基于电容式脉冲测水位传感器

摘要I摘要电容式脉冲测水位传感器利用开关电容传感器将水位参量直接转换成具有与其相应宽度的脉冲，并通过调零网络后输入到74LS393所组成的串码/并码变换电路后转换为12位并码输入到89S52单片机中，通过单片机的数据采集、数字滤波数和据处理后在LED数码管显示出来．系统中还设有两个扩展输出接口，一个是4—20mA标准模拟远传信号，另一个为485通讯接口。此外，系统可在量程内连续设定高低水位超限的界定值，并有相应的报警输出。本设计采用开关电容传感器。它具有结构合理、响应快、稳定可靠、使用范围广泛等突出特点，可进行各种导电介质液位的在线实时监测。关键词：水位监控开关电容式传感器单片机测量电路目录II目录摘要.....................................................................................................I前言...................................................................................................III1.国内外研究现状及发展趋势.......................................................-1-1.2发展趋势................................................................................-2-2.电容式传感器..............................................................................-3-2.1电容式传感器工作原理.........................................................-3-2.2电容传感器结构设计.............................................................-4-2.3电容传感器特点....................................................................-5-3.电容式脉冲测水位传感器设计与实现.....................................-7-3.1系统结构设计........................................................................-7-3.2测控电路实施方案................................................................-8-3.2.1系统硬件及工作原理.......................................................-9-3.2.2系统软件及工作原理.....................................................-11-4.电容式脉冲测水位传感器技术指标与特点............................-12-结论..............................................................................................-14-参考文献......................................................................................-15-前言III前言我国水资源严重短缺同时又存在严重浪费现象，两方面因素制约了国民经济的可持续发展，使社会经济建设受到巨大挑战。提高生产、生活用水水价以及对大型工、矿企业强制安装中水处理设备，都是国家不得已而为之的重大节水举措，然而由于变送器在水位控制系统中普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位变送器的故障频发，使监控设施失控，形成跑、冒水现象，进一步加剧了宝贵水资源的大量浪费，仅水资源浪费一项每年就占到全国用水量的40%以上，新型自动水位测控系统的设计研制工作正是在这一契机下应运而生的。传感、变送系统的稳定性、可靠性、精确度、抗温度扰动、抗噪音干扰、防爆性能等问题一直是伴随自控技术发展的研究课题，变送器（transmitter）是一个输出标准信号的传感器，各检测现场所配备的变送器的共同特点是：（１）水位变送器是监控系统中用量最多、品种最杂、安装施工及耗材耗资最大且要求最为严格而苛刻的设备。（２）在监控系统的日常运行中，水位变送器是故障最多、失效率和损坏率最高、维修频率最大的设备。这不仅使繁杂而庞大的传感变送系统占用了自控系统的大部分资金，带来了沉重而昂贵的维修负担，更为严峻的是在传感变送系统中的传感变送信息，在信息的生成、量化及传输过程中所受到的各种杂波、噪声的干扰，寄生电容以及电源电压波动的干扰，有些干扰甚至直接导致传感变送系统瘫痪，成为整个自控系统的致命问题。基于以上在水位测量过程中传感、变送系统所表现出的种种弊端，本系统设计重点是在传感变送系统中彻底抛弃变送器，免除电源，剔除模拟量，实现数字化自动测控系统，解决模拟量远距离传输所带来的可靠性、安全性、精确度、零点漂移以及各种杂波、温度、寄生电容和电源电压等形成的干扰，进而有效地提高自控系统的稳定性和可靠性。传感器原理及工程应用论文-1-1.国内外研究现状及发展趋势1.1国内外研究现状水位的实时测量与自动控制在生产和生活实践中起着举足轻重的作用，国内和国际上早已形成了许多水位测量的传统方法，而且根据应用场合和要求不同，传感器的各项技术指标也有较大差别。目前，根据国内外的水位测量方法以及原理大致可分为如下四种类型：1.非接触法：超声波、声学、电容接近式、射频和微波法、核辐射法；2.插入探头法：包括尖端敏感型、电容型、倾斜式；3.流体静压头压力检测；如应变计和电容压力传感器；4.机械法：浮子法、平衡浮子法和称重法。近几年来，随着材料工艺技术和微电子技术的快速发展，水位测量也出现了很多新方法，例如磁致伸缩法、光纤光学法等等。各种传统水位传感器在结构、精度等方面存在较大差别，但大都采用了以标准模拟量作为远程信息传输的变送器结构，如图1-1所示，这就要求检测现场必须安装一个将实时水位信息转化为4~20mA或0~5V模拟信息装置（变送器），通过信号电缆进行远传，输送给操作台的显示单元或计算机终端进行水位控制，然而这种结构本身却存在着如下所述的诸多弊端：传感器将连续变化的水位参量（非电）转换成相应的电参量变送单元将电参量转换成（4~20mA等）标准（模拟）信号电源~220V图１－１信息体系结构变送器软启动水泵机组远传4~20mA电流信号的电缆与标准信号兼容的显示单元或计算机监控终端前向通道的相应接口终端监控传感器原理及工程应用论文-2-(1)存在较多故障隐患模拟量的远程传送方式普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，造成水位变送器的故障频发，使监控设施失控，工作的安全性和稳定性较差。(2)增加系统运行成本由于需要对信号进行现场的调理和传送，因此，变送器方式的现场电路比较复杂，成本较高，如果需要改用数字通信方式传送信息，则会增加电路复杂程度，进一步提高成本。(3)适用范围的局限性采用探头的传感器，传感器导线线束在水中长期浸泡，传感器的微孔被水中杂质堵塞，易造成水位失控；精度较高的非接触传感器，造价相对昂贵，不适于广泛采用；机械式传感器由于具有活动机械部件，长期工作的可靠性较差。此外，这种采用传感器—变送器—（包括计算机在内的）监控终端所组成的开环或闭环系统，在以模拟信息进行远传的模式下，由最前端的模拟通道所引发的温漂、零漂和外界杂波干扰所带来的各种扰动一直是很难彻底根除的自动控制系统的瓶颈问题。1.2发展趋势纵观国内外水位传感器的长远发展趋势和经济社会发展的需要，水位传感器的发展越来越呈现出如下一些趋势特征：提高工作的安全性，稳定性和可靠性，降低故障率，降低日常维护费用；进一步提高精度要求；输出信号数字化，并采用标准的数字传送接口协议，便于传送和处理；在满足性能要求的同时，必须进一步降低成本，以便更利于推广使用。传感器的作用主要是获取信息，它是信息技术的源头。在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便和系统联接。传感监测系统越来越向着微型化、集成化、数字化、智能化方向发展。传感器原理及工程应用论文-3-2.电容式传感器2.1电容式传感器工作原理电容传感器的外观为一根固定不动的ø50mm圆柱型结构，其内装的聚氟导线束的芯线为一个电极，而插入水底的一根金属裸铜线为另一电极，当把两个电极垂直置于水中时，作为导体的水将聚氟绝缘层无孔不入地团团包围在绝缘层外侧，形成一个同轴可变电容器，如图2-7所示，芯线电极直径为d，绝缘层均匀地套在圆柱型金属芯线电极外面，电容器两个电极之间的介电常数为ε的绝缘介质，其外径为D，导电液体的电极引出端为裸铜线。显然，当液位上升时，由于两个电极覆盖面积增大，可变电容器的电容量就随着液位升高成比例增大；反之，电容量就减小。在液位最高时，传感器电容量达到最大值，电容量C与H定量关系式为：错误!未找到引用源。（2-2）式中C为电容量；ε为聚氟导线绝缘层的介电常数；H为液位高度；D为聚氟导线外径；d为聚氟导线内径。由（2-2）得：错误!未找到引用源。（2-3）当D、d、ε为常数时，由公式（2-2）得：错误!未找到引用源。(错误!未找到引用源。)(2-4)这样就建立H与C之间的数学模型。显然H与C的关系式证明了电容量图2-1电容式传感器原理传感器原理及工程应用论文-4-是以水位高度的实时变化为自变量的单调线性函数。2.2电容传感器结构设计开关电容传感器是水位控制的核心部件，传感器性能的好坏直接关系到系统性能的优劣，所以传感器结构的研制和设计是水位检测技术中最为关键的部分。电容传感器的结构可因被测对象不同而具有不同形式，但都是将液位的高度变化转换为电容量变化，我们以检测水位为例：经过多次实验分别对电极绝缘层厚度情况和绝缘情况以及导电液体导电情况进行了对比性研究，发现绝缘品质、抗酸碱腐蚀及耐温等性能越好的涂层介质，其稳定性越好，测量越准确，如用高压绝缘胶作绝缘介质较用普通绝缘胶的效果要好，电极涂层介质层越薄，其灵敏度越高，但介质层太薄时，厚度不均匀性及杂质吸附的影响很大；实验结果与所用液体的电导率也有重要关系，导电好的液体，测量结果越稳定，测量也越准确，且线性度越好。同时在实验中发现这样一个问题：由于传感器主体绝缘导线的绝缘层长期不问断地以特定频率充放电，在此过程中形成的静电效应对液体中的各种杂质及矿物质的吸附、沉积，致使绝缘层变厚，导致传感器灵敏度下降，这是值得关注的致命问题。一般传感器导线线束由于在液体中长期浸泡，传感器的微孔被液体杂质所堵塞，造成液位失控。经过多次筛选绝缘导线，在传感器中应用的新型导线经反复实验，其绝缘层“水锈”堆积几乎为零，这种耐高温、抗酸碱的无毒导线构成了水位控制系统中的一种无微孔结构传感器的关键材料。另外通过实验方法对聚氟导线在0℃~100℃温域内检测导线电容量变化，发现所选用聚氟导线电容温度梯度ΔC/Δt=0，故不必担心水位检测温漂问题。聚氟导线工作温度在-60℃~-250℃之间，这种既耐严寒又耐高温的无微孔结构传感器在拓宽应用范围上有十分重要的意义，尤其在我国东北和大西北地区的野外现场作业和石油、化工生产线上更具有重要作用。通过实际测量，单根聚氟导线电容量分