專(zhuān)利名稱(chēng)：電容式數(shù)字物位傳感器及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容式物位傳感器及其測(cè)量方法，具體來(lái)講是一種通過(guò)兩個(gè)電容極板感 應(yīng)測(cè)量物位的電容式數(shù)字物位傳感器及其測(cè)量方法。
技術(shù)背景現(xiàn)有電容式物位傳感器的測(cè)量方法，是利用電容傳感器將被測(cè)介質(zhì)位置的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡?容量大小的變化，然后根據(jù)電容的大小來(lái)求得相應(yīng)物位的數(shù)值。由于引起電容變化的因素有 很多，如電容極板面積的變化、電容極板間距的變化、電容極板間介質(zhì)性質(zhì)的變化等都將引 起電容量的變化。電容式物位測(cè)量傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，如適用于導(dǎo)電容器中盛放絕緣 性材料，電容器為立式圓筒形結(jié)構(gòu)，器壁為一極，沿軸線(xiàn)插入金屬棒為另一極，其間構(gòu)成的 電容與物位成比例；又如，適用于非金屬電容器結(jié)構(gòu)，或雖為金屬電容器但非立式圓筒形結(jié) 構(gòu)，物料為絕緣性的，這時(shí)在棒狀電極周?chē)媒^緣支架套裝金屬筒，筒上下開(kāi)口，或整體上 均勻分布多個(gè)孔，使內(nèi)外物位相同。中央圓棒及與之同軸套筒構(gòu)成兩個(gè)電極，其間電容和電 容器形狀無(wú)關(guān)，只取決于物位。這種電極只用于液位，粉粒體容易滯留在極間；再如，用于 導(dǎo)電性物料，但中央圓棒電極上包有絕緣材料，電容是由絕緣材料的介電常數(shù)和物位決定的， 導(dǎo)電物料使器壁與中央電極間的距離縮短為絕緣層的厚度，物位升降相當(dāng)于電極面積的改變。上述幾種電容式物位傳感器的結(jié)構(gòu)不同，但其測(cè)量方法的共同特點(diǎn)是都采用模擬量信號(hào) 進(jìn)行檢測(cè)，即將測(cè)量物位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量電容大小的變化，而且要保證測(cè)量的電容值與物 位成線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而在實(shí)際使用中，由于干擾電容大小的因素很多，很難保證這種線(xiàn)性 關(guān)系，如所測(cè)物質(zhì)成份不同，其介電常數(shù)就不同，導(dǎo)致所測(cè)電容不同；還有掛料的影響；再 加上環(huán)境溫度和濕度變化造成零點(diǎn)電容值的漂移，電容值的積累誤差也會(huì)造成非線(xiàn)性等，這 就會(huì)使一般電容式物位傳感器在測(cè)量物位時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題是現(xiàn)有電容式物位傳感器及其測(cè)量方法，由于其結(jié)構(gòu)及方法采用模 擬量信號(hào)測(cè)量，導(dǎo)致在測(cè)量物位時(shí)存在誤差較大的問(wèn)題。本發(fā)明的目的之一是物位傳感器的數(shù)字化，該傳感器是通過(guò)電容感應(yīng)變化進(jìn)行直接數(shù)字 化物位測(cè)量。其輸出直接可以和計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量的全數(shù)字化。本發(fā)明的目的之二是用該電容式數(shù)字物位傳感器測(cè)量時(shí)，不同的介質(zhì)可以通過(guò)電容變化 來(lái)測(cè)量，即該傳感器能夠識(shí)別多種介質(zhì)，應(yīng)用范圍較廣。基于上述問(wèn)題和目的，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器的技術(shù)方案是在絕緣的第一極 板上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板與第二極板構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微 電容檢測(cè)集成電路及電源。或是第一極板與絕緣的第二極板上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的 電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路及電源?；蚴墙^緣的第一極板上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板與絕緣的第二極板上設(shè)置有兩個(gè)或 兩個(gè)以上的極板構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路及電源。本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器中，其兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板是結(jié)構(gòu)、形狀相同并平行等 距與另一極板對(duì)應(yīng)排列而構(gòu)成的極板；兩極板間的縱向距離是lcm 500cm;其兩極板的橫向 距離是兩極板能夠形成微電容感應(yīng)的距離；其微電容檢測(cè)集成電路是由振蕩電路、檢波電路、 比較放大電路、整形電路和輸出電路集成的多路微電容檢測(cè)芯片。本發(fā)明用于電容式數(shù)字物位傳感器的測(cè)量方法，該方法是將電容式數(shù)字物位傳感器固定 設(shè)置在被測(cè)物料中，傳感器的第一極板為電容器的一極，第二極板為另一極，第一極板分別 與第二極板形成多個(gè)電容器，每個(gè)電容器有一個(gè)對(duì)應(yīng)的微電容檢測(cè)電路，每個(gè)電容器的電容 量發(fā)生變化時(shí)會(huì)使其輸出變?yōu)?0"或者是"1"，通過(guò)掃描電路統(tǒng)計(jì)所有微電容檢測(cè)集成電路 狀態(tài)"0"或者是"1"的個(gè)數(shù)，即得準(zhǔn)確的數(shù)字物位值。本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器與現(xiàn)有物位傳感器相比，根據(jù)電容法測(cè)量物位，由金屬材 料構(gòu)成電容兩極，具有固定的極板面積和極板間距，多個(gè)極板分別組成多個(gè)電容器并平行等 距對(duì)應(yīng)排列而構(gòu)成，在兩個(gè)極板間的介質(zhì)變化導(dǎo)致電容器的電容量發(fā)生感應(yīng)變化，電容器的 電容量發(fā)生感應(yīng)變化導(dǎo)致電容器檢測(cè)集成電路的狀態(tài)發(fā)生變化，將這種電容器檢測(cè)集成電路 的狀態(tài)發(fā)生變化統(tǒng)計(jì)即得數(shù)字物位值。本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn) 和顯著進(jìn)步在于通過(guò)改進(jìn)電容器的感應(yīng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)的微量變化來(lái)進(jìn)行物位的直接數(shù) 字化測(cè)量，而不是通過(guò)測(cè)量電容量的大小來(lái)測(cè)量物位的，即由模擬信號(hào)測(cè)量改變?yōu)閿?shù)字信號(hào) 測(cè)量。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單緊湊合理，在測(cè)量方法上新穎、方便、快捷和準(zhǔn)確。其電容器電 容量的微量感應(yīng)能夠感知到被測(cè)介質(zhì)的變化，解決了現(xiàn)有電容物位傳感器檢測(cè)時(shí)，受空氣溫 度和濕度變化造成零點(diǎn)電容值的漂移，測(cè)量電路元器件的失真，老化造成電容值的改變，物 料介電常數(shù)的變化造成傳感器的線(xiàn)性失真以及電容值的積累誤差等因素。大大增強(qiáng)了抗干擾 能力，提高了物位測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性高，本發(fā)明的電容式數(shù)字物位傳感器能夠?qū)ΜF(xiàn)有的 粉態(tài)或小顆粒狀固體、液體進(jìn)行直接數(shù)字化的準(zhǔn)確無(wú)誤的測(cè)量，應(yīng)用范圍十分廣泛。


圖l是本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的電氣原理結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明電氣結(jié)構(gòu)連接示意中A:第一極板 B:第二極板具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖能夠?qū)Ρ景l(fā)明的技術(shù)方案作出進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的 進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，并不對(duì)本發(fā)明作出任何限制。本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器的構(gòu)造可制作成多種有感應(yīng)形狀的極板構(gòu)造，如平面極 板構(gòu)造、"V"字型極板構(gòu)造、"U"字型極板構(gòu)造和兩平行極板構(gòu)造等。平面極板構(gòu)造的感應(yīng)距離為180度，"V"字型極板構(gòu)造的的感應(yīng)距離為0 180度，"U"字型極板構(gòu)造和兩平行極板 構(gòu)造的感應(yīng)距離為兩個(gè)極板能夠感應(yīng)的距離。本發(fā)明電容式數(shù)字物位傳感器極板的設(shè)置是兩極板能夠形成感應(yīng)電容的多種設(shè)置，如第一種極板設(shè)置是A板為整體極板，B板為兩個(gè)或兩個(gè)以上的多極板；第二種極板設(shè)置是A板為兩個(gè)或兩個(gè)以上的多極板，B板為整體極板；第三種極板設(shè)置是A板為兩個(gè)或兩個(gè)以上的多極板，B板也為兩個(gè)或兩個(gè)以上的多極板。其極板是相同結(jié)構(gòu)形狀并平行等距對(duì)應(yīng)排列而構(gòu)成的能夠感應(yīng)的電容極板。下面本發(fā)明以"u"字型極板為具體實(shí)施例，進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的具體實(shí)施 方式，其它平面極板構(gòu)造、"V"字型極板構(gòu)造和兩平行極板構(gòu)造等，其形狀和構(gòu)造不同，不 再一一舉例說(shuō)明。如附圖l、 2和3，使用PVC絕緣材料做成"U"字型的傳感器外形構(gòu)造，"U"型傳感器兩側(cè) 極板的平行間距設(shè)置為O. 5 3cra，采用金屬整體不銹鋼板板作為第一極板A，其長(zhǎng)度根據(jù)其所 測(cè)物料的深度而設(shè)定，其寬度為6cm。第二極板B為Bl,B2，…，Bn多個(gè)極板，大小為5X2cm2,按 lcm的間隔(可在lcm 500cm內(nèi)設(shè)置)再垂直方向上等距、平行、對(duì)應(yīng)布置，并與第一極板A 形成n個(gè)電容Cl， C2，， Cn，每個(gè)電容都有一個(gè)相應(yīng)的微電容檢測(cè)電路。由于所測(cè)電容值太 小，為了避免引線(xiàn)等多種因素帶來(lái)的干擾和影響，需要將振蕩電路、檢波電路、比較放大電 路、整形電路和輸出電路進(jìn)行集成，同時(shí)將多路微電容檢測(cè)電路集成到一個(gè)芯片上，構(gòu)成電 容檢測(cè)集成電路7730，每個(gè)集成片包括10路微電容檢測(cè)集成電路。其輸入端連接B1、 B2…Bn， 輸出端為串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)接口，將多個(gè)芯片聯(lián)結(jié)在一起組成電容式數(shù)字式物位傳感器，電氣連 接如圖3所示。這些電路將被固定在B板的PVC管中，最后用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成型，并使傳感器有 一定的抗沖擊能力。安裝時(shí)，選擇物料倉(cāng)中測(cè)量的位置，將"U"型傳感器垂直放入空倉(cāng)中，傳感器敞口向著 料倉(cāng)的中軸線(xiàn)，傳感器的內(nèi)側(cè)面設(shè)有固定孔將傳感器固定在料倉(cāng)內(nèi)中。測(cè)量時(shí)，第一極板的整體金屬極板A構(gòu)成電容的一極，另一側(cè)是標(biāo)準(zhǔn)大小的多個(gè)金屬極板 Bl， B2，…，Bn，與極板A形成n個(gè)電容Cl， C2，， Cn，每個(gè)電容都有一個(gè)相應(yīng)的微電容感 應(yīng)電路。物料倉(cāng)中無(wú)物料時(shí)，電容中間介質(zhì)是空氣，Cl， C2，…，Cn， n個(gè)電容量相對(duì)固定， n個(gè)電容感檢測(cè)電路輸出的狀態(tài)為"0"，物料倉(cāng)中裝料后，由于介質(zhì)的變化，被物料掩埋的數(shù) 個(gè)電容的容量發(fā)生變化，微電容檢測(cè)集成電路捕捉到電容量的變化后狀態(tài)由"0"翻轉(zhuǎn)成"1"， 沒(méi)有被埋的電容容量不發(fā)生變化，相應(yīng)的微電容檢測(cè)集成電路的狀態(tài)仍為"0"，通過(guò)掃描電 路統(tǒng)計(jì)所有微電容檢測(cè)集成電路狀態(tài)"l"的個(gè)數(shù)，最后得到準(zhǔn)確的數(shù)字物位值。本發(fā)明傳感 器的分辨率設(shè)置為2cm。
權(quán)利要求
1.電容式數(shù)字物位傳感器，其特征是在絕緣的第一極板(A)上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板與第二極板(B)構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路及電源；或是第一極板(A)與絕緣的第二極板(B)上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路及電源；或是絕緣的第一極板(A)上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板與絕緣的第二極板(B)上設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板構(gòu)成兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路及電源。
2. 如權(quán)利要求1所述的電容式數(shù)字物位傳感器，其特征在于兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板是相 同結(jié)構(gòu)形狀并平行等距與另一極板對(duì)應(yīng)排列而構(gòu)成的極板。
3. 如權(quán)利要求2所述的電容式數(shù)字物位傳感器，其特征在于相同結(jié)構(gòu)形狀并平行等距的 縱向距離是lcm 500cra。
4. 如權(quán)利要求2所述的電容式數(shù)字物位傳感器，其特征在于兩極板的橫向距離是兩極板 能夠形成微電容感應(yīng)的距離。
5. 如權(quán)利要求1所述的電容式數(shù)字物位傳感器，其特征在于微電容檢測(cè)集成電路是由振 蕩電路、檢波電路、比較放大電路、整形電路和輸出電路集成的多路微電容檢測(cè)集成芯片。
6. —種用于權(quán)利要求1所述的電容式數(shù)字物位傳感器的測(cè)量方法，該方法是將電容式數(shù) 字物位傳感器固定設(shè)置在被測(cè)物料中，傳感器的第一極板(A)為電容器的一極，第二極板(B) 為另一極，第一極板(A)分別與第二極板(B)形成n個(gè)電容器(Cl， C2，…，Cn)，每個(gè)電 容器有一個(gè)對(duì)應(yīng)的微電容檢測(cè)電路，每個(gè)電容器的電容量發(fā)生變化時(shí)使其輸出變?yōu)?0"或者 是"1"，通過(guò)掃描電路統(tǒng)計(jì)所有微電容檢測(cè)集成電路狀態(tài)"0"或者是"1"的個(gè)數(shù)，即得準(zhǔn) 確的數(shù)字物位值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容式數(shù)字物位傳感器，特征是由導(dǎo)線(xiàn)連接微電容檢測(cè)集成電路與兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板構(gòu)成多個(gè)電容器的極板；其測(cè)量方法是將其固定設(shè)置在被測(cè)物料中，兩個(gè)極板組成多個(gè)電容器，每個(gè)電容器有一個(gè)對(duì)應(yīng)的微電容檢測(cè)電路，根據(jù)電容量的變化使其輸出為“0”或“1”，通過(guò)掃描電路統(tǒng)計(jì)即得數(shù)字物位值。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊合理，使用方便快捷準(zhǔn)確，解決了現(xiàn)有物位測(cè)量受溫度、濕度以及電容值積累誤差等因素的影響而導(dǎo)致其測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，大大增強(qiáng)了傳感器的抗干擾能力，提高了物位測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性，特別適用于粉態(tài)或小顆粒狀固體、液體的直接數(shù)字化精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F23/26GK101266167SQ200810054768
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者青 呂, 周義仁 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)