專(zhuān)利名稱(chēng)：非接觸式電容液位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種非接觸式電容液位計(jì)，用于測(cè)量超高純介質(zhì)液位。
背景技術(shù)：
超高純介質(zhì)(氣體、液體化學(xué)品)在整個(gè)半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，目前工 藝制程的變更對(duì)于介質(zhì)純度的要求越來(lái)越高，對(duì)于介質(zhì)液位的測(cè)量要求也越來(lái)越高。目前 測(cè)量液位普遍采用跟介質(zhì)接觸的金屬電容液位計(jì)，跟液體接觸的電容電極時(shí)間長(zhǎng)了往往會(huì) 對(duì)液體造成腐蝕及滲透污染，從而影響介質(zhì)的純度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種可以不跟介質(zhì)接觸但能準(zhǔn)確測(cè)量液位的電容液位 計(jì)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供了 一種非接觸式高精度電容液 位計(jì)，其特征在于，包括至少兩個(gè)電容傳感器，即第一電容傳感器及第二電容傳感器，第一 電容傳感器及第二電容傳感器的一端連接傳送器，另一端分別設(shè)于底部密封的第一套管及 第二套管內(nèi)，第一套管及第二套管伸入容器內(nèi)，第一電容傳感器作為測(cè)量端電容CM，第二電 容傳感器作為參考端電容CK，通過(guò)一個(gè)固定的參考端電容Ck來(lái)檢測(cè)一個(gè)測(cè)量端電容Cm的相 對(duì)電容變化量ACm = CM-CK，當(dāng)所測(cè)介質(zhì)液面在第一套管及第二套管之間發(fā)生變化時(shí)，插在 第一套管及第二套管里的第一電容傳感器及第二電容傳感器之間就會(huì)產(chǎn)生電容量的變化， 經(jīng)過(guò)變送器對(duì)第一電容傳感器及第二電容傳感器的電容信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，即可輸出標(biāo)準(zhǔn) 的電信號(hào)，從而準(zhǔn)確測(cè)量出液位。進(jìn)一步，在所述第一套管及第二套管的上端設(shè)有用來(lái)固定電容傳感器的第一固定 環(huán)及第二固定環(huán)。所述的第一傳感器及第二傳感器的直徑為1 8000mm，長(zhǎng)度為5 50000mm。在所述變送器上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表。所述變送器包括頻率可調(diào)的參考振蕩器，參考振蕩器驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)構(gòu)造對(duì)稱(chēng)的 積分器，即第一積分器及第二積分器，積分器的個(gè)數(shù)與電容傳感器的個(gè)數(shù)相同，第一積分器 及第二積分器分別連接所述的第一電容傳感器及第一電容傳感器，第一積分器及第二積分 器連接信號(hào)處理電路。所述信號(hào)處理電路包括減法電路，減法電路的后端依次串聯(lián)源濾波器及可調(diào)的放 大器。在所述第二電容傳感器及第一電容傳感器上分別串聯(lián)電阻R1和電阻R2。本實(shí)用新型使用了兩個(gè)電容傳感器，一個(gè)電容傳感器測(cè)量端，另一個(gè)則作為參考 端，為了使傳感器不與介質(zhì)接觸，兩根電容傳感器分別插入套管內(nèi)，而加上固定環(huán)則是為了 避免因?yàn)閭鞲衅鞫秳?dòng)造成的測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定。隨后，根據(jù)電容計(jì)算公式可以得出傳感器的 輸出電容量與液位高度成線(xiàn)性關(guān)系。由于套管在其中實(shí)際只起到絕緣的作用，并不會(huì)引起電容量的變化，所以不會(huì)影響傳感器之間的電容量的變化。當(dāng)所測(cè)介質(zhì)液面在兩根套管之 間發(fā)生變化時(shí)，插在套管里的傳感器之間就會(huì)產(chǎn)生電容量的變化，經(jīng)過(guò)變送器對(duì)傳感器的 電容信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，即可輸出標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，從而準(zhǔn)確測(cè)量出液位。由于本實(shí)用新型電容液位計(jì)的設(shè)計(jì)，使傳感器在介質(zhì)電介質(zhì)常量穩(wěn)定的情況下， 即介質(zhì)純度很高且介質(zhì)分布均勻性較好的時(shí)候，輸出電容只與兩根傳感器與套管之間的液 位變化時(shí)有關(guān)，與其它因素?zé)o關(guān)。通過(guò)變送器將傳感器的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通過(guò) 信號(hào)電纜遠(yuǎn)傳，于是就能實(shí)現(xiàn)傳感器無(wú)需直接與介質(zhì)接觸，采用非接觸式來(lái)測(cè)量液位，而且 測(cè)量的準(zhǔn)確度很高，抗干擾能力較強(qiáng)且體積小巧。

圖1為本實(shí)用新型提供的一種非接觸式電容液位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型中變送器的電路框圖；圖3為本實(shí)用新型中EMV抗干擾措施的等效電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例來(lái)具體說(shuō)明本實(shí)用新型。實(shí)施例如圖1所示，為本實(shí)用新型提供的一種非接觸式電容液位計(jì)的電路框圖，包括第 一電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2。第一電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2分別插 入第一套管Tl及第二套管T2內(nèi)。第一套管Tl及第二套管T2內(nèi)則垂直得插入容器1內(nèi)，第 一套管Tl及第二套管T2的底部密封，并且第一套管Tl與第二套管T2之間絕緣。在第一 電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2與第一套管Tl及第二套管T2上端的分別用第一固定 環(huán)2及第二固定環(huán)3固定。第一電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2同時(shí)連接變送器4。第一電容傳感器Dl作為被測(cè)電容Cm (測(cè)量端)，第二電容傳感器D2作為參考電容 Ce(參考端)，通過(guò)一個(gè)固定的參考電容Ck來(lái)檢測(cè)一個(gè)被測(cè)電容Cm的相對(duì)電容變化量ACm = CM_CK。由電容計(jì)算公式C= eS/4Jikd(e為電介質(zhì)常量，S為電容極板的面積，k為靜 電力常量，d為極板間的距離)中可以看出當(dāng)電容極板的面積S —定，極板間的距離d也一 定時(shí)，電容量只與電介質(zhì)常量ε有關(guān)。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)在極板間變化時(shí)，相當(dāng)于電介質(zhì)常量ε 在變化，從而電容量也隨之變化。由于液體的介電常數(shù)S1和液面上的介電常數(shù)ε2不同， 比如ε工> ε 2，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，電容量也增大；反之 當(dāng)液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，可通過(guò)兩電極間的電容量的變化來(lái)測(cè)量液位 的高低。電容的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有、和ε 2的恒定才能 保證液位測(cè)量準(zhǔn)確。根據(jù)公式，根據(jù)電容計(jì)算公式C= ε S/4 π kd，ε為電介質(zhì)常量，S為電容極板的 面積，k為靜電力常量，d為極板間的距離。從中可以看出當(dāng)電容極板的面積S—定，極板間 的距離d也一定時(shí)，電容量只與電介質(zhì)常量ε有關(guān)。同時(shí)，根據(jù)電容傳感器輸出電容Cx = Α+Βχ，Α，Β為與電容結(jié)構(gòu)尺寸及被測(cè)介質(zhì)有關(guān)的常量，可得到傳感器的輸出電容量與液位高 度χ成線(xiàn)性關(guān)系。由于第一套管Tl及第二套管Τ2在其中實(shí)際只起到絕緣的作用，并不會(huì) 引起電容量的變化，所以不會(huì)影響第一電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2之間的電容量的變化。當(dāng)所測(cè)介質(zhì)液面在兩根套管之間發(fā)生變化時(shí)，插在套管里的傳感器之間就會(huì)產(chǎn)生 電容量的變化，經(jīng)過(guò)變送器4對(duì)第一電容傳感器Dl及第二電容傳感器D2的電容信號(hào)進(jìn)行 轉(zhuǎn)換處理，即可輸出標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，從而準(zhǔn)確測(cè)量出液位。為了能夠把傳感器采集到的電容量信號(hào)進(jìn)行處理從而輸出電標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，變送器4 的如圖2所示，包括頻率可調(diào)的參考振蕩器，參考振蕩器的頻率通過(guò)電容調(diào)整，參考振 蕩器驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)構(gòu)造對(duì)稱(chēng)的積分器，即第一積分器及第二積分器，積分器的個(gè)數(shù)與電容 傳感器的個(gè)數(shù)相同，第一積分器及第二積分器分別連接所述的第一電容傳感器Dl及第二 電容傳感器D2，第一積分器及第二積分器連接信號(hào)處理電路，第一積分器及第二積分器的 振幅是由測(cè)量端電容Cm和參考端電容Ck決定的，第一積分器及第二積分器振幅的差值所提 供的信號(hào)就反映出測(cè)量端電容Cm和參考端電容Ck的差值，由信號(hào)處理電路計(jì)算出這個(gè)振幅 的差值隨后調(diào)整到所需要的輸出電壓值。所述信號(hào)處理電路包括減法電路，減法電路的后端依次串聯(lián)源濾波器及可調(diào)的放 大器，所述第一積分器及第二積分器振幅的差值通過(guò)有源濾波器濾波為直流電源信號(hào)，然 后送到可調(diào)的放大器調(diào)整到所需要的輸出電壓值。如果兩個(gè)測(cè)量端電容Cm和參考端電容Ck值相同，那么經(jīng)過(guò)整流和濾波得到的一個(gè) 直流電壓信號(hào)就是零。如果測(cè)量端電容Cm改變了 ACM，那么得到的輸出電壓與之是成正比 的。如果兩個(gè)測(cè)量端電容Cm和參考端電容Ck值不相同，那么當(dāng)ACm = O時(shí)，在輸出端得到 的是一個(gè)偏置值，它始終是疊加在直流電壓信號(hào)上的。在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)電容液位計(jì)帶來(lái)的干擾。電容液位計(jì)的兩 根傳感器就像天線(xiàn)一樣很容易受到外來(lái)的高頻干擾，因此需要采取措施保護(hù)高輸入阻抗的 輸入級(jí)。這里采取的EMV抗干擾措施是在所述第二電容傳感器D2及第一電容傳感器Dl上 分別串聯(lián)電阻R1和電阻R2。此電阻與寄生電容(連接傳感器與電子線(xiàn)路的引電纜電容、電 子線(xiàn)路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等所形成的寄生電容)以及 變送器內(nèi)部電容(變送器內(nèi)部電容是變送器內(nèi)線(xiàn)路板上的電容)一起形成低通濾波器，抑
制了高頻干擾信號(hào)。電阻的取值為代=^lA為電阻R1兩端的的電壓，Iqi為通過(guò)測(cè)量
1CM
端電容Cm的電流，K1的范圍為0.01 5V，和盡=，，K2為電阻R2兩端的電壓，Iai為通
1CR
過(guò)參考端電容Ck的電流，K2的范圍為0. 01 5V。
權(quán)利要求一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，包括至少兩個(gè)電容傳感器，即第一電容傳感器(D1)及第二電容傳感器(D2)，第一電容傳感器(D1)及第二電容傳感器(D2)的一端連接傳送器(4)，另一端分別設(shè)于底部密封的第一套管(T1)及第二套管(T2)內(nèi)，第一套管(T1)及第二套管(T2)伸入容器(1)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，在所述第一套管(Tl)及第二套管(T2)的上端設(shè)有用來(lái)固定電容傳感器的第一固定環(huán)(2)及第二固定環(huán) ⑶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，所述的第一傳感器 (Dl)及第二傳感器(D2)的直徑為1 8000mm，長(zhǎng)度為5 50000mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于在所述變送器(4) 上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，所述變送器(4)包括 頻率可調(diào)的參考振蕩器，參考振蕩器驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)構(gòu)造對(duì)稱(chēng)的積分器，即第一積分器及第 二積分器，積分器的個(gè)數(shù)與電容傳感器的個(gè)數(shù)相同，第一積分器及第二積分器分別連接所 述的第一電容傳感器(Dl)及第一電容傳感器(D2)，第一積分器及第二積分器連接信號(hào)處 理電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，所述信號(hào)處理電路 包括減法電路，減法電路的后端依次串聯(lián)源濾波器及可調(diào)的放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電容液位計(jì)，其特征在于，在所述第二電容傳 感器(D2)及第一電容傳感器(Dl)上分別串聯(lián)電阻R1和電阻R2。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種非接觸式高精度電容液位計(jì)，其特征在于，包括至少兩個(gè)電容傳感器，即第一電容傳感器及第二電容傳感器，第一電容傳感器及第二電容傳感器的一端連接傳送器，另一端分別設(shè)于底部密封的第一套管及第二套管內(nèi)，第一套管及第二套管伸入容器內(nèi)。由于本實(shí)用新型電容液位計(jì)的設(shè)計(jì)，使傳感器在介質(zhì)電介質(zhì)常量穩(wěn)定的情況下，即介質(zhì)純度很高且介質(zhì)分布均勻性較好的時(shí)候，輸出電容只與兩根傳感器與套管之間的液位變化時(shí)有關(guān)，與其它因素?zé)o關(guān)。通過(guò)變送器將傳感器的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)電纜遠(yuǎn)傳，于是就能實(shí)現(xiàn)傳感器無(wú)需直接與介質(zhì)接觸，采用非接觸式來(lái)測(cè)量液位，而且測(cè)量的準(zhǔn)確度很高，抗干擾能力較強(qiáng)且體積小巧。
文檔編號(hào)G01F23/26GK201748955SQ201020129239
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者張敏, 李東升, 繆南山, 龔小雷 申請(qǐng)人:上海正帆科技有限公司;上海億欣電子科技有限公司;上海昕通半導(dǎo)體設(shè)備有限公司