螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器

1.本发明属于液位检测设备技术领域，具体涉及螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器。


背景技术：

2.液位计是工业测量中一种必不可少的测量仪表和安全附件，广泛地运用于石油、化工、医学、制药等领域。随着科学技术的高速发展以及新型的高科技技术的涌现，液位测量技术的运用范围及测量精度都得到极大的发展与改善。液位测量还可应用在医疗环境下的静脉输液，对患者的输液余量进行实时测量，也可应用于需要实时监测化学试剂等液体的液位，具有很好的应用价值和前景。
3.目前，对液位检测的方法有很多，但一般都需要采用接触式测量的方法，即测量传感器需要接触被测液体，这对于那些封闭瓶装液体和不能接触的药品，就给测量带来不便。利用光电传感器可以实现液位非接触测量，但是测量的分辨率以及精度都不高。电容传感器可以不需要接触液体，易于实现非接触测量，但是传统的极板电容传感器对液位的测量精度不高，性能不理想。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器，解决了现有技术中液位非接触测量精度不高的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器，包括圆柱状绝缘管，绝缘管的外壁黏贴有两个互相平行设置的极板，两个极板在绝缘管外壁自下而上呈螺旋状，两个极板均连接有电容信号传输线。
6.本发明的特点还在于：
7.两个极板的材料均采用紫铜双导箔纸。
8.两个极板的宽度均为15mm，两个极板之间的间距为10mm，两个极板的厚度为2mm，两个极板的螺旋升角均为40
°
。
9.传感器的电容值c如下式(1)所示：
[0010][0011]
式中：ε是传感器初始介电常数，ε1是待测液体的介电常数，d是绝缘管的内径，d是绝缘管的外径，h是待测液体的高度；
[0012]
其中，传感器的电容的初始值c0如下式(2)所示：
[0013]
[0014]
式中，h是电容传感器的高度。
[0015]
传感器的灵敏度k如下式(3)所示：
[0016][0017]
式中，d是圆柱形绝缘管的内径，d是绝缘管的外径，h是待测液体的高度，ε是传感器初始介电常数，ε1是待测液体的介电常数。
[0018]
其中，电容变化量δc如下式(4)所示：
[0019][0020]
式中，ε是传感器初始介电常数，ε1是待测液体的介电常数。
[0021]
本发明的有益效果是：本发明螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器，利用介质的介电常数改变会影响电容值的原理，用电容值的变化量来反映液位的变化量，通过建立电容值和液位之间的数学关系式，来确定最终的液位值，实现液位测量的目的。
附图说明
[0022]
图1是本发明变介质型电容传感器液位测量原理图；
[0023]
图2是本发明螺旋状极板电容传感器电容值随介电常数变化图；
[0024]
图3是本发明极板宽度变化时对传感器性能的影响图；
[0025]
图4是本发明极板间距变化时对传感器性能的影响图；
[0026]
图5是本发明500ml规格的瓶装生理盐水实验测量数据图；
[0027]
图6是本发明500ml瓶装和袋装测量数据图；
[0028]
图7是本发明500ml瓶装输液装置下的不同溶液测量数据对比图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明螺旋状极板液位非接触测量用电容传感器，包括圆柱状绝缘管，绝缘管可以采用有机玻璃等绝缘材料，绝缘管的外壁黏贴有两个互相平行设置的极板，两个极板在绝缘管的外表面自下而上呈螺旋状，两个极板的端部均连接有电容信号传输线，两个极板的材料均采用含铜量为99.99％紫铜双导箔纸，电容信号传输线为具有双层屏蔽效果的rg316作为电容信号传输线。绝缘管的内部是装有待测液体的容器。实际液位测量过程中，盛装液体的容器形状不一，为了适应各种被测容器，将绝缘管设置为圆柱形，可以将不同容器形状的待测液体全覆盖，实现通用性。
[0031]
两个极板的宽度均为15mm，两个极板之间的间距为10mm，两个极板的厚度为2mm，螺旋状极板的螺旋升角为40
°
。本发明中对设计的电容传感器的输出信号可以采用微弱电容数字转换芯片ad7745对其进行测量，最终得到的是数字信号电容值。在完成检测系统的搭建后，对传感器进行标定，即测量不同液位下的电容输出值，拟合得到两者的数学关系式，在检测系统对待测液位进行测量时，将输出电容值代入拟合的数学关系式中，即可实现
本发明对液位测量的目的。
[0032]
如图1所示，为变介质型电容传感器的原理，变介质型电容传感器的工作原理是在测量过程中，两个极板之间的距离以及极板间覆盖面积不变，让介电常数变化。电容的初始值c0可由式(1)表示为：
[0033][0034]
式中：ε是电容初始介电常数，h是电容传感器的高度，d是圆柱形绝缘管的内径，d是绝缘管的外径。
[0035]
若将盛有介电常数为ε1的液体的容器置于电容传感器的内部，设液面高度为h，其输出电容值为：
[0036][0037]
由式(2)可得电容变化量δc为：
[0038][0039]
可见，当待测液体的高度发生变化时，传感器的输出电容值将改变。
[0040]
电容传感器的灵敏度k如式(4)所示：
[0041][0042]
式中h是电容传感器中待测液体的液面高度，d是传感器圆柱形绝缘管内径，d是绝缘管外径。
[0043]
如图2所示，螺旋状极板电容传感器在不同介电常数下的输出信号变化趋势，从图中可以看出电容值随着介电常数的改变而改变，而当传感器中容器内的液体液位发生变化时，实际上是改变了介电常数，说明本发明中的螺旋状极板电容传感器可以用来测量液位的变化。
[0044]
如图3和下表1所示，说明极板宽度对传感器性能的影响，图3(a)为不同的极板宽度时输出的电容值随介电常数的变化曲线，图3(b)为传感器灵敏度曲线。
[0045]
从图中的数据可以看到，极板宽度为15mm时，传感器性能最佳。在相同介电常数下，极板宽度越大，相应的电容值越大，且灵敏度越高，说明极板宽度越大越有利于信号的测量。
[0046]
表1
[0047][0048]
表1为极板宽度变化对传感器检测场内部的场强影响。同时仿真相同介电常数下
传感器检测场内部的电场强度，而电场强度反映了传感器内部的检测场的耦合能力，电场强度和输出电容值可以用来衡量传感器的性能。由表1可见，相同介电常数下，随着极板宽度的增大，其场强也在逐渐增大如图4和下表2所示，说明两个极板的间距对传感器性能的影响。图4(a)为不同的极板间距时输出的电容值随介电常数的变化曲线，图4(b)为传感器灵敏度曲线。表2为极板间距变化对传感器检测场内部的场强影响。
[0049]
表2
[0050][0051]
从图表中数据可以看到，随着电极间距的减小，虽然增加了测量时的电场强度，同时也增加了检测的灵敏度。但是在实际测量中，如果电极间距过小，将会对测量范围和传感器的安装误差产生一定的影响。因此，在选择极板间距时，应兼顾传感器的实际安装情况和测量灵敏度要求，选择适当的间隔，通过分析综合考虑将极板间距设置为10mm，将传感器的检测能力发挥到最佳如下表3，说明极板厚度变化对传感器检测场内部的场强影响，可以看到极板厚度变化对传感器的性能影响不大，因此本发明采用2mm厚度的极板。
[0052]
表3
[0053][0054]
如下表4，说明极板激励电压的大小只影响检测场内的场强，并不影响传感器的输出电容值。
[0055]
表4
[0056][0057]
如图5是在完成检测系统的搭建后对500ml瓶装生理盐水为介质的液位测量实验数据图，对测量数据进行线性拟合，拟合得到传感器输出电容与液位之间的关系：y＝192.1x-1403，其中x为测得传感器的输出电容值pf，y为获得的液位值ml。可以看到，在液位大于50ml以上时，传感器具有良好的线性。
[0058]
如图6为了说明容器形状对测量结果的影响，选择了一种瓶装容器和一种袋装容器进行实验。可以看出，容器不同，在相同的液位高度下，电容传感器输出的电容值不同，这说明传感器的输出与装载液体的容器形状有关，使用前需要分别进行标定。
[0059]
如图7是对同一个容器下不同液体的测量数据，分别选择了生理盐水和不同浓度的葡萄糖溶液进行实验。可以看出，在承载溶液的容器不变的情况下，传感器的输出对不同液体介质不太敏感，说明液体的种类对传感器输出信号影响不大。
[0060]
通过以上方式，本发明基于螺旋状极板的电容液位传感器，利用仿真软件maxwell分析得到传感器的最优结构参数：极板宽度15mm，极板间距10mm，极板厚度2mm，螺旋升角为40度。制作了传感器实物和微弱电容检测系统，并进行了实验。实验结果显示该传感器能够实现液位非接触测量，其测量灵敏度为252ml/pf，而测量范围与传感器的外壳高度尺寸有
关。该传感器在容器不变的情况下，传感器输出与液体的种类无关。当采用不同承载液体的容器时，需要对传感器重新进行标定。