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基于远地电容传感器的液位测量系统

Ferran Reverter ^a,b, , Xiujun Li ^b, Gerard C.M. Meijer ^b

1. Castelldefels School of Technology (EPSC), Technical University of Catalonia (UPC), Avda. Canal Olimpic s/n, 08860 Castelldefels, Barcelona, Spain ^b Electronic Instrumentation Laboratory, Delft University of Technology (TU Delft), Mekelweg 4, 2628 CD Delft, The Netherlands

Received 7 November 2006; received in revised form 21 March 2007; accepted 10 April 2007

Available online 19 April 2007

摘要

本文介绍了一种基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计与实现。电容式传感器的电极由可负担得起的材料制成：不锈钢棒和聚四氟乙烯绝缘线。该接口电路依赖于一个简单的弛豫振荡器和一个微控制器。具有主动屏蔽的电缆将传感器与接口电路互连。考虑了互连电缆和传感器的寄生成分，分析了有源屏蔽电路的稳定性。通过测量接地金属容器中的自来水水平，对该系统进行了实验测试。在70 cm的水平范围内，当测量时间为20 ms时，系统的非线性误差小于0.35mm，分辨率优于0.10mm。2007年Elsevier B.V.版权所有。

关键词：液位测量；电容传感器；主动屏蔽；弛豫振荡器；单片机。

1. 介绍

河流、水库或容器中的液位可以通过测量浸入液体中的两个电极之间的电容来测量[1]。使用电容传感器进行液位测量具有以下优点：成本低(即传感器可以用可负担得起的技术制造)、低功耗、高线性度和易于根据应用程序的几何形状进行调整。

电容式液位传感器的工作原理取决于液体的类型[2,3]，对于导电液体，两个传感器电极中的至少一个必须绝缘以避免短路。在液-气界面之下，液体表现为导体，因此，电容的介电只是电极绝缘。在液-气界面之上，介质是电极与电极之间的空气一起绝缘，从而产生较小的电容。另一方面，对于不导电的LQ-UID，电极不需要绝缘. 在液-气界面之下，介质是液体(其介电常数高于空气)，而在界面之上的是空气。对于两种类型的液体，随着液位的增加，液气界面下电极的面积也会增加，因此电容也会增加。

电容传感器可分为两类[4]：浮动电容传感器(即两个电极都不接地的传感器)和接地电容传感器(即两个电极中的一个接地的传感器)。前者更可取，因为它们可以被固有地不受杂散电容[4,5]影响的接口电路读取。然而，由于浮动电容传感器的安全原因和/或操作限制，在某些应用中仍然需要接地电容传感器，例如：接地金属容器中导电液体的液位测量[1,6-9]。参考文献[6]报告的非线性误差为0.6毫米(0.1%)，在60厘米的测量范围内，分辨率为0.1毫米。另一方面，文献[7]在70 cm左右的测量范围内，非线性误差为1%，分辨率为1mm。

在许多工业应用中，传感器远离其电子设备，例如：油罐底部的水位测量[8]。在这种情况下，为了减少外部噪声/干扰的影响，传感器使用屏蔽电缆连接到接口电路。对于接地式无源传感器，一般的无源屏蔽(即与地面相连的屏蔽)是不合适的，因为电缆的寄生电容可能远大于传感器的寄生电容，且取决于环境条件，因此电缆的寄生电容将与传感器并联。为了减少这种标准电容的影响，接地电容传感器通常使用有源屏蔽技术连接到接口电路[4,5]，这种技术依赖于连续采样电缆内部导体的电位，并通过放大器将其应用到屏蔽电路中。令人遗憾的是，当采用这种技术时，电缆的寄生元件会造成“电子”不稳定和不准确[10]。传感器的寄生元件(可在大型传感器中起重要作用，如本文提出的液位传感器)对有源屏蔽电路的性能也起着重要作用，但它们的影响尚未得到分析。

本文介绍了一种基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计与实现。详细分析了寄生元件(互连电缆和传感器)对有源屏蔽电路的影响。通过测量接地金属容器中导电液体(自来水)的水平，对该系统进行了实验测试。

2.传感器

2.1传感器原型图

图1.金属容器内容性液位传感器的原型

图1显示了设计的传感器原型的图片。该传感器约一米高，有两个电极，其中一个是绝缘的，可以测量导电液体。非绝缘电极是一种不锈钢棒，在操作条件下将与系统接地连接。该绝缘电极为聚四氟乙烯绝缘导线，其标称内径和外径分别为1mm和1.5mm。

由于传感器电容直接取决于绝缘层的厚度和介电常数，所以必须使用一种材料，如聚四氟乙烯(俗称“聚四氟乙烯”)，它具有温度稳定、无孔、不粘和耐腐蚀的特点。这根电线是U形的，所以两端都出了水.这种结构避免了线头之一的密封问题，此外，它还使传感器电容增加了一倍[6]。根据初步的实验测试，由于线性和迟滞明显恶化，不宜使用扭曲线作为绝缘电极，这是因为水更容易以一种难以预测的方式附着在电线上。在传感器的顶部，有一块硬质塑料，用来设定电线的张力。

2.2.理想电容传感器

在测量导电液体的水平时，整个传感器的电容实际上等于气液界面下电极之间的电容。这种电容表示同轴电极的结构，即一个电极是导线导体，另一个电极是绕线绝缘的导电液体。因此，理想情况下，可以从[1]估计电容的值：

（1）

当ε0为真空电介电常数(=8.8542times;10minus;12F/m)时，εr为导线绝缘的相对介电常数， 和 分别为导线的内径和外径，h为液位。两个中的第一个因素考虑到电线是以U形设置的，在第一近似下，这种形状使电容加倍。从 (1)中对于εr=2.04，=1mm， =1.5mm，灵敏度为 。

2.3.电路模型

图2a给出了电容液位传感器的电路模型.电容Cx是(1)描述的理想传感器电容，Rw和Cw分别是液体[2，11]的电阻和电容，Ls是电流环沿传感器的电感。假设传感器的激励信号频率足够高(20 kHz以上)，可以忽略极化阻抗[12]的影响。

图2.(a)容性液位传感器的电路模型.(b)简化低频电路模型.(c简化高频电路模型

图3.电容式液位传感器的特性分析结果

当液体导电，激振信号的频率不高(例如，几十到几百千赫兹)时，Rw的影响占主导地位，而Ls的影响可以忽略不计。这将电路模型简化为图中所示的电路模型2b，它更类似于理想的性能(即它只受Rw的影响)。因此，用作接口电路(3.2部分)的振荡器将在这样的频率范围内工作。另一方面，在高频时，Cw的影响占主导地位，因此，简化的电路模型如图2c所示。该“高频”电路模型将用于分析有源屏蔽电路的稳定性(第四节)。

2.4. 传感器特性

采用阻抗分析仪(Agilent 4294A)在20 kHz~15 MHz的频率范围内测量了所设计的传感器样机的阻抗。然后，利用测试结果提取出图中所示电路模型的参数图2a。图3显示了不同级别自来水的水质特征化结果。电容Cx随电平线性增加，如(1)所期望的那样。传感器的灵敏度为0.47pF/mm，与2.2节的估计值相当接近。电阻Rw随电平下降而减小，而电容Cw则呈线性增加，这也是预期的[11]。最后，电感Ls随电平线性减小，这是因为电流环的面积减少了。

3. 接口电路

图4给出了为接地电容液位传感器设计的接口电路.主要模块是：

(1)模拟复用器，它选择要测量的电容；

(2)弛豫振荡器，执行电容到周期转换；

(3)微控制器，执行周期-数字转换。

通过应用三信号技术[13]，接口电路被自动校准为相加(偏移)和/或乘法(增益)误差(例如，由于温度或电源电压的变化)。该技术涉及三种方法：

(1)传感器测量，

(2)基准测量，

(3)偏移测量。

所使用的基准是大约是传感器电容最大值的330 pF的NPO陶瓷电容器(Cref)(图3)偏移用电容塞表示，它是(接口Cir-cuit，而不是传感器)到地面的总杂散电容。这种偏移电容会影响三种测量方法。

图 4. 为接地电容液位传感器设计的接口电路

3.1. 多路复用器

多路复用器，具有三个开关的二对一(MAX 4560)，选择哪个电容连接到振荡器。对于每个测量，相应的开关位于位置A(即连接到振荡器)，而另两个开关位于位置B(即连接到地面)。例如，对于传感器测量，开关S1位于位置A，而S2和S3都位于位置B。表1总结了三种测量方法中与振荡器连接的等效电容的值。

表1.

三信号技术所涉及的三种测量方法中的每一项的电容、周期和数字

3.2. 弛豫振荡器

一种简单的弛豫振荡器(图5)。转换接地电容C它表示由图4中的多路复用器选择的三种电容之一)。变成周期调制信号[14，15]。这种振荡器依赖于作为施密特触发器的RC电路(由电阻器Rc和电容C形成)和比较器(TLV 3501)。图5b显示输出电压(Vo)和跨C(Vc)电压的波形。输出信号的周期T等于[14]：

（2）

它与C成正比，施密特触发器比较器的阈值电压( 和 )等于：

（3）

（4）

选择R1=R2=R3(=10kΩ),使VTL=VDD/3，VTH=2VDD/3，T=RcCln 4。充电电阻为RC=100 kΩ，根据图3中Cx的值和2式使电路在21 kHz~360 kH

资料编号：[5047]