液位检测电路设计

1△pi△i△u引言液位测量技术是基于液位敏感元件在液位发生变化时,把能够表示液位变化且于检测的物理量变化值检测出来,再把这些物理量变化值采用相应的简便可靠的信号处理手段转换成能够用来显示的信号。液位测量的方法根据液位敏感元件的不同有很多种。电容式差压变送器因为结构简单、不需传动机构、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、使用维护方便,能在恶劣的环境下工作等特点,被广泛用于各种测量场合。差动结构的电容式变送器可以大大降低其非线性,提高其灵敏度,同时,还能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差,加上其良好的稳定性和极好的抗过载性等特点,得到了极为广泛的应用。本文采用差动结构的电容式变送器作为液位测量的检测元件,来实现电路的主要性能指标为：基本误差为±0.5%；负载电阻为0~600欧姆[在24V(DC)供电时]和0~1650欧姆[在45V(DC)供电时]；电源电压为12~45V(DC)，一般为24V(DC)。液位检测原理构成图液位电容式差压计液位压差转换输出电路输出限幅电路2第一章液位—压差转换单元随着科学技术与生产的迅速发展，液位检测领域出现了种类多样的测量手段，并且其功能越来越完善，各项性能指标越来越适用工业生产的要求。根据这次设计原理首先要将液位信号转化成压差的变化，这也就是本单元所要实现的功能，它是由平衡容器、压力信号导管及差压计三部分组成。1.1液位一差压转换原理简介差压式水位计准确测量汽包水位的关键在干水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器来实现的。图1-1所示为一种常用的双室平衡容器，汽包的汽侧连通管与宽容室（也称正压室）相接；汽包的水侧连通管直接与窄容室（也称负压室）相接。正压头从宽容室中引出，负压头从窄容室中引出。宽容室的水位高度为定值，当水位升高时，水经汽侧连通管溢流至汽包，但水位下降时，由蒸汽冷凝来补充，当宽容室中水的密度一定时，正压头为定值。负压头中输出压头的变化代表了水位H的变化。因此，由正负两个导压管得到的差压信号p为图1-1双室平衡容器（1-1）式中H——汽包中的水位高度；1——正压室中水的密度；'''、——汽包压力下饱和水、饱和蒸汽的密度；L——汽侧、水侧连通管距离。由式（1-1）可知，平衡容器结构确定后pL为己知常数，在汽包压力维持恒定的条件下，正、负导压管的差压输出伽与汽包水位日呈单值函数关系。因此，若接差压计或差压变送器，就可根据所测出的差压数值知道相应的水位值。由式（1-1）gHgLgHLgHLppp)()(])(['''''1'''13还可以看出，水位越高，差压越小，两者之间成反比关系。1.2液位一压差转换器的改进改进后的平衡容器结构如图1-2所示，它可以保证在正常水位时，水位指示基本不随汽包压力变化。当汽包水位发生变化时，为使正压管中的水位保持恒定，增大了正压容室的截面积，使其直径大干100mm，同时，在其L面装有一凝结水漏盘，使凝结水不断流入正压室，正压室中多余的水不断溢出，通过蒸汽加热的方法使正压室中的水温等干饱和温度。蒸汽凝结水由泄水管流入下降管，负压管直接从汽包水侧引出。为确保压力引出管的垂直部分水的密度巳等干环境温度下水的密度，压力引出管的水平距离必须大干800mm。在正常水位时，平衡容器的输出差压为gHglgLgHLgHglglLppp)()()(])([])[('''0'1'''''0'0'110（1-2）图1-2改进后的平衡容器图示当水位偏离正常水位H（)0HHH时，输出差压gHpp)('''0。在设计平衡容器时，如果能确定恰当的三和z值，使汽包压力从很小值（例如0．5MPa）变至额定工作压力时，正常水位下平衡容器输出的差压不变，那么就可消除差压式水位计的零位漂移。根据式（1-3），当汽包压力为0．5MPa时，零水位差压输出为gHLgHglglLp''50'50'515.0)()(（1-3）在额定工作压力下，零水位差压输出为（1-4）gHlgHglglLpeeee''0'0'10)()(4令1'03622'022'03622211'0)(VZPPPPVZaURRRRRRRRRUU，则有gHLgHglglLgHLgHglglLeee''0'0'1''50'50'51)()()()(（1-5）gLglglLp''5'51max)(（1-6）连立解式（1-5）和式（1-6）得gggHPLs)()())(1(''511'5''''1'''0max（1-7）'''00)(HLHl（1-8）'5''''5'''',ee求得L和f的值后，即可以用差压一水位关系式（1-2）来分度差压水位计。此种改进后的平衡容器，可以使正常水位下的差压受汽包压力变化的影响大大减小。但当水位偏离正常值时，输出还将受汽包压力变化的影响。与改进前的平衡容器相比，改进后的差压式水位什的准确度有很大的提高。1.3汽包水位信号的压力校验目前常采用对差压信号引进密度校正的方法消除汽包压力对测量的影响，使差压水位计在启停炉的全过程中有比较准确的指示。由图1-22可知，饱和水和饱和蒸汽的密度与压力成单值函数关系，如果利用函数发生器汽包压力的函数关系和''pp，将其输出与差压信号进行校正运算，可消除由干汽包压力偏离额定值所带来的误差。由式（1-1）可得双室平衡容器的修正公式如下：)()(''1''1gpgLH（1-9）式（1-9）中p——平衡容器输出差压值5第二章电容式差压变送器差压变送器是将液体、气体或整齐的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一的标准信号，作为只是记录仪、控制器或计算机装置的输入信号，一实现对上述变量的显示，记录或自动控制。在第一章中已经将液位信号转换成压差信号，本章介绍通过电容式差压变送器把压差信号转化成电流信号。2.1电容式差压变送器的简介电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器。它采用差动电容作为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。因此仪表结构简单，性能稳定、可靠，且具有较高的精度。变送器包括测量部件和转换放大电路两部分，其构成方框如图2-1所示。输入差压△pi作用于测量部件的感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。此电容变化量由电容－电流转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大得到整机的输出电流0I。图2-1电容式差压变送器构成方框图变送器的主要性能指标：基本误差有土0.25％，土0.35％和士0.5％三种，负载电阻为0～600欧［在24V(DC）供电时］利0～1650欧［在45V(DC）供电时］，电源电压为12～45V（DC），一般为24V（DC）。2.2测量部件62.2.1测量部件的构成测量部件的作用是把被测差压△pi转换成电容量的变化。它由正、负压测量室和差动电容检测元件（膜盒）等部分组成，其结构如图2-2所示。差动电容检测元件包括中心感压膜片11（即可动电极），正、负压侧弧形电极12、10（即固定电极），电极引线1、2．3，正、负压侧隔离膜片14、8和基座13、9等。图2-2测量部件结构1,2,3一电极引线；4一差动电容膜合座；5一差动电容膜盒；6一负压侧导压口；7一硅油；8一负压侧隔离膜片；9一负压室基座；10一负压侧弧形电极；11一中心感压膜片；12—正压侧弧形电极；13一正压室基座；14一正压侧隔离膜片；15一正压侧导压口；16一放气排液螺钉；17—O型密封环；18一插头2.2.2测量部件的工作原理在检测元件的空腔内充有硅油，用以传递压力。感压膜片和其两边的正、负压侧弧形电极形成电容Ci1和Ci2。无差压输入时，Ci1=Ci2。其电容量约为150--170pF。当被侧差压△Pi通过正、负压侧导压口引入正、负压室，作用于正、负压侧隔离膜片L时，迫使硅油向右移动，将压力传送到中心感压膜片的两侧，使膜片向右产生微小位移△s，如图2-3所示。输入差压△Pi与中心感压膜片位移△S的关系可表示为ipKs1（2-1）7式（2-1）中，1K为由膜片材料特性和结构变量所确定的系数。设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为s1和s2。当被测差压△Pi=0时，感压膜片与两边固定电极之间的距离相等。设其间距为0s，则021sss。当有差压输入，即0ip。如上所述，感压膜片产生位移△s。此时有ssssss0201和（2-2）若不考虑边缘电场的影响，感压膜片与其两边固定电极构成的电容1iC和2iC。，可近似地看成是平板电容器。其电容量分别为ssAsACi011（2-3）和ssAsACi022（2-4）式(2-4)中——极板间介质的介电常数；A——固定极板的面积。两电容之差为ssssACCCii001211（2-5）图2-3电容变化示意图可见两电容的差值与感压膜片的位移s成非线性关系。但若取两电容之差与两电容之和的比值，则有（2-6）其中sKssssssAssssACCCCiiii200000121211118021sK应当指出，在上述讨论中，井没有考虑到分布电容的影响。事实上．由子分布电容的存在，差动电容的相对变化值变为01212010201022CCCCCCCCCCCCCiiiiiiii（2-7）可见分布电容的存在将会给变送器带来非线性误差。为了保证仪表精度，应在转换电路中加以克服。2.3转换放大电路介绍转换放大电路的作用是将上述差动电容的相对变化值转换成标推的电流输出信号。此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。其原理框图如图2-4所示。该电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分。它们分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路（负反馈电路）、功放与输出限制电路等组成。差动电容器21,iiCC由振荡器供电．经解调（即相敏整流）后，输出两组电流信号：一组为差动信号；另一组为共模信号。图2-4转换放大电路原理框图差动信号随输入差压ip而变化，此信号与调零及调量程信号（即反馈信号）叠加后送入运算放大器3IC，再经功放和限流得到4~20mA的输出电流。共模信号与基准电压进行比较，其差值经1IC放大后，作为振荡器的供电，通过负反馈使共模信号保持不变。下面的分析将证实，当共模信昙为常数时，能保证差动信号与输入差压之间成单一的比例关系。92.3.1电容－电流转换电路电容－电流转换电路的功能是将差动电容的相对变化值成比例地*转换为差动电流信号（即电流变化值）。(1)振荡器介绍振荡器用来向差动电容21,iiCC提供高频电流，它由晶体管1VT、变压器1T及一些电阻、电容组成。振荡器电路图2.5所示。由图2.5可知，这是一种变压器反馈型振荡电路。在电路设计时，只要适当选择电路元件的变量，便可满足振荡条件。图2-5振荡器图2-6解调器控制电路振荡器由放大器1IC的输出电压1oU供电，从而使1IC能控制振荡器的输出幅度。振荡器的三个输出绕组，图中画成一个，其等效电感为L。输出绕组的等效负载为电容C，它的大小取决于变送器的差动电容值。电感L和电容C组成了井联谐振电路，其谐振频率也就是该振荡器的工作频率，其值约为32kHz。由于差动电容随输入差压而变，因此该振荡器的率也是可变的。(2)解调和振荡控制电路这部分电路包括解调器莉振荡控制放大器。前者主要由二极管81~VDVD构成．后者即为集成运算放大器1IC。电路原理如图2.6所示。图2.6中，iR为并在电容11C两端