PDF《液位测量传感器系统的设计与实现》

112 测量原理[3 ] 由图

1 可知 , 当可测量液位 H =

0 时,不锈钢管与同轴绝 缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容 C0 , 根据文献 得到电容量为 : C0 =

2 π ε

0 L ln( R1/ R0) (1) 式中 , C0 为电容量 , 单位为 F ;

ε

0 为容器内气体的等效介电 常数 , 单位为 F/ m ;

L 为液位最大高度 ;

R1 为不锈钢管半径 ;

R0 为绝缘导线半径 , 单位为 m. 当可测量液位为 H 时,不锈钢管与同轴绝缘电线之间存 在电容 CH : CH =

2 π ε

0 (L - H) ln( R1/ R0) +

2 π εH ln( R1/ R0) =

2 π ε

0 L ln( R1/ R0) +

2 π( ε- ε

0 ) H ln( R1/ R0) (2) ・

2132 ・ 计算机测量与控制 第17 卷图2传感器测量电路 式中 , ε为容器内气体的等效介电常数 , 单位为 F/ m. 因此 , 当传感器内液位由零增加到 H 时,其电容的变化 量ΔC 可由式 (1) 和式 (2) 得ΔC = CH - C0 = 2π( ε- ε

0 ) H ln( R1/ R0) (3) 由式 (3) 可知 , 参数ε

0 , ε, R1 , R0 都是定值.所以电容的 变化量ΔC 与液位变化量 H 呈近似线性关系. 因为参数ε

0 , ε, R1 , R0 , L 都是定值 , 由式 (2) 变形可 得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 为常数 ) (4) 可见 , 传感器的电容量值 CH 的大小与电容器浸入液体的 深度 H 成线性关系.由此 , 只要测出电容值便能计算出水位 高度 H.

2 测量系统设计 系统设计由电容式传感器测量电路和 CPU 测量系统两部 分组成.

211 传感器测量电路的设计 电容式传感器测量电路如图

2 所示.它由单稳触发器 U

1、 定时器 U

2、光电耦合器 U

3、微分整形 U4 等电路组成.为有 利于提高电路抗干扰性能 , 通过 S1 选择电路的触发方式 : 如 果由交流 (电池) 供电 , 选择由交流 (直流) 同步触发.各点 波形见图

3 , A 、B 分别为交流、直流同步触发脉冲.当液位 为0时,U1 输出 C 波形 , 当液位高为 H 时,U1 输出 D 波形. 由单稳态触发器电路可知 , 触发脉冲宽度 : T =

111 R3

3 CH = N

3 t ( t 为测量单片机的机器周期 1us) .所以 C H = ( N

3 t) /

111 3 R3 . 再根据式 (4) CH = a0 + b0 H , 可得到 H = K( N - b) (5) 式中 , H 为被测水位值 , K 为线性系数 , b 为修正系数 , N 为 单片机在液位为 H 时的计数值.

212 测量系统电路 主要由单片机 A T89C52 (时钟为 12M Hz) 、液晶显示模 块、E2 ROM 存储模块、温湿度测量模块、RS232 通信模块、 4~20 mA 输出的 D/ A 模块[4 ] 、时钟模块以及传感器测量电路 等组成[5 ] , 如图

4 所示. 图3电路部分电压波形 图4系统框图 单片机对图

3 中TH 的部分计数程序如下[6 ] : …… MOV TMOD , #

01 ;

置方式

1 …… TEST : MOV TL0 , #

00 H MOV TH0 , #

00 H ;

置计数器初值 J NB IN T0 , $ ;

等上降沿 SETB TR0 ;

上降沿计数开始 JB IN T0 , $ ;

等下降沿 CLR TR0 ;

下降沿停止计数 MOV R0 , TH0 MOV R1 , TL0 ;

计数值放寄存器 ,得到 N 的值 ……

3 测试方法及步骤

311 测量方法 在实验室整机调试过程中 , 需通过反复进行模拟测试.为第11 期 李书旗 , 等:液位测量传感器系统的设计与实现 ・2133 ・ 得到方便调节的不同水位 , 实验采用连通器原理 , 方法是 : 将 直径为 8cm 、标有刻度 (可用记号笔画) 的透明有机玻璃管 通过软管与水桶相连 , 软管中间加一阀门和水泵 , 阀门和水泵 都打开时能将水桶中的水抽到有机玻璃管中 , 使水管中的水位 慢慢上升 , 阀门关闭后水位就能停留在某位置.若在水泵停止 工作后将阀门打开 , 则有机玻璃管中的水在大气压作用下自动 流向水桶 , 有机管中的水位慢慢下降.这样通过不断打开和关 闭阀门 , 放置于有机管中的传感器就能测到该范围内的任意水 位,如图