基于单片机的电容式液位传感器设计.docVIP

第2章方案论证 2.1设计原理 本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。通过单片机控制水泵的运转。显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。该显示接口用一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。 2.2．系统框图 被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。 传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。 放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。 A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。 单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。 显示设备：在此用到8段数码管。 控制设备：控制电动机的运行或关闭。 第三章单元电路设计 3.1传感器设计 3.1.1传感器原理 电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。 3.1.2传感器的组成 YK-YYC系列电容式液位传感器的传感部分是一个同轴的容器，当液体进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出 4-20mA 标准信号供给显示仪表。 YK-YYC液位油位变送器 (传感器 )性能指标 ● 检测范围： 0.05 -5m ● 精度 : 0.1 、 0.2 、 0.5 级 ● 承压范围 : -0.1MPa-32MPa ● 探极耐温 : -50 -250 ℃ ● 输出信号 : 4-20mA 、 4-20mA 叠加 HART 通讯、 485 通讯、 CAN 总线通讯 ● 供电电压 : 12-28VDC （本安型需经安全栅供电） ● 固定方式 : 螺纹安装 M20 × 1.5 、 M27 × 2 ， M18 × 1.5 、 M16 × 1 法兰安装 DN25 、 DN40 、 DN50 。特殊规格可按要求定制 ● 探极直径 : Φ 12 、Φ 16 、Φ 25 ● 防爆等级 : 本安 Exia Ⅱ C T6 隔爆 Exd Ⅱ C T5 ● 防护等级 : IP65 ● 本安参数 : Ui ： 28VDC ， Ii ： 93mA ， Pi ： 0.65W ， Ci ： 0.042uf ， Li ： 0mH 3-1-2 为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。 图3-1-2传感器原理图 3.1.3 测量原理 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: （1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; ε0 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 : （2） 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 （3） 由式可知, 参数ε0 , 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ε0 , 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。 3.2将电容转化成电信号部分 采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成，如图3-2所示。 图3-2 运算放大器测量电路原理图 3