基于远程接地的液位测量系统电容式传感器.docx

基于远程接地的液位测量系统电容式传感器作者：Ferran Reverter，秀俊丽，Gerard C.M. Meijer作者单位：卡斯特尔德费尔斯科技学院（EPSC）、加泰罗尼亚技术大学（UPC），Avda。运河奥体的S / N，08860卡斯特尔德费尔斯，巴塞罗那，西班牙。 摘要 本文介绍了基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计和实现。 电容式传感器的电极由经济实惠的材料制成：不锈钢棒和PTFE绝缘线。 接口电路依赖于简单的张弛振荡器和微控制器。 具有有源屏蔽的电缆将传感器互连到接口电路。 通过考虑互连电缆和传感器的寄生分量来分析有源屏蔽电路的稳定性。 该系统已经通过测量接地金属容器中的自来水水平进行实验测试。在70cm的水平范围内，系统具有小于0.35mm的非线性误差和对于测量时间的优于0.10mm的分辨率 为20ms。关键词：液位测量，电容传感器，有源屏蔽，张弛振荡器，微控制器。 一.引言 可以通过测量浸入液体中的两个电极之间的电容来监测河流，水库或容器中的液位[1]。 用于液位测量的电容传感器的使用具有以下优点： - 低成本（即，可以用可承受的技术构建传感器），低功耗，高线性度以及对于应用的几何形状的容易调整。 电容式液位传感器的工作原理取决于液体的类型[2,3]。对于导电液体，两个传感器电极中的至少一个必须绝缘，以避免短路。 在液体 - 空气界面下方，液体表现为导体，因此，电容的电介质只是电极绝缘。 在液体 - 空气界面上方，电介质是与电极之间的空气一起的电极绝缘，从而导致更小的电容。 另一方面，对于非导电液体，电极不需要绝缘。 在液体 - 空气界面下方，电介质是液体（其具有比空气的介电常数更高的介电常数），而在界面上方，它是空气。对于这两种类型的液体，如液体水平的提高，所以没有液体 - 空气界面下方的电极和静电电容的面积。 电容传感器可以分为两组[4]：浮动电容传感器（即其中没有电极接地的传感器）和接地电容传感器（即，两个电极中的一个接地的传感器）。 前者是优选的，因为它们可以被本质上免于杂散电容的接口电路读取[4,5]。 然而，由于浮动电容传感器的安全原因和/或操作限制，在一些应用中仍然需要接地的电容传感器，例如：接地金属容器中的导电液体的液位测量[1,6-9]。 参考文献[6]报道了0.6mm（0.1％）的非线性误差对于60cm的测量范围的分辨率为0.1mm。 另一方面，参考文献[7]示出了对于约70cm的测量范围的1％的非线性误差和1mm的分辨率。 在许多工业应用中，传感器远离其电子器件，例如：油箱底部的水位测量[8]。在这些情况下，为了减少外部噪声/干扰的影响，传感器使用屏蔽电缆连接到接口电路。对于接地电容传感器，普通无源屏蔽（即连接到地的屏蔽）是不合适的，因为电缆的寄生电容（其值可以远大于传感器的寄生电容并且取决于环境条件）将与传感器。为了减少这种寄生电容的影响，接地的电容传感器通常使用有源屏蔽技术连接到接口电路[4,5]，其依赖于连续地采样电缆的内部导体的电位并且应用它通过放大器连接到屏蔽。遗憾的是，当应用这种技术时，电缆的寄生元件会带来“电子”不稳定性和不准确性[10]。传感器的寄生分量（其在大尺寸传感器中可能是重要的，例如在本文中呈现的液位传感器）也可以在有源屏蔽电路的性能中起重要作用，然而，它们的效果没有但尚未分析。本文介绍了基于远程接地电容传感器的液位测量系统的设计和实现。 它提供了有源屏蔽电路上的寄生元件（互连电缆和传感器的）的影响的详细分析。 该系统已经通过测量接地金属容器中的导电液体（自来水）的水平而进行实验测试。 二.传感器传感器原型 图1显示了设计的传感器原型的图片。传感器约一米高，有两个电极，其中一个是绝缘的，以便能够测量导电液体。非绝缘电极是不锈钢棒，其在操作条件下将连接到系统接地。绝缘电极是PTFE绝缘线，其标称内径和外径分别为1mm和1.5mm。由于传感器电容直接取决于绝缘体的厚度和介电常数，因此必须使用诸如PTFE（通常称为“特氟隆”）的材料，其是温度稳定的，无孔的，不粘的，以及耐腐蚀。线材设置成U形，使得两端都在水外面。这种配置避免了密封导线末端之一的问题，此外，它使传感器电容加倍[6]。根据初步实验测试，不建议使用绞合线作为绝缘电极，因为线性和滞后明显恶化;这是因为水可以更容易地以相当不可预测的方式粘在线上。在传感器的顶部，有一块刚性塑料用于设置线的张力。B.理想的电容传感器 当测量导电液体的水平时，总传感器电容实际上等于液体 - 空气界面下方的电极之间的电容。 该电容表示同轴电极结构，即一个电极是导线导体，另一个是围绕导线绝缘的导电液体。 因此，理想地，电容的值可以从[1]估计: (1)其中是真空的介电常数(= 8.8542 × 10? F/m),是电线绝缘的