專利名稱：數(shù)字電容式料位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種非接觸式物料料位連續(xù)測量儀表。
電容式料位計(jì)的檢測機(jī)理是在容器內(nèi)放入一個(gè)測量電極和一個(gè)參考電極(參考電極可用容器壁所代替)，測量電極與參考電極間形成了一個(gè)電容器，當(dāng)物料料面變化時(shí)，因介質(zhì)的變化，此電容器的電容值也隨著料面的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。電容式料位計(jì)就是通過精確的檢測出電容器容量的數(shù)值，間接的檢測出物料的料位。
目前國內(nèi)外生產(chǎn)的電容式料位計(jì)盡管在外型、結(jié)構(gòu)、元器件等方面存在著較大的差異，但其基本都是以模擬電路為基礎(chǔ)，工作原理也很相近。具有代表性的工作原理方框圖如圖1所示，這種料位計(jì)由高頻信號(hào)振蕩源、檢測環(huán)節(jié)、輸出變換環(huán)節(jié)、二次儀表所構(gòu)成。其工作原理為高頻信號(hào)振蕩源向被測電容注入一高頻電壓信號(hào)。我們知當(dāng)外加電壓的幅度、頻率不變時(shí)流過電容器的電流與電容器的容量成正比，而在電容式料位計(jì)中被測電容Cx的值與物料的位置相關(guān)，當(dāng)物料的位置變化時(shí)其容量也隨著變化，從而引起流過電容Cx的電流的變化，通過檢測流過電容Cx的電流的大小就間接地檢測了物料的料位。檢測環(huán)節(jié)將流過電容器的微小電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)放大后，送入變換環(huán)節(jié)。變換環(huán)節(jié)最終輸出一個(gè)代表實(shí)際料位的電壓(電流或頻率)信號(hào)由二次儀表再將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出、顯示。
由于這種料位計(jì)主要以模擬電路為基礎(chǔ)，電路中的高頻信號(hào)振蕩源的輸出電壓幅度、頻率，檢測環(huán)節(jié)，變換環(huán)節(jié)等電路都存在著不可忽視的溫度漂移的問題。無論是通過實(shí)際使用還是理論分析都表明現(xiàn)有料位計(jì)電路受溫度的影響是比較大的，需要在使用當(dāng)中隨季節(jié)的變化不斷調(diào)整。由于受工作穩(wěn)定性的制約這種電路的靈敏度不可能做得很高，因此不能用于電介常數(shù)較小的物料料位的測量。另外由于輸入阻抗高(100仟?dú)W以上)探頭漏電也將嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和降低其抗低頻干擾信號(hào)的能力。
研制本實(shí)用新型的目地在于1.解決現(xiàn)有料位計(jì)溫度穩(wěn)定性差的問題，并力求在技術(shù)上有較大的突破。
2.提高靈敏度，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。
3.提高整機(jī)的抗干擾能力。
4.設(shè)計(jì)出一種造價(jià)低、適于批量生產(chǎn)的新產(chǎn)品。
本實(shí)用新型提出一種數(shù)字電容式料位計(jì)。其工作原理與國內(nèi)外現(xiàn)有電容式料位計(jì)的工作原理不同。它采用了全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，不但在電路上設(shè)計(jì)新穎，而且大大提高了儀表的溫度穩(wěn)定性。其工作原理方框圖如圖2所示。它由檢測振蕩源、基準(zhǔn)振蕩源、數(shù)字差頻器、輸出環(huán)節(jié)和二次儀表所構(gòu)成。
其工作原理為檢測振蕩源輸出一個(gè)隨被測電容Cx值增大而降低的頻率信號(hào)Fx，基準(zhǔn)振蕩源輸出一個(gè)固定的頻率信號(hào)Fo。信號(hào)Fo，F(xiàn)x分別通過窄脈沖輸出分頻電路后送入數(shù)字差頻器。數(shù)字差頻器的輸出信號(hào)為F＝Fo’－Fx’。
式中Fo’－－－Fo經(jīng)過分頻器后的輸出信號(hào)。
Fx’－－－Fx經(jīng)過分頻器后的輸出信號(hào)。
F－－－數(shù)字差頻器輸出的頻率信號(hào)。
由于被測電容Cx正比于物料料位，故檢測振蕩源的輸出Fx反比于物料料位，因此差頻器的輸出信號(hào)F就代表了物料的料位，并隨物料料位的增高而增高。輸出環(huán)節(jié)將差頻器輸出的脈沖轉(zhuǎn)換成滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求的具有一定幅值和脈寬的信號(hào)送往二次儀表。二次儀表再將頻率信號(hào)F還原成與實(shí)際料位相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或數(shù)值。
數(shù)字電容式料位計(jì)的電路工作原理圖如圖3所示R1、R2、C1、C2、C3、C4、Cx、U1A、U1B構(gòu)成了檢測振蕩源。C5、C6、C7、R2、W2、U1C、U1D構(gòu)成了基準(zhǔn)振蕩源。R8、C16、U2A、U2B、U5E、U5F、U7C構(gòu)成了一個(gè)窄脈沖輸出分頻電路，它據(jù)有分頻和單穩(wěn)輸出的功能。R6、C15、U3A、U3B、U5B、U5C、U7A構(gòu)成了另一個(gè)窄脈沖輸出分頻電路。U6A、U6B、U7B構(gòu)成了數(shù)字差頻器。R9、C17、U5A、U7D構(gòu)成了一個(gè)窄脈沖觸發(fā)單穩(wěn)電路。R10、LN、T1構(gòu)成了隔離輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。V、C12、C13、C14為電源部分。C8～C11為退藕電容。LED1為電源指示燈。R5為LED1的限流電阻。TA1、TA2為被測電容輸入端子。TM1、TM2為電源輸入端子。TM3、TM4、TM5為測量信號(hào)輸出端子。TM6為參考電極接線端子。
電路的工作原理為檢測振蕩源和基準(zhǔn)振蕩源輸出的頻率信號(hào)分別通過窄脈沖輸出分頻電路送入數(shù)字差頻器。數(shù)字差頻器的功能為輸出頻率與兩個(gè)輸入頻率信號(hào)之差成嚴(yán)格的正比關(guān)系。檢測振蕩源的輸出信號(hào)，通過窄脈沖輸出分頻電路后，送至數(shù)字差頻器的一個(gè)輸入端；基準(zhǔn)振蕩源的輸出信號(hào)通過窄脈沖輸出分頻電路后，送至數(shù)字差頻器的另一個(gè)輸入端。因此，便有關(guān)系式F＝(Fo－Fx)／256。
式中256為窄脈沖輸出分頻電路的分頻常數(shù)。
如前所述，當(dāng)料位變化時(shí)，測量電極與參考電極間形成的電容器的數(shù)值也隨著產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而使Fx振蕩器的輸出頻率也發(fā)生相應(yīng)的變化。Fx振蕩器輸出頻率的變化就代表了物料的變化。由于Fx僅反應(yīng)出物料料位與某一參考值相比發(fā)生了變化，還不能代表物料的真實(shí)值。設(shè)當(dāng)空倉至滿倉變化時(shí)Fx從2000KHz變化到1500KHz，F(xiàn)o＝2000KHz。則當(dāng)空倉至滿倉變化時(shí)，數(shù)字差頻器的輸出為F＝0～500KHz／256。故數(shù)字差頻器的輸出就代表了料面的高低。窄脈沖觸發(fā)單穩(wěn)電路輸出一定寬度的脈沖序列，通過光電藕合器LN驅(qū)動(dòng)T1輸出具有一定幅度和脈寬的頻率信號(hào)遠(yuǎn)傳至二次儀表。二次儀表再將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成與倉位對(duì)應(yīng)的信號(hào)。二次儀表根據(jù)要求不同據(jù)有三種形式，分別為頻率－電壓－電流轉(zhuǎn)換儀表、以EPROM為校正元件的數(shù)字－電壓－電流轉(zhuǎn)換儀表和以單片機(jī)為核心的智能二次儀表。
整機(jī)性能分析1、穩(wěn)定性分析。
A、除振蕩源外，其余部分不存在溫漂的問題。
B、振蕩源自身具有良好的溫度穩(wěn)定性(以通過大量試驗(yàn)證明)。
C、數(shù)字差頻電路具有良好的消除同向漂移的能力。由于兩個(gè)振蕩器的結(jié)構(gòu)相同，參數(shù)相近，工作環(huán)境相同，如果電路有漂移大小方向也是一致的，而差頻器的輸出取決于Fo－Fx，所以這種漂移可在數(shù)字差頻器中被消除掉。
2、抗干擾能力分析。
A、輸入阻抗低，對(duì)低頻干擾信號(hào)具有很大的衰減能力。
B、在二次儀表中對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分處理對(duì)高頻干擾信號(hào)有較強(qiáng)的衰減能力。
C、輸出采用光電隔離有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。
3、靈敏度分析。
本電路當(dāng)Fo為2MHz，F(xiàn)x為2MHz～1.5MHz間變化時(shí)，對(duì)Fx的分辯率為0.0512％。當(dāng)然，如果提高振蕩器的頻率或降低前級(jí)的分頻級(jí)數(shù)，還可進(jìn)一步提高靈敏度。
本實(shí)用新型與目前國內(nèi)外大量使用的電容式料料位計(jì)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、穩(wěn)定性好。
2、抗干擾能力強(qiáng)。
3、靈敏度高。
4、無專用、精密器件安裝調(diào)式方便成本低。
本實(shí)用新型采用中大規(guī)模集成電路與現(xiàn)有電容式料位計(jì)相比無專用變壓器、無電感元件、無線性電路、無精密器件、安裝調(diào)式方便成本不足同類進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格的十分之一。



圖1現(xiàn)有電容式料位計(jì)的工作原理方框圖。
圖中Cx－－－－－－－－－為被測電容(探頭與料倉間的分布電容)。
圖2連續(xù)測量數(shù)字電容式料位計(jì)的工作原理方框圖。
圖中Cx－－－－－－－－－為被測電容。
圖3連續(xù)測量數(shù)字電容式料位計(jì)的工作原理電路圖。
圖中U1、U4、U5－－－－－－－－－－－－－施密特觸發(fā)器。
U2、U3－－－－－－－－－－－－－－－－－計(jì)數(shù)器。
U6－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－D觸發(fā)器。
C－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－電容R－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－電阻。
D－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－二極管。
V－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－穩(wěn)壓電源。
T1－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－三極管。
LN－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－光電藕合器。
TA、TM－－－－－－－－－－－－－－－－－端子。
圖4數(shù)字雙積分型電容式料位計(jì)的外型圖。
電路板安裝于殼體內(nèi)，電源及信號(hào)由插座聯(lián)接。
圖中1－－－為殼上蓋。2－－－為密封圈。3－－－為電纜插座。
4－－－為殼體。5－－－為安裝鎖緊螺母。6－－－為聯(lián)接螺母。
7、9－－－為連桿鎖緊螺母。8－－－為連桿。10－－－為探頭。
權(quán)利要求1.一種料位測量裝置，電子線路安裝于殼體內(nèi)并同一個(gè)與殼體相絕緣的測量電極相連接，其特征是被測電容Cx和C3、C4串聯(lián)后與諧振電容C2相并聯(lián)，窄脈沖輸出分頻電路由U2、U5∶F、U5∶E、U7∶C、R8、C16、連接而成，數(shù)字差頻器由U6、U7∶B連接而成，檢測振蕩源輸出的頻率信號(hào)通過一個(gè)窄脈沖輸出分頻電路后與數(shù)字差頻器的一個(gè)輸入端相連接，與檢測振蕩源結(jié)構(gòu)對(duì)稱的基準(zhǔn)振蕩源輸出的頻率信號(hào)通過另一個(gè)窄脈沖輸出分頻電路后電數(shù)字差頻器的另一個(gè)輸入端相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種全數(shù)字化結(jié)構(gòu)的電容式料位計(jì)，它適用于在惡劣工業(yè)環(huán)境下對(duì)液體、粉狀、固體物料料位的測量。它是由檢測振蕩源、基準(zhǔn)振蕩源、窄脈沖輸出分頻電路、數(shù)字差頻器、輸出環(huán)節(jié)及二次儀表所構(gòu)成。該料位計(jì)的設(shè)計(jì)超脫了現(xiàn)有電容式料位計(jì)的設(shè)計(jì)思想，解決了原有電路溫漂大的問題，并大幅度地提高了可靠性、靈敏度和抗干擾能力。
文檔編號(hào)G01F23/26GK2121020SQ9220679
公開日1992年11月4日 申請(qǐng)日期1992年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月17日
發(fā)明者盧亮 申請(qǐng)人:盧亮