅箔電極通過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 —側設置有航空插頭3，防水傳感器接線盒2頂部設置有傳感器上蓋I。
[0032]所述的傳感器底部設置有測量介質(7)進入的開孔，測量介質(7)在聚四氟乙烯絕緣層(5)與電容傳感器外極筒(4)中，七段傳感器內極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)構成7段電容傳感器，所述測量介質(7)在七段傳感器內極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)之間，電容測量方法採用電容數字轉換技術，通過電容充放電時間的測量，測量電容與參考電容的比值，7段電容同時測量。
[0033]所述的電容傳感器外極筒4為不鏽鋼外極筒，所述的七段傳感器內極筒6為電木(酚醛塑料)外粘貼的銅箔電極；七段傳感器內極筒6的箔電極與不鏽鋼外極筒構成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數字轉換晶片，電容數字轉換晶片與單片機通過SPI通訊接口進行通訊。
[0034]本【具體實施方式】採用的原理:以平行板電容器為例，電容的計算公式C 二 f測量液位屬於改變介電常數ε，原理如圖4所示:Α為被測液體的容器；Β為電容外極筒；c為電容內極筒；對於液位測量，採用圓柱形電容，如圖4所示，有介質時，電容的計算採用如下公式:
【權利要求】
1.一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，其特徵在於，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)、七段傳感器內極筒出)，電容傳感器外極筒(4)內設置有七段傳感器內極筒(6)，七段傳感器內極筒(6)為粘貼在電木上的銅箔電極，銅箔電極通過引線與防水傳感器接線盒(2)相連，接線盒⑵內放置放置數位訊號處理電路板，並留有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) —側設置有航空插頭(3)，防水傳感器接線盒(2)頂部設置有傳感器上蓋(I)。
2.根據權利要求1所述的一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，其特徵在於，所述的傳感器底部設置有測量介質(7)進入的開孔，測量介質(7)在聚四氟乙烯絕緣層(5)與電容傳感器外極筒(4)中，七段傳感器內極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)構成7段電容傳感器，所述測量介質(7)在七段傳感器內極筒(6)與電容傳感器外極筒(4)之間，電容測量方法採用電容數字轉換技術，通過電容充放電時間的測量，測量電容與參考電容的比值，7段電容同時測量。
3.根據權利要求1所述的一種基於電容數字轉換技術的分段液位傳感器，其特徵在於，所述的電容傳感器外極筒(4)為不鏽鋼外極筒，所述的七段傳感器內極筒(6)為銅箔電極；七段傳感器內極筒(6)的銅箔電極與不鏽鋼外極筒構成電容的兩極；電極板接入PCAPOl電容數字 轉換晶片，電容數字轉換晶片與微處理器通過SPI通訊接口進行通訊。
【文檔編號】G01F23/26GK103900661SQ201410058768
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】田海軍, 馮國亮, 張鋆, 樸 亨, 李帥男 申請人:東北電力大學