外文翻譯（譯文）--遠程接地電容式傳感器液位測量系統(tǒng)

1、<p><b>　　中文6190字</b></p><p>　　出處：Reverter F, Li X, Meijer G C M. Liquid-level measurement system based on a remote grounded capacitive sensor[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2007, 13

2、8(1):1-8.</p><p>　　畢業(yè)設計外文資料翻譯</p><p>　　學 院： 機械電子工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 </p><p>　　姓 名： </p>&

3、lt;p>　　學 號： </p><p>　　外文出處： http：//www. sciencedirect.com/ </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　遠程

4、接地電容式傳感器液位測量系統(tǒng)</p><p>　　摘要 本文介紹了遠程接地電容式傳感器液位測量系統(tǒng)的設計和實施，電容式傳感器的電極均由耐用材料組成：一根不銹鋼棒和聚四氟乙烯絕緣線。接口電路依賴一個簡單的弛張振蕩器和微控制器。有源屏蔽電纜將傳感器與接口電路連在一起。在考慮到連接電纜和傳感器寄生元件的情況下，對有源屏蔽電路的穩(wěn)定進行了分析。該系統(tǒng)已在接地金屬容器中通過測量自來水水位進行實驗測試。經過70cm的液

5、位變化范圍，該系統(tǒng)具有小于0.35mm的非線性誤差和在20ms測量時間內分辨率高于0.10mm。</p><p>　　關鍵詞 液位測量 電容式傳感器 有源屏蔽 弛張振蕩器 微控制器</p><p><b>　　1.導言</b></p><p>　　河流，水庫或容器的液位可以通過測量浸在液體內兩電極間的電容而進行監(jiān)控[1]。使用電容

6、式傳感器進行液位測量，具有以下優(yōu)點：低成本（即對于傳感器有比較成熟的技術），低功耗，高線性度，對應用場合的幾何形狀有較高的適應性。</p><p>　　電容式液位傳感器的工作原理取決于液體類型[2,3]。對于導電液體，為了避免短路，兩個傳感器電極中至少有一個是絕緣的。在氣-液分界面以下，液體表現(xiàn)為導體，因此，電容的電介質僅僅是絕緣電極。在氣-液分界面以上，電介質就是絕緣電極與電極之間的空氣，因而產生更小的電容。另

7、一方面，對于非導電液體，電極不需要絕緣。在氣-液分界面一下，電介質是液體（其介電常數(shù)高于空氣），而分界面以上，則是空氣。對于兩種類型的液體，隨著液位的升高，在氣液分界面以下的電極的面積也就增加，進而導致電容增大。</p><p>　　電容式傳感器可分為兩類[4]：浮力電容式傳感器（即該傳感器的電極都不接地）和接地電容式傳感器（即傳感器兩個電極之一是接地的）。前者更可取，因為能抵抗雜散電容干擾的接口電路可以對它們的

8、數(shù)據(jù)進行讀取[4,5]。然而，由于浮力電容式傳感器的安全原因\或者操作條件的限制，接地電容式傳感器仍需應用在一些領域。例如：接地金屬容器中導電液體液位的測量[1,6-9]。文獻[6]公布了一個0.6mm的非線性誤差限（0.1％）和一項對于60cm的測量范圍允許有0.1mm的非線性誤差的決議。另一方面，文獻[7]公布了一個1%的非線性誤差線和一項對于70cm的測量范圍允許有1mm的非線性誤差的決議。</p><p>

9、;　　在許多工業(yè)應用中，傳感器是遠離電子器件的，例如：在油庫底部的水位測量[8]。在這些情況下，為了減少外部噪聲的影響/干擾，傳感器用屏蔽電纜連接到接口電路。對于接地電容傳感器，普通的被動屏蔽（防護罩連接地面）是不合適的，因為電纜的附加電容會與電容器的電容同時存在，而且電纜的附加電容能夠遠大于由于環(huán)境條件引起的傳感器的電容。為了減少這種附加的電容的影響，接地電容式傳感器一般采用有源屏蔽技術連接到接口電路[4,5]，這種技術需要依靠不斷對

10、電纜內導體的潛力進行抽樣并通過放大器將其應用到屏蔽中。令人遺憾的是，當這種技術應用時，電纜的附加元件回引起電子元件的不穩(wěn)定和誤差[10]。傳感器的附加元件(它在大型傳感器中作用巨大，正如本文中涉及到得液位傳感器) 也可以在有源屏蔽電路性能表現(xiàn)上起著重要的作用，但其影響尚未分析。</p><p>　　本文介紹了以遠程電容式傳感器為基礎的液位測量系統(tǒng)得設計和實施。它提供了在有源電路中，對因附加元件產生的影響的詳細分析

11、（包括連接電纜和傳感器）。該系統(tǒng)已經通過在接地金屬容器中測量液體（自來水）導電水平進行試驗測試。</p><p><b>　　2.傳感器</b></p><p>　　圖1.金屬容器中電容液位傳感器的原型。</p><p>　　2.1.傳感器的原型</p><p>　　圖1顯示了傳感器原型設計的圖片。傳感器約一米高，有兩個

12、電極，其中一個是絕緣的，進而能夠測量導電液體。非絕緣電極是一根不銹鋼棒，在操作條件下會系統(tǒng)接地。絕緣電極是聚四氟乙烯絕緣線，其名義的內徑和外徑分別為1mm和1.5mm，由于傳感器電容直接取決于它的厚度和電介質的絕緣常數(shù)，使用諸如聚四氟乙烯（通常被叫做特氟綸）這樣的材料是必須的，因為它溫度穩(wěn)定，無孔，不粘并且耐腐蝕。線路設置成U形，因此兩端均露在水面上。這種構造避免了在水下捕捉并連接線端，而且，它使傳感器的電容加倍[6]。據(jù)初步實驗測試，

13、使用雙絞線作為絕緣電極并不是可取的，這將明顯惡化線性和滯后現(xiàn)象；這是因為水可以很容易地以不可預知的方式浸粘電線。在傳感器的頂端有一塊硬質塑料用于設置導線的張力。</p><p>　　2.2.理想的電容式傳感器</p><p>　　當測量導電液體的液位時，傳感器的總電容實際上等于氣液分界面以下兩電極間的電容。這類電容顯示了一個同軸電極配置，換言之，一個電極是導線，另一個電極是絕緣導線周圍的導

14、電液體。因此，該電容的理論值可用下式計算文獻[1]：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在這里為真空介電常數(shù)（=F/m），絕緣線的相對介電常數(shù)，和分別是絕緣線的內徑和外徑，h是液位高。兩個因素中，第一個是考慮到金屬線做成U形，做第一個近似，電容加倍。根據(jù)方程（1），=2.04，=1mm，=1.5mm，我們可以準確得到=0.56pF/mm。

15、</p><p><b>　　2.3.電路模型</b></p><p>　　圖2a是為電容式傳感器設計的電路模型。電容是圖（1）所描述的理想電容，和分別是液體的電阻和電容[2,11],是電感系數(shù)。假設該傳感器的激勵信號的頻率足夠高（大約20kHz）以致可以忽略阻抗極化的影響[12]。</p><p>　　圖2.（a）電容式液位傳感器的電路模型。

16、（b）簡化低頻電路模型。</p><p>　　（c）簡化高頻電路模型。</p><p>　　當液體能夠導電并且激發(fā)信號的頻率不太高（幾十到幾百千赫），的影響將優(yōu)于，并且的影響可以忽略。將電路模型簡化成圖2b，這更接近理想值（即只受的影響）。因為這個原因，用作接口電路的振蕩器工作在這樣的頻率范圍。另一方面，在高頻下，的影響將優(yōu)于，因此電路模型簡化成圖2c。這種高頻電路模型適用于對主動屏蔽電路

17、進行穩(wěn)定性分析（第四部分）。</p><p><b>　　2.4.傳感器特性</b></p><p>　　設計傳感器原型的阻抗使用阻抗分析儀（安捷倫4294A）在20 kHz和15MHz內進行測量。然后，測量結果用于提取圖2a中電路模型的參數(shù)。圖3顯示不同的自來水水位的特性結果。電容隨著水位高低線性增減，正如公式一。靈敏度是0.47pF/mm，這與2.2節(jié)中所陳述的值

18、極其相似。盡管電容能夠線性增減[11]，但電阻Rw的增減與液位的變化成反比，著正式我們期望的。最后，電感隨液位的變化線性增減；這是因為當前回路面積隨著液位的升高而減小。</p><p>　　圖3 電容式液位傳感器的特性結果。</p><p><b>　　3.接口電路</b></p><p>　　接地的電容式液位傳感器的接口電路設計見圖4。主要模

19、塊有：</p><p>　?。?）模擬多路復用器，選擇要測量的電容，</p><p>　　（2）一弛張振蕩器，用于電容周期性轉換，還有</p><p>　?。?）一個微控制器，用于完成測量過程向數(shù)據(jù)的轉換。</p><p>　　該接口電路運用三重信號技術[13]對附加（偏移）和/或乘法（增益）錯誤（例如，根據(jù)溫度過高或供電電壓變化）進行自動校

20、準。這項技術涉及三個測量方法：</p><p>　?。?）傳感器的測量，</p><p><b>　?。?）參考測量，和</b></p><p>　?。?）偏移量的測量。</p><p>　　選擇的參考為330pF的NP0型陶瓷電容器（），這接近圖3中電容傳感器的最大值。偏移量是由接地的整體雜散電容（該接口電路而非傳感器

21、的）所表示。偏移電容將影響三個測量過程。</p><p>　　圖4 接地的電容式液位傳感器的接口電路設計。</p><p><b>　　3.1.復用器</b></p><p>　　這個復用器有三個二對一的開關，選擇連接振蕩器的電容。對于每個測量過程，相應的開關連在A位置（即連接到振蕩器），其他兩個在B位置（即接地）。例如，對于傳感器的測量，開關

22、S1在位置A，S2和S3在位置B。表1概括了三種測量方法中任一種連接振蕩器的等效電容的值。</p><p><b>　　表一</b></p><p><b>　　3.2.弛張振蕩器</b></p><p>　　一個簡單的張弛振蕩器（圖5a）可以把接地電容C（它代表圖4中復用器選定的三個電容其中一個）轉換成周期性調節(jié)信號[1

23、4，15]， 這樣一個振蕩器需要用到一個RC電路(由電阻和電容C組成)和一個用作施密特觸發(fā)器的比較器。圖5b給出了通過電容C后電壓的輸出波形。輸出信號的周期為[14]：</p><p>　　, (2)</p><p>　　其與C成比例，施密特觸發(fā)器的臨界電壓值為：</p><p>

24、;　　, (3)</p><p>　　, (4)</p><p>　　我們選擇==(=10k)因此=/3,=2/3, T = Cln 4。充電電阻=100 k，根據(jù)圖3和方成2中的的值，使電路在21

25、kHz和360kHz的頻率范圍內震蕩。這一操作頻率范圍對于傳感器和進行時間測定的微控制器都是合適的。此外，的取值要比（圖2b）的大很多，因此后者對測量的影響可以認為是微不足道的。表1概括了每一個測量中由此產生的周期（，，），在這里，k=ln4。</p><p>　　圖5 （a） 弛張振蕩器作為電容-周期轉換器。 （b）振蕩器工作時和得波形。</p><p><b>　　

26、3.3.微控制器</b></p><p>　　微控制器控制多路復用器并且測量振蕩器輸出信號的周期。周期的測量是通過嵌入式數(shù)字定時器而進行的，因此得到了數(shù)值N[16]。所選用的微控制器是PIC16F876（微晶片），以20MHz的頻率運行。嵌入的16位定時器1和CCP1捕捉模塊負責以= 200納秒的分辨率進行時間測量。為了減少量子化的相對影響，微控制器連續(xù)對128個周期的振蕩器輸出信號進行測量。表1列出

27、了每一次測量的結果值（,和）。 </p><p>　　一旦我們有了,和的值，可以通過3重信號自動校準技術來計算下面的比值[13]：</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　根據(jù)表1和方程（5），傳感器的電容值可以用=M估計。</p><p><b>　　4.有源屏蔽</b>&

28、lt;/p><p>　　電容式傳感器通過一個三軸電纜連接到接口電路，如圖4所示。第一次使用有源屏蔽技術（即屏蔽是在與內部導體具有相同的潛力的情況下起作用的）作為屏障，測量該電纜的附加電容時影響就會大大減少。第二個屏障接地并作為當前的返回路徑。</p><p>　　圖6a中顯示了有源屏蔽電路連同理想的電容式傳感器和振蕩器電路的電阻器（圖5a）。電纜的屏蔽是通過一個配置成電壓跟隨器的運算放大器（O

29、pAmp）而起作用的。要想有一個穩(wěn)定并且精確的有源屏蔽電路，其中關鍵的一點是運算放大器單位增益的選取[10]。接下來我們解釋已經連接的電纜和傳感器的附加元件是怎樣決定的。</p><p>　　圖6（a）有源屏蔽電路。 （b）包括連接電纜的附加元件的等效電路。 （c）同時包括連接電纜和電容器的附加元件的等效電路。</p><p>　　圖6b顯示的是在考慮連接電纜的附加元件的情況下圖6a

30、的等效電路。代表內部導體和電纜的第一屏障之間的電容，是電路和之間的電感，是相互連接的導體的電阻。電路還包括運算放大器的輸出電阻。此電路的穩(wěn)定條件是[10]：</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　其中頻率定義為該運放能保證穩(wěn)定的最大允許帶寬。</p><p>　　所使用的電纜是通過阻抗測量儀測量其特性的，結果是=98p

31、F/m，=620nH/m，=1.0/m.運放的輸出電阻一般是在50到200的范圍內變化[17]；最小值=50是穩(wěn)定性最差的情況，因為此時最小。對于，當其為最大值的時候穩(wěn)定性最差，即液位為最大值的時候（根據(jù)圖3=340pF）。另外，從3.2節(jié)中，我們有=100k。因此，根據(jù)（6）式，1米互聯(lián)電纜的穩(wěn)定條件是<16.9MHz。</p><p>　　圖6c給出了線纜和電容式液位傳感器的附加元件均考慮時的等效電路。

32、從穩(wěn)定性分析的角度來看，高頻傳感器的電路模型（圖2c）比低頻傳感器的電路模型（圖2b）更關鍵，處于這個原因，前者被應用于圖6c。此電路的穩(wěn)定條件可以很容易由（6）式得到：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　當容器充滿時，我們得到=340pF，=971pF，=501nH（圖3）。由此根據(jù)（7）式，一米長連接線纜的穩(wěn)定條件是<10.1M

33、Hz，這比前面發(fā)現(xiàn)的問題跟嚴重。因此，傳感器的附加元件大幅降低了值，換句話說，這使得電路更加易受不穩(wěn)定因素的影響。</p><p>　　如果線纜或是傳感器的長度有一個增加的話，的值就會減小，因此，窄帶運放為了避免不穩(wěn)定就應該及時調整。另一方面，如果線纜或是傳感器中有一個的長度減小的話，那么的值就會增加，寬帶運放就應及時調整?？紤]到運放的帶越寬，振蕩器輸出信號[10]的周期誤差就越小，因此帶寬應越大越好。</

34、p><p>　　5.實驗結果以及討論</p><p>　　對所設計的測量系統(tǒng)性能利用圖1所示的設置進行實驗測試。傳感器放在一個接地的金屬容器（直徑42cm高度84cm）內，該傳感器大約位于容器中心，但是在其他位置（除了和容器壁極其接近的地方）的性能應該是相同的。所使用的液體是自來水（電導率為0.5mS/cm），自來水通過容器底部的兩個管子加入和排出。實際的液位是通過加入和排出的液體體積（通過化

35、學測試管準確控制）及容器的面積計算的。傳感器通過一米長的連接電纜接到內部電路。</p><p><b>　　5.1.穩(wěn)定性</b></p><p>　　表2 對于具有不同單位增益帶寬的集成運放的穩(wěn)定性的試驗測試結果（）</p><p>　　對于一些不同帶寬的商用集成運放，有源屏蔽電路的電子器件的穩(wěn)定性是以最高液位（大概70cm）進行實驗測定的。

36、表2給出了集成運放的名義和實測的的值，和理論穩(wěn)定條件相符合的穩(wěn)定結果（即<10.1MHz）出現(xiàn)在第四部分。出于穩(wěn)定性的考慮，表2中的前三個任何一個都是很好的選擇。然而，出于精確度的考慮，選擇寬帶集成運放是更合理的。因此，對于設計有源屏蔽放大器，應選擇OPA743。</p><p><b>　　5.2.線性</b></p><p>　　圖7顯示了在0厘米和70厘米

37、范圍變化的不同水位的測量比率M。為了避免物理滯后效應，各級都呈增長模式。通過最小二乘法使直線擬合實驗數(shù)據(jù)為：</p><p>　　M=0.0148h+0.0864 ， （8） 其中h是以厘米為單位的液位高度。方程（8）中顯示靈敏度為0.0148，偏移量為0.0864，這基本上是由傳

38、感器的偏移電容決定的。圖7顯示了非線性測量的誤差。最高非線性誤差約為滿刻度量程（FSS）的0.05％，其數(shù)值對應于0.35mm。雖然是遠程傳感器，這種線性結果要好過[6,7]中的那些規(guī)定，考慮到這是簡單的設計原型，這是非常令人滿意的。</p><p><b>　　水位</b></p><p>　　圖7 線性測試的實驗結果。</p><p>&l

39、t;b>　　5.3.分辨率</b></p><p>　　對于一個穩(wěn)定的液位，氣比率M的標準差小于25×，在數(shù)值上為0.02mm。對于比率M的兩組數(shù)據(jù)的直方圖中，相差0.1mm液位的M值可以清晰地分辨出，這意味著分辨率高于0.1mm。經過一段70厘米的水平范圍，這個分辨率幾乎是13位的。與第5.2節(jié)相同，這些分辨率的數(shù)值仍比[6,7]中規(guī)定的要好，雖然是遠程傳感器。實現(xiàn)這個分辨率的總的測

40、量時間低于20ms，這是完全可以在液位測量時使用的。</p><p><b>　　5.4.磁滯現(xiàn)象</b></p><p>　　圖8給出了一個滯后測試的實驗結果。對于一個特定水位的比率M值取決于該水位所達到的方位；確切地講：M在減少模式要比在增長模式更高。最高滯后誤差為0.13％的滿量程，這對應于0.90mm。此滯后的原因是“回流現(xiàn)象”[2]: 當液面下降時，它將使得

41、傳感器電極上留下一層影效，引起該系統(tǒng)標示值高于預期值。這種回流影效取決于粘度，密度和液體表面張力。當液體以同樣的方式（即要么通過減少要么通過增加）達到同樣的液位時，M的結果是相同的，從而呈現(xiàn)出良好的重復性。在圖8中滯后測試的開始和停止點就是這種情況的案例。</p><p>　　圖8 滯后測試實驗結果。</p><p><b>　　5.5.溫度效應</b></p&

42、gt;<p>　　比率M（在最高水位）和水溫會連續(xù)幾個小時進行測量。在溫度測量范圍內（23℃到28℃范圍之間），M的溫度系數(shù)大致是?200×℃（見圖9），在最大水位其值為-0.13mm/℃。這種溫度特性不僅歸因于該傳感器系統(tǒng)，還與水位有著聯(lián)系。由于水的熱膨脹性，容器的熱膨脹和水分的蒸發(fā)，液面變化會隨著溫度的變化而變化。在我們的測量裝置中，通過在液面上加一層薄薄的油膜極大削弱了水分蒸發(fā)的影響。在這些條件，液位的溫度

43、系數(shù)幾乎等于水的體積熱膨脹系數(shù)，在25℃下為250×℃。因此，傳感器系統(tǒng)的溫度系數(shù)是-450×℃。也許這個溫度的依賴主要是由于傳感器，而不是接口電路。這種溫度依賴性主要歸因于傳感器，而不是接口電路。例如，溫度的增加可以擴大絕緣電極的絕緣厚度（因此增大直徑），因此可以減小和M，從而產生負溫度系數(shù)。根據(jù)方程（1），如果的溫度系數(shù)是150×℃（即聚四氟乙烯的線性熱膨脹系數(shù)），因此的溫度系數(shù)是-370×℃

44、，這個結果與以前所發(fā)現(xiàn)的相當吻合。</p><p>　　圖9 溫度效應的實驗結果。</p><p><b>　　6.結論</b></p><p>　　遠程接地電容式傳感器液位測量系統(tǒng)已經提出。并將有源屏蔽技術應用于連接傳感器和接口電路。為了有一個穩(wěn)定的電路，有源屏蔽放大器的帶寬必須符合穩(wěn)定條件（7），這取決于連接電纜和傳感器的附加元件。一個簡單

45、的弛張振蕩器被用作接口電路。對于該傳感器的性能以及隨后微控制器進行的時間測量來說，工作頻率在在幾十千赫到幾百千赫范圍內都是可取的。盡管設計原型比較簡單，實驗結果卻非常令人滿意。在70厘米的液位變化范圍內，誤差（由于非線性，滯后和溫度的影響）小于1mm而且在20毫秒測量時間內分辨率優(yōu)于0.1毫米。因此，該系統(tǒng)也可用于泄漏檢測。</p><p><b>　　鳴謝</b></p>&