电容式料位传感器的设计

电容式料位传感器的设计电容式传感器具有结构简单，分辨率高，低成本、体积小、抗 干扰能力强，动态响应快，以及可连续在线测量等优点，因而在电子 测量技术中占有十分重要的地位。但是，电容式传感器的电容值十分 微小，这样微小的电容必须借助于专用测量电路来检测，并将其转换 为与其成正比的电压、电流或频率信号。为此，本文研究了电容传感 器在物料测量中的应用，介绍了一种料位测量实验装置，并以砂石介 质为样本，给出了一种适合于料位检测的最佳测量电路。1.检测装置的基本原理本组设计的测量装置采用圆筒型电容传感器，其具体结构如图1 所示。这种形状的电容式料位传感器常用于松散型颗粒状物料和粉料 状物料的检测，如煤粉、粮食等。也便于颗粒状物料的装入，而且， 采用圆筒型传感器可减小边缘效应对电容值的影响。另外，由于它的 电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，因而可以十分有效地抑 制人体感应。该圆筒型电容传感器的计算公式如下：式中：C0为未装入物料时传感器的初始电容；£0为空气的介电常数；L为两电极的长度；R2为外电极的半径；R1为内电极的半径。SI电容樨再爭缁禅当装入物料位为H时，传感器的电容量Cx为:Cjt=式中，£为被测物料的介电常数。由上俩式可知，当被测物料位置由零增加到H时，传感器的电容变化量为：勢二2破9一吨H显然，参数£ R2, R1均为定值，因此，圆筒型电容传感器的 电容变化量与料位H是一一对应的关系，即测取传感器的电容量就 可确定被测料位。实验时，可采用本传感器并以砂石料斗壁为电容传感器的一极， 另一极为金属棒，两电极之间由损耗很小的窄条介质连接。结构可选 为R2=15cm，Rl=3cm，L=100cm。极板与检测电路的连线应较短， 且连线外应加屏蔽线，这样可减小外界寄生电压的干扰。通过容器内 砂石量的变化引起电容量的变化，可以建立 C-V 之间的关系，以寻 找最佳检测电路，进而建立砂石料位与电压的关系。2 . 检测电路方案设计测试电路如图 2 所示。该电路利用双时基集成电路556 来产生 可调方波宽度随被测电容Cx变化的电压信号，其中A1： A为一方波 振荡电路，引脚5输出的方波信号经C2、R2组成的微分电路后，可 按周期 T=069(R1+R2)C1 形成连续尖脉冲连到 A1： B 的反向触发 端。Al： B作单稳态工作，其在Al： A输出脉冲的下降沿触发后， 输出变正，电容Cx开始充电，电压随之上升，当其电压值高于2Vcc 3 时，内部 D 触发器反转，输出变低，引脚 9 输出的方波宽度为 T1=0. 69R3Cx，且随被测电容Cx成线性变化，其输出再经电容C4、 R4滤波平均后，其电压就可直接表示Cx的大小，从而输出与电容成 确定比例变化的电压信号。根据测量结果看，本组所设计的传感器及检测电路能适应料位检 测数据采样的需要。其直流信号通过放大电路后，再送入A/D转换 器，便可由计算机系统处理输出。4.小组总结本文给出了一种电容式料位传感器的设计原理，并通过试验得出 了电容式料位传感器的最佳电容量测量电路。故可为后续的电路设计 奠定基础。虽然此料位传感器在试验时以砂石为介质，但该传感器完 全可以用于松散型颗粒状物料和粉料状物料的检测，如煤粉、粮食等 料面的连续测量。在实际工程当中，如果使用的容器比较规则，体积可以计算，则 此传感器也可用于物料的称重。另外，虽然此电容式传感器及其检测电路能检测出物料的物位，但是，为了提高检测的准确度，使用时还要考虑温度、湿度、紧实度等因素的影响。