液位检测电路设计

PAGEPAGE\*MERGEFORMAT1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)。△u△i△pi液位输出限幅电路输出电路电容式差压计液位压差转换液位检测原理构成图PAGE20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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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为图1-1双室平衡容器（1-1）式中——汽包中的水位高度；——正压室中水的密度；——汽包压力下饱和水、饱和蒸汽的密度；——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）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（1-2）图1-2改进后的平衡容器图示当水位偏离正常水位（时，输出差压。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（1-3）在额定工作压力下，零水位差压输出为（1-4）令，则有（1-5）（1-6）连立解式（1-5）和式（1-6）得（1-7）（1-8）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，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：（1-9）式（1-9）中——平衡容器输出差压值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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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。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2.2.1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（2-1）式（2-1）中，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，则。当有差压输入，即。如上所述，感压膜片产生位移△s。此时有（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和。，可近似地看成是平板电容器。其电容量分别为（2-3）和（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（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（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，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。2.3.1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提供高频电流，它由晶体管、变压器及一些电阻、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的输出电压供电，从而使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。前者主要由二极管构成．后者即为集成运算放大器。电路原理如图2.6所示。图2.6中，为并在电容两端的等效电阻。是运算放大器的输出电压、由电路总图2.10可知．此电压是稳定不变的，它作为输入端的基准电压源。的输出电压作为振荡器的电源电压。变压器的三个绕组分别与一些二极管和差动电容串接在电路中。由于差动电容器的容量根小．其值远远小于和，因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，通过和电流的大小，主要取决于这两个电容的容量。解调器解调器的工作原理可结合图2.6来说明绕组2－11输出的高频电压，经和整流得到直流电流和。的流经路线为：的流经路线绕组3-10和绕组1－12输出的高频电压．经、和整流，同样得到直流电流和（电路设计时，分别使流过和的电流以及流过和的电流相等）。此时的流经路线为的流经路线为从图2.6中可以看出，经和整流而流经的两个电流和，方向是相反的，两者之差～即为解调器输出的差动电流信号。在上的压降将送至下一级放大。经和整流而流经和的两个电流，方向是一致的，两者之和即为解调器输出的共模电流信号。电路中每一电流回路均用两个二极管相串接进行整流，以使电路安全、可靠。为了求得电流信号Ii与差动电容相对变化值的关系，先要确定电流的大小。因电路时间常数比振荡周期小得多，可认为两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰－峰值。故可求得电流和的平均值如下（2-9）和（2-10）式中，T和f分别为高频电压的周期和频率。两电流平均值之差及两者之和分别为（2-11）（2-12）由式（2-11）和（2-12）得（2-13）可见，只要设法使维持恒定，即可实现差动电容相对变化值与电流信号Ii的线性关系。eq\o\ac(○,2)振荡控制放大器IC1的作用就是使流过VD3,VD7和VD1,VD5的电流之和I1+I2等于常数。由2-14可知，IC1的输入端接受两个电压信号：一个是基准电压UR在R9和R8上的压降Ui1；另一个是I1+I2在R6//R8和R7//R9上的压降Ui2。巳这两个电压信号之差送入IC1。经放大得到UO1，去控制振荡器。当IC1为理想运算放大器时，由IC1,振荡器及解调器一部分电路所构成的深度负反馈电路，使放大器输入端的两个电压信号近似相等，即（2-14）据此可求得的数值。从电路分析可知，这两个电压信号的关系式分别为和因=，=。故上两式可分别简化为（2-15）和（2-16）再将和的值代人式（2－14）可求得（2-17）式（2-17）中的、、和均恒定不变，故为一常数。设K3=，则将式（2－17）代入式（2－13）得（2-18）（3）线性调整电路由于差动电容检测元件中分布电容的存在，将造成非线性误差。由式（2-15）可知，分布电容将差动电容的相对变化值减小，从而使偏小。为克服这一误差，行在电路中设计了线性调整电路。该电路通过提高振荡器输出电压幅度以增大解凋器输出电流的方法，来补偿分布电容所产生的非线性。现将这一电路画成如图2－25所示的原理简图进分析。图2-7线性调整电路绕组3-10和绕组1-12输出的高频电压经、整流，在、上形成直流压降（即调整电压）。因=，故当＝0时，绕组3-10和绕组1-12回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻相等，所以=0，无补偿作用。当不等于0时，两绕组回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻不相等，所以不等于0，的方向如图2-7所示。该调整电压作用于。使的输出电位降低．振荡器的供电电压增加，从而使振荡器的振荡幅度增大，提高了，这样就补偿了分布电容所造成的误差。补偿电压大小取决于的阻值，大，则补偿作用强。2.3.2电容式差压计的放大及输出限制电路这部分电路的功能是将电流信号放大，并输出4～20mA的直流电流。其电路原理如图2-8所示。（l）放大电路放大电路主要由集成运算放大器利晶体管、等组成。起前置放大作用，和组成复合管，将的输出电压转换为变送器的输出电流。电阻、电位器组成反馈电阻网络，输出电流经这一网络分流，得到反馈电流，它送至放大器的输入端，构成深度负反馈，从而保证与之间的线性关系。电路为调零电位器，用以调整输出零位。S为正、负迁移调整开关，开关拨至相应位置，可实现变送器的正向或负向迁移。为调量程电位器，用以调整变送器的量程。现对放大器的输入输出关系作进一步的分析。由图可知．反相输入端的电压(即A点的电压)，是由的稳定电压通过和、分压所得。该电压使输入端的电位在共模输入电压范围内、以保证运算放大器能正常工作。同相输人端的电压（即B点的电压）是由三个电压信号叠加而成的。图2-8放大及输出限幅电路原理图一个是解调器的输出电流在B点产生的电压；第二个是调零电路在B点产生的调零电压；第三个是调量程电路（即负反馈电路）的反愤电流在B点产生的电压。设为并在电容两端的等效电阻（参见图2-7），则。为负值，是由于上的压降为上正下负（见参图2-7），即B点的电位随的增加而降低。调零电路如图2-8（a）所示。设为计算时在B点处的等效电阻。可由图求得调零电压为其中调量程电路如图2-8（b）所示。设为计算时流经B点处的等效负载电阻，为电位器滑触点c和d之间的等效电阻，按△－Y变换方法可得由于，故可近似地求得反馈电流为所以其中（a）调零电路（b）调量程电路图2-9调零和量程电路当为理想运算放大器时，（即），则有（2-19）将、和的关系式代人式（2-19）．得(2-20)设K4=，并将式（2-20），则有(2-21)再将式（2-7）代入上式得(2-22)式（2-22）表明了变送器输入差压△Pi与输出电流之间成比例关系。此式还说明以下几点。①等式右边第二项为调零信号。在测量下限时．应调整该项使变送器的输出电流为4mA。由图2-9和图2-10可知，值（即aUvz1）可通过调节电位器或由开关S接通或来改变。当接通时，增加，变送器输出电流减小，从而可实现正向迁移；当接通时，减小，可实现负向迁移。②为电路放大倍数，此值与有关。调节电位器，可改变值，即可实现变送器的量程调整。③改变值，不仅调整了变送器的量程，而且也影响了变送器的调零信号，同样，改变值，不仅改变了变送器零位，对满度输出也会有影响。因此，在仪表调校时．应反复凋整零点和满度。（2）输出限制电路该电路由晶体管、电阻等组成，如图2-8所示。其作用是防止输出电流过大，损坏器件。当输出电流超过允许值时，上压降变大，使的集电极位降低，从而使该管处于饱和状态。因此流过，也即流过的电流受到限制。输出限制电路可保证在变送器过载时。输出电流不大于30mA。放大电路中其他元件的作用如下。、、和等构成阻尼电路，用于抑制变送器的输出因被测差压变化所引起的波动。为阻尼时间常数调整电位器，调节可改变动态反馈量，也即调整了变送器的阻尼程度。除起稳压作用外．当电源反接时它还提供反向通路，以防止器件损坏。用于在指示仪表未接通时，为输出电流提供通路，同时起反向保护作用。，、和热敏电阻用于量程温度补偿；、和热敏电阻用于零点温度补偿。总结上述各单元电路及各自的功能，可以得到电容式差压变送器整体电路如图2-10所示。图2-10电容式差压变送器电路图第三章输出电路从电容式差压变送器整体电路中取出输出电流，转换成电压信号，作为输出单元的输入信号，再经过输出限幅单元限幅，就可得到在规定范围内的输出电压。3.1输入电路输入电路具有电平移动的作用，将以地为基准的输出电压转换成以为基准的输出电压，电路如图3-1所示。图3-1输入电路在输入电路中，当为理想运算放大器时，则有，其中令，，得（3-1）其中=1V～5V，为设置的±2V。把=1V和5V，=±2V代入式（3-1）得到最后解出，E=3V则可以得到3.2输出电路输出电路具有电平移动的作用，是将以地为基准的输出电压转换成以为基准的输出电压，电路如图3-2所示。图3-2输出电路在输入电路中，当为理想运算放大器时，则有，其中令，，得（3-2）其中=1V～5V，为设置的±2V。把=1V和5V，=±2V代入式（3-2）得到最后解出，E=3V则可以得到3.3输出限幅单元输出限幅单元的作用是将调节器的输出限制在一定范围之内，从而保证控制阀不处于危险开度，其原理如图3-3所示。国中虚线以下部分为输出限幅单元，它实际上是限制的输出电压，使其不超过上限值和不低于下限值；从而限制了控制器的输出电流。图3-3输出限幅单元原理图电路工作原理简述如下：当稍大干上限值时，VT2的发射结处于正偏而导通，VT的发射结处于反偏而截止，这样就被限制在值上。当稍小于下限值UL时，VT2导通，VT1截止，就被限制在值上。所以被限制在～范围之内，即控制器的输出也被限制在相应的范围内。结论通过本电路设计，把液位信号经液位-压差转换器线性的转换成压差信号，最后电压输出信号。电容式差压计的工作原理为，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号基于电容式差压变送器的液位检测器与其他液位传感器相比，依靠合理的电路原理和高品质的元器件,使变送器在结构上变得小型化、合理化;在精度和稳定性上得到年大幅度提高,达到国内领先水平。电容液位变送器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。这类仪表工作稳定、智能化，能耗小、环境适应性强，并能提供很好的测量精度。适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。由于电容传感器具有可移植性，通过改进其智能化测量程序能发掘它的潜力，进一步拓展适用范围，将更加方便液位检测行业的生产效率和利益。参考文献[1]吴永生.方可人.热工测量及仪表.北京.中国电力出版社.1995[2]吴勤勤.控制仪表及装置.第三版.北京.化学工业出版社.2007[3]阎石.数字电子技术基础.北京.高等教育出版社