液位测量传感器系统的设计与实现

     摘要: 为测量深井液面的高度, 针对其口径小、深度大等特点, 克服了一般传感器在其测量上的缺点, 设计了一种电容式液位传感器系统; 它利用被测液体的导电率, 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, 详细描述了传感器的结构、原理、硬件设计及测量方法, 同时对电路波形、实验数据进行了分析; 模拟实验表明, 该系统对液位深度、时间、温湿度等具有测量、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。

　　0 　引言

　　目前, 工程应用中液位的测量常用方法主要有超声波、激光、红外测距、机械浮子、压力传感器测距等几种。这些测量方式对一般液位的测量来说虽有各自的优点, 但对于有些特殊的场合(如渗流井、地下水位、小口径水井等) 却都存在明显的问题和致命的不足: 超声波测距需一定的面积反射, 而且量程一般不超过20m; 激光测距则受介质影响, 管壁折射大,成本高; 红外测距也受介质影响, 需反射镜, 而且自动对焦困难; 机械测量自动化水平低、易磨损、维护不便; 压力传感器在大量程时线性度又不高等。为此, 设计并采用电容式传感器就显得更具有现实意义, 它对口径小(直径不超过10cm) 、深度大等特殊场合的液位测量有着独特的优势, 既克服了以上传感器的测量困难、成本高、维护不便等弱点, 又容易适应现代监测的需要, 提高了测量水平。本系统通过模拟工程中深井的特殊环境, 对该传感器进行了试验测量, 效果令人满意, 并获得了国家实用新型的授权(号: ZL 0322213319) 。

　　1 　传感器测量原理

　　1.1 　传感器的组成

　　图1 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1 　传感器原理图

　　1.2 　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:

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