高精度智能多界面液位傳感器檢測系統的製作方法
2023-08-05 05:21:16
高精度智能多界面液位傳感器檢測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高精度智能多界面液位傳感器檢測系統。包括電源模塊、MCU、與MCU相連接的正弦波發生模塊、與MCU和正弦波發生模塊相連接的多路模擬開關模塊、與多路模擬開關模塊相連接的分段式電容接口，所述MCU和多路模擬開關模塊之間分別連接有漏電阻測量模塊和相位差檢測模塊；其特徵在於：所述分段式電容接口接有雙電極電容傳感器，所述雙電極電容傳感器由絕緣板(1)、對稱纏繞在絕緣板(1)上的對稱電極(2)，對稱電極(2)的端部通過電極(3)與分段式電容接口連接。本實用新型不僅能對單一界面液位進行準確測量，而且還能實現對兩個或兩個以上多界面液位的準確測量，測量精度小於5mm。
【專利說明】高精度智能多界面液位傳感器檢測系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於測量的【技術領域】，具體是指一種高精度智能多界面液位傳感器檢 測系統。
【背景技術】
[0002] 在石油化工、交通航道、水利電力、農田灌溉、環境監測以及食品加工等眾多行業， 液位是一個重要的技術參數。液位檢測分單一界面的液位檢測和多界面液位檢測，多界面 液位的準確檢測一直以來是傳感檢測技術方面的研宄熱點，同時也是控制領域的一項關鍵 技術，液位檢測準確與否將直接影響整個系統的運行工況。
[0003] 目前，在國內油田採油的中後期，開採出的原油含水量較大，必須將油水混合液送 入原油分離器中進行油水分離。油水混合液在分離器中靜置一定時間後，在重力的作用下， 混合液中的小水珠匯聚成大水滴沉澱到分離器底部，而油層則浮於水面，在油層和水層之 間形成分界面，通過對水層和油層的分離引出就實現了油水分離的目的。實時準確測定分 界面所在位置，以便及時地抽油、抽水及進油水混合液，是該設備使用中的關鍵所在。
[0004] 在海上溢油處理過程中，收油器將漂浮在海面上的溢油吸入回收倉內，然而在吸 油的同時不可避免地吸入了部分海水，因此在回收倉內必須進行海水和溢油的分離工作。 在回收倉內，按照比重從上至下依次是空氣、油和海水。回收倉設置兩個出口，抽油口的作 用是把純的溢油吸入儲油倉，抽水口的作用是把海水排出。由於倉內外壓力不平衡，外部的 油水混合液不斷地被吸入回收倉內。何時抽油，何時抽水，要根據液位傳感器的檢測結果進 行判斷。當油水分界面（界面1)的高度高於抽水口的高度，進行抽水工作；當界面1的高 度低於抽油口的高度，並且油氣分界面（界面2)的高度高於抽油口的高度，則進行抽油工 作。為了實現對分離過程的監測與控制，液位傳感器必須能準確地檢測回收倉內油水分界 面和油氣分界面。由於油水混合液複雜的物理特性，油水界面的檢測十分特殊。
[0005] 目前國內外在液位檢測方面採用的技術和產品很多，而且新的測量技術也在不斷 湧現。按傳感器所採用的測量技術，單界面液位傳感器主要有以下幾種：浮體式液位傳感 器、伺服液位傳感器、差壓式液位傳感器、非接觸式液位傳感器、單段電容式液位傳感器、光 纖式液位傳感器等。以上液位傳感器，一般要求測量液體有均勻的濃度和單一界面（空氣 與液體分界面）。超聲波液位傳感器能測量多層液體界面，但要求液體濃度均勻，純淨度好， 並且在小距離測量中不便使用。除超聲波液位傳感器外，目前測量多界面的液位傳感器有： 磁致伸縮液位傳感器、分段電容式液位傳感器。這種傳感器存在幾個問題：傳感器與被測液 體接觸，容易受到腐蝕，且液體密度變化會帶來測量誤差，浮子沿著波導管外的護導管上下 移動，容易被卡死；結構上現有的分段電容式液位傳感器其測量電路大多採用複雜的模擬 技術，如變壓器電橋式、運算放大器式及脈寬式等，可靠性不高、抗幹擾能力弱，智能化程度 不高，與主控制器通訊不方便。
[0006] 上述論述內容目的在於向讀者介紹可能與下面將被描述和/或主張的本實用新 型的各個方面相關的技術的各個方面，相信該論述內容有助於為讀者提供背景信息，以有 利於更好地理解本實用新型的各個方面，因此，應了解是以這個角度來閱讀這些論述，而不 是承認現有技術。 實用新型內容
[0007] 本實用新型的目的在於避免現有技術中的不足而提供一種高精度智能多界面液 位傳感器檢測系統，其液位探測精度高，不僅能對單一界面液位進行準確測量，而且還能實 現對兩個或兩個以上多界面液位的準確測量。
[0008] 本實用新型的目的通過以下技術方案實現：
[0009] 提供一種高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，包括電源模塊、MCU、與MCU相 連接的正弦波發生模塊、與MCU和正弦波發生模塊相連接的多路模擬開關模塊、與多路模 擬開關模塊相連接的分段式電容接口，所述MCU和多路模擬開關模塊之間分別連接有漏電 阻測量模塊和相位差檢測模塊；所述分段式電容接口接有雙電極電容傳感器，所述雙電極 電容傳感器由絕緣板1、對稱纏繞在絕緣板1上的對稱電極2,對稱電極2的端部通過電極 3與分段式電容接口連接。
[0010] 其中，還包括與MCU連接的溫度傳感18B20模塊、串行通信接口模塊、人機接口模 塊。
[0011] 其中，所述多路模擬開關模塊是集成的多路模擬開關模塊晶片CD4051。
[0012] 其中，所述MCU為ATmegal6單片機，集成8路10位的A/D轉換器和一個模擬比較 器。
[0013] 其中，所述正弦波發生模塊採用單片機與D/A轉換器產生正弦波，所述D/A轉換器 是 DAC0832。
[0014] 本實用新型的有益效果：由於採用了上述的結構，本實用新型的雙電極電容傳感 器根據電極板間不同介質介電常數不同，從而在電容器中表現出不同電容的原理，結合現 代微控制器技術，將不同的電容信號送到單片機上，在單片機內部獲取、計算後獲得每組極 板間的電容值，由於電容值的大小與其極板間所填充的物質相關，從而獲得不同介質的液 位高度。本實用新型不僅能對單一界面液位進行準確測量，而且還能實現對兩個或兩個以 上多界面液位的準確測量，測量精度小於5mm，並具有較強的數據處理、實時自診斷、友好的 人機互動和通訊方便等能力，配以遠程傳輸模塊，還可以實現無線採集系統的功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 利用附圖對本實用新型作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本實用新型的 任何限制，對於本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附 圖獲得其它的附圖。
[0016] 圖1是高精度智能多界面液位傳感器檢測系統的組成框圖。
[0017] 圖2是雙電極電容傳感器的結構圖。
[0018] 圖3是多路模擬開關模塊的電路圖。
[0019] 圖4是MCU採用Atmegal6單片機的接口圖。
[0020]圖5是正弦波發生模塊的電路圖。
[0021] 圖6是正弦波發生程序的流程圖。
[0022] 圖7是漏電阻測量模塊的電路圖。
[0023] 圖8是相位差檢測模塊的電路圖。
[0024] 圖9是相位差檢測程序流程圖。
[0025] 圖10為相位式電容檢測原理示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 為了使本領域的技術人員更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合附圖和具 體實施例對本實用新型作進一步詳細的描述，需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請的 實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0027] 如圖1所示，本實用新型所述的高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，包括電 源模塊、MCU、與MCU相連接的正弦波發生模塊、與MCU和正弦波發生模塊相連接的多路模擬 開關模塊、與多路模擬開關模塊相連接的分段式電容接口，還包括與MCU連接的溫度傳感 18B20模塊、串行通信接口模塊、人機接口模塊。所述MCU和多路模擬開關模塊之間分別連 接有漏電阻測量模塊和相位差檢測模塊；所述分段式電容接口接有雙電極電容傳感器，所 述MCU控制多路模擬開關模塊將分段式電容中各段電容的連接端通過一充電電阻連接到 正弦波發生電路，輸出端分別連接到漏電阻測量模塊和相位差檢測模塊。
[0028] 如圖2所示，所述雙電極電容傳感器由絕緣板1、對稱纏繞在絕緣板1上的對稱電 極2，該絕緣板長為IOOmm寬為60mm，對稱電極2的端部通過電極3與分段式電容接口連接。 對稱電極之間插入不同液體中後即表現出不同容值，這個容值通過電極送入多路模擬開關 模塊。具體的，將這些電容傳感器堆疊後用絕緣棒固定為一組，插入被測液體中，每個傳感 器的電極接入多路模擬開關模塊中，通過A/D轉換器送入MCU。
[0029] 如圖3所示，本系統中的多路模擬開關模塊採用晶片⑶4051。⑶4051是數字控制 的8路模擬開關，它具有很低的導通阻抗和關閉漏電流。假如將它的VDD引腳接+5V，VEE 引腳接-5V，VSS引腳接地，那麼導通時⑶4051就能通過範圍為-5V?+5V的模擬電壓。所 以，以CD4051作為多路模擬開關模塊，可以滿足本系統的需要。
[0030] 如圖4所示，所述MCU(微控制器）為ATmegal6單片機，內部集成了 8路10位的 A/D轉換器和一個模擬比較器，對於本傳感器系統來說，既節省了空間，又節省了成本。而且 單片機內部集成的模塊，軟、硬體開發起來也十分方便。
[0031] 如圖5所示，所述正弦波發生模塊採用單片機與D/A轉換器產生正弦波，所述D/A 轉換器是DAC0832,它的主要特點有：8位並口輸入的D/A轉換器；雙緩衝、單緩衝或直通的 數位訊號輸入形式；兼容多種微控制器的接口；電流型輸出，電流的建立時間為Ius ;由於 是電流型輸出，必須藉助於運算放大器將電流信號轉換為相應的電壓信號。以一定的頻率 對正弦函數進行採樣，將採樣得到的點轉化為對應的數字量，再以一定的頻率將這些點送 至D/A轉換器中，就完成了正弦波的發生。程序的流程圖如圖6所示。
[0032] 如圖7所示，所述漏電阻測量模塊用於並聯模型中漏電阻的測量，以提高精度。可 以採用加直流電壓的辦法。將直流電壓加到充電電阻和被測電容上，利用A/D轉換器測量 電容兩端電壓，就可以根據簡單的電阻串聯規律，計算出漏電阻的大小。
[0033] 圖3中CD4051多路模擬開關模塊中的0-7腳接電極3,就是把待測電容接入電路， 把正弦波接入標準電阻R後接到圖3_CD4051的OUT/IN端子上，多路開關的公共端是引腳 COMOUT/IN，將充電電阻接至該引腳。開關的多路通道是CHANNELIN/0UT0-7,將這8路通道 接到分段電容上，每個通道接一段電容。片選引腳是INH，當INH為"1"時，各通道均不接通。 通道選擇引腳是A，、B、C，按照CBA的順序排列，可以有8種選擇，對應著8個通道的導通。 比如說，CBA為"000"，則引腳C0M0UT/IN和通道0導通，如果CBA為"001"則引腳COMOUT/ IN和通道1導通，如此類推。所以說，控制CD4051多路模擬開關模塊晶片，只需要單片機的 4個引腳就可以了，這比用電磁繼電器來實現的多路開關要節省更多資源。
[0034] 系統選取的分段電容段數為8段，若是大於一片⑶4051提供的8段，那麼就涉及 到⑶4051多晶片擴展的問題。該晶片的設計已經充分考慮到這一點，它的擴展很方便，擴 展一片CD4051，單片機只要多拿出一個引腳來做擴展晶片的片選信號線就可以了，通道選 擇線A,、B、C可以通用。
[0035] 其實，可以把INH也看作是通道選擇線，單片機的一個引腳直接接到一個⑶4051 的INH引腳上，同時通過反相器接到另一個⑶4051的INH引腳上，這樣，就可以根據INH、 C、B、A的組合選擇通道了。
[0036] 但是需要注意的問題是，引入這樣一個多路模擬開關模塊，勢必要增加線路上的 分布電容，這一點不容忽視，在誤差分析時要充分的考慮。多路選擇模塊的程序比較簡單， 只需要選擇晶片和選擇通道兩個步驟就完成。
[0037] 然後將此電路與MCU連接。其中MCU的PAO、PA1、PA2分別接多路開關的C、B、A 口，作為選通信號。PA6接多路開關的片選引腳INH。PA3、PA4、PA5分別接獨立鍵盤keyl、 key2、key3。PA7是本設計中一個重要的引腳，與PB2、充電電阻、多路開關的公共接口相接， 並且會用到它的A/D轉換功能。PB0、PB1、PB5、PB6接7SEG-MPX4-CA的1、2、3、4,作為位選。 PB2接PA7，PB3接地，用來觸發模擬比較器中斷。PB4接一個led燈，只在調試時用到。PB7 接DAC0832的_引腳，作為寫使能信號。PC 口接DAC0832的數據輸入端DI0-DI7,傳送數 據。PD 口接7SEG-MPX4-CA，作為段選信號。AREF和AVCC接+5V電源。
[0038] 圖5中MCU為ATMegal6,是主控晶片，它的PC引腳接D/A轉換器DAC0832的數據 輸入端DI0-DI7。DAC0832有四個控制引腳，它們是片選腳CS、數字輸入量使能腳ILE、寫使 能WRl和WR2。將CS和WR2引腳直接接地，ILE引腳直接接到正5V電源上，只保留WRl作 為控制線。引腳Vref為參考電壓輸入端，接到正5V電源上。
[0039] DAC0832的輸出線有三條，Rfb為運算放大器反饋線，接到運算放大器的輸出端。 Ioutl和Iout2為兩條模擬電流輸出線。loutl+Iout2為一個常數：若輸入數字量全部為 " 1"，則Ioutl為最大，Iout2為最小；若輸入數字量全部為"0"，則Ioutl最小，lout2最大。 為了保證額定負載下輸出電流的線性度，Ioutl和Iout2引腳上的電位必須儘量接近地電 平，因此將此二腳接到運放的輸入端，將I〇ut2接地。在實際選取電阻RU R2和R3時要注 意的是，它們的選擇直接影響到產生波形的質量，應當選擇精度等級比較高的電阻。
[0040] 相位差的檢測方法是通過模擬比較器將正弦波轉換為方波，方波的相位差可以簡 單地通過中斷機制實現。ATmegaie集成了一個模擬比較器。模擬比較器對正極AINO的值 與負極AINl的值進行比較。當AINO上的電壓比負極AINl上的電壓要高時，模擬比較器的 輸出ACO即置位。比較器的輸出可用來觸發定時器/計數器1的輸入捕捉功能。此外，比 較器還可觸發自己專有的、獨立的中斷，中斷方式可以選擇上升沿、下降沿或者電平變化。
[0041] 模擬比較器的硬體連接只需把AINl引腳接地，AINO引腳接到多路選擇器的公共 端即可。相位差檢測模塊電路圖如圖8所示。
[0042] 相位差檢測的軟體流程圖如圖9所示。這段程序可以描述為：選定同一個起始點。 關閉多路開關不接待測電容，測量第一個下降沿到來的時刻to。打開多路開關接通第一個 待測電容，測量第一個下降沿到來的時刻t。兩個時間做差，就得到在第一個待測電容上的 波形延時時間。切換多路模擬開關模塊，依次對各段電容進行檢測。
[0043] 相位式電容檢測法的原理如圖10所示。Cx和Rx為待測電容和電容的漏電阻，電 阻R為充電電阻。在輸入端加一個正弦激勵電壓Ui，在輸出端得到響應電壓Uo,按照常識 我們知道，Uo也是一個正弦波，只是幅值和相位較Ui有所變化。相位式電容檢測法正是檢 測輸入和輸出兩個波形的差異來得到待測電容Cx的大小。
[0044] 得到了相位差和漏電阻，就可以計算出待測電容的值。但是，如果要應用到實際 中，利用本方法測量出的這個電容值並不是我們需要的準確的段電容值，其中還有一定的 誤差。
[0045] 實際的電容誤差主要包含兩個方面，首先是導線上的分布電容。在電路版上的分 布電容值十分小，可以忽略不計。但是，從多路開關連接到分段電容上導線都很長，這些導 線上產生的分布電容不可忽略，是分布電容的主要來源。
[0046] 電路中寄生電容的來源主要是充電電阻和多路模擬開關模塊，充電電阻上的寄生 電容與多路開關相比比較小。查閱多路模擬開關模塊CD4051的資料可知，它在每一路上產 生的寄生電容有6-7皮法之多，在測量一些介電常數比較小的液體的液位時，待測的電容 值甚至比這個寄生電容還要小。
[0047] 分析上述兩個主要的電容誤差可發現，這些電容都是與被測電容相併聯的。每次 測量，這些分布電容和寄生電容的值都是固定的，並且是簡單地疊加到待測電容上的，不會 造成測量結果的非線性。
[0048] 有了上述認識，那麼就可以通過如下方法來消除這些誤差：懸空多路模擬開關模 塊的一個通道，它的外面只連接導線，不連接待測電容。那麼在這一路通道上，除了沒有待 測電容之外，其他的電容誤差都被包含進去。對這一路的電容值進行檢測，就可以得到分布 電容和寄生電容的和，也就是總的誤差之和。各通道上測量得到的電容值，減去這一通道上 測量得到的誤差，就是實際的分段電容值。
[0049] 上面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型，但是，本實用新 型還可以採用其他不同於在此描述的其他方式來實施，因此，不能理解為對本實用新型保 護範圍的限制。
[0050] 總之，本實用新型雖然例舉了上述優選實施方式，但是應該說明，雖然本領域的技 術人員可以進行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本實用新型的範圍，否則 都應該包括在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，包括電源模塊、MCU、與MCU相連接的 正弦波發生模塊、與MCU和正弦波發生模塊相連接的多路模擬開關模塊、與多路模擬開關 模塊相連接的分段式電容接口，所述MCU和多路模擬開關模塊之間分別連接有漏電阻測量 模塊和相位差檢測模塊；其特徵在於；所述分段式電容接口接有雙電極電容傳感器，所述 雙電極電容傳感器由絕緣板（1)、對稱纏繞在絕緣板（1)上的對稱電極（2)，對稱電極（2) 的端部通過電極（3)與分段式電容接口連接。
2. 根據權利要求1所述的高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，其特徵在於：還包 括與MCU連接的溫度傳感18B20模塊、串行通信接口模塊、人機接口模塊。
3. 根據權利要求1所述的高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，其特徵在於：所述 多路板擬開關板塊是集成的多路板擬開關板塊巧片CD4051。
4. 根據權利要求1所述的高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，其特徵在於：所述 MCU為ATmegaie單片機，集成8路10位的A/D轉換器和一個模擬比較器。
5. 根據權利要求1所述的高精度智能多界面液位傳感器檢測系統，其特徵在於：所述 正弦波發生模塊採用單片機與D/A轉換器產生正弦波，所述D/A轉換器是DAC0832。
【文檔編號】G01F23/26GK204228233SQ201420694069
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】李一峰, 吳振陸, 樊海紅, 徐今強 申請人:廣東海洋大學