專利名稱：電容式水位測量傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量水位用的電容式傳感裝置。
現行的電容式水位測量傳感器所使用的傳感體一般是由金屬導線以及其外的絕緣套管構成。此金屬導線作為一個電極，導電液體——水作為另一電極，其間的絕緣套管作為中間填充介質。測量電路由于電容的充、放電而輸出一相應的微安級電流到測量儀表，從而可測量出對應于此電流的水位。目前使用的測量電路在電路設計上沒能針對這一檢測方式做好電傳信號的轉換處理，從而使得傳感器檢測電信號輸出不符合國家自動化儀表接口標準，且指標離散性很大，相同規格的傳感性不能互換使用，且電路的線性不好，性能指標不穩定。
本實用新型的目的是針對上述缺點，提供一種線路簡單，線性好，指標優良，成本低廉的電容式水位測量傳感器。
本實用新型采用的技術方案本設計由電容式水位傳感體(1)和測量電路組成。其中測量電路包括線性電容檢測電路(2)和線性修正電路(3)。線性電容檢測電路(2)由時基集成電路片IC1、IC2、晶體三極管T1、T2、晶體二極管D1、D2、穩壓管DW、電阻R1～R7和電容C1、C2組成。傳感體(1)輸出的電信號送到IC212、13腳，IC29腳經反向D1與T1基極相聯，同時經R4接Vcc，IC210、14腳和Vcc聯接。IC15腳一方面與IC28腳相聯，一方面經反向D2與T1基極聯接，IC12.6腳相聯后經串聯R2、R1接Vcc，同時經C1與7腳聯接。T1集電極經R5接T2基極，T1發射極接VDD。T2發射極經R6接Vcc，其集電極經R7接C2正極，C2負極接VDD，T2基極經正向DW接Vcc。IC211腳和C2正極均與線性修正電路(3)聯接。線性修正電路(3)包括晶體三極管T3、電位器W1～W3和電阻R6～R10。T3發射極接IC211腳，同時經R8接Vcc，T3基極接W1滑動觸點，其集電極接VDD。W1一固定端經R9接Vcc，其另一固定端經R10接W2滑動觸點，W2一固定端與線性檢測電路(4)中C2正極聯接，同時與W3一固定端相聯，其另一固定端與W3另一固定端聯接后接VDD，W3滑動觸點接VDD。IC1、IC2選用時基集成電路片。在線性電容檢測電路(2)中，IC1、R1、R2、C1組成脈寬和周期可調的方波發生電路，5腳為IC1輸出端。IC2、電容傳感體(1)總電容C、R3組成受IC1輸出電平下降沿觸發的單穩態電路，9腳為IC2輸出端。IC1、IC2輸出的脈沖送入D1、D2、R4組成的與門電路，C點為與門輸出端。與門輸出送入T1、T2、R5、R6、DW組成的恒流脈沖開關放大電路，R7、C2組成輸出濾波電路。在線性檢測電路(3)中，R8、T3、W2組成正反饋線性修正電路。調W1可以調整輸出零點，調W2可調整線性修正反饋量，調W3可改變輸出電壓幅度。
其工作原理是在線性電容檢測電路(2)中IC1、IC2為時基集成電路片。IC1輸出脈沖寬度和周期的確定以及阻容元件的數值選擇是依據下面公式T＝T1＋T2。其中T1＝0.7(R1＋R2)·C1T2＝0.7R2·C1。
式中的T為方波發生電路的振蕩周期。T1為IC1輸出高電平時間，T2為IC1輸出低電平時間。單穩態電路輸出脈寬延時時間由下面公式確定T′＝1·1R3·C。
傳感體(1)總電容C由自由結構的靜止電容C結和全部浸入水中后增加的測量可變電容C變組成，即C＝C結＋C變IC1的低電平脈寬應等于傳感體(1)結構電容C結形成的脈寬。IC1輸出的高電平脈寬應大于測量電容C測形成的脈寬(參看圖2)。這樣，IC1、IC2輸出的脈沖送入與門電路復合后，C結形成的部分脈寬被抵消，保留了C變形成的那部分脈寬，與門輸出脈寬的變化線性地反映了C變的變化，完成了線性測量的目的。檢測脈寬與輸出電壓的轉換由恒流脈沖開關放大電路及R7、C2組成的濾波電路完成，整個傳感器輸出電壓VO最大的幅度，主要由與門輸出的脈沖占空比來決定。
由上所述，傳感體(1)電容C0由自身結構電容C結和可變電容C變組成，而C變又由分布電容C分和測量電容C測組成，即C0＝C結＋C分＋C測。
結構電容C結值是固定的，而C分和C測都是可變的，當C測最小時，C分最大，而C測最大時，C分最小。由于C分的存在和變化，使得本來線性很好的檢測電路，輸出也出現了非線性誤差。C分一般占測量總電容的幾十分之一，不可忽略不計。為了克服此C分給測量輸出帶來的誤差，R8、W2、T3組成了線性修正電路(3)，W2取樣于傳感器的輸出端V。T3為射極跟隨器，與IC2的脈寬控制端11腳相聯。
總之，本測量電路的工作過程是傳感體(1)C測↑→輸出V0↑→T3發射極電壓↑→單穩態電路脈寬增加→輸出V0↑↑。
輸出V0的再增加，抵消了由于分布電容C分因測量電容C測增大而減少造成輸出V0下降的誤差，只要反饋量調整合適就可以彌補測量輸出的線性誤差。
采用本測量電路結構的水位傳感器在供電直流12V時，達到如下指標輸出電流0～10mA最大工作電流≤15mA
負載電阻0～0.5KΩ最小工作電流≤2.5mA測量精度≤0.5％線性誤差測量范圍≤5％時誤差≤20％測量范圍≤10％誤差≤10％測量范圍≤20％時誤差≤2％測量范圍≥30％時誤差≤0.5％本電路設計有恒流脈沖開關放大電路及濾波電路，因此能很好地完成檢測脈寬與輸出電壓的轉換，與門電路使輸出脈寬變化能夠線性地反映C變的變化，而線性修正電路則可彌補C分給測量輸出帶來的非線性誤差。此外，由于采用了時基集成電路片，使線路簡化。
總之，本裝置具有線性好、性能指標良好、線路簡單、操作簡便的優點。
圖1為本測量電路的電路原理圖。
T1為9014、T2、T3均為9012；D1、D2均為1N4148；W1為100KΩ、W2為2.2KΩ、W3為1KΩR1～R10分別為80KΩ、10KΩ、110KΩ、10KΩ、5.6KΩ、47Ω、47Ω、56Ω、100KΩ、250KΩ；C1、C2分別為0.01F、47μF。
圖2為對應于輸出端a、b、c點的脈沖方波示意圖。
圖3為輸出電壓V0與水位深度H間關系的特性曲線圖。
圖4為本實用新型外形示意圖。
電容式檢測傳感體(1)采用SFF型通訊電纜，其末端縛有重錘(4)。
2為線性電容檢測電路(含外殼)。
5為聯接線性電容檢測電路(2)和線性修正電路(3)的屏蔽電纜線。
6為輸出端。
權利要求1.一種由電容式檢測傳感體和測量電路組成的電容式水位測量傳感器，其特征在于，所述的測量電路包括線性電容檢測電路(2)和線性修正電路(3)，電容為C0的檢測傳感體(1)輸出電信號到(2)中時基集成電路片IC212、13腳，IC212、13腳經R3接Vcc，IC29腳經反向晶體二極管D1與晶體三極管T1基極相聯，同時經R4接Vcc，IC210、14腳與Vcc聯接，時基集成電路片IC15腳一方面與IC28腳相聯，一方面經反向晶體二極管D2與T1基極聯接，IC12、6腳相聯后經串聯R2、R1接Vcc，同時經C1與其7腳聯接，T1集電極經R3接T2基極，T1發射極接VDD，T2發射極經R6接Vcc，其集電極經R7接C2正極，C2負極接VDD，T2基極經正向穩壓管DW接Vcc，IC211腳和C2正極均與線性修正電路(3)聯接，IC1、R1、R2、C1組成脈寬和周期可調的方波發生電路，IC2、C0、R3組成單穩態電路，D1、D2、R4組成與門電路，T1、T2、R5、R6、DW組成恒流脈沖開關放大電路，在線性修正電路(3)中，晶體三極管T3集電極與所述的線性電容檢測電路(2)中IC211腳相聯，同時經R8接Vcc，T3基極接電位器W1滑動觸點，其集電極接VDD，W1一固定端經R9接Vcc，W1另一固定端與電位器W2的滑動觸點聯接，W2一固定端與電容線性檢測電路(2)中C2正極相聯，同時與電位器W3一固定端聯接，W2另一固定端與W3另一固定端相聯后接VDD，W3滑動觸點亦接VDD，R7、C2組成輸出濾波電路，T3、W2、R8組成正反饋線性修正電路。
2.根據權利要求1所述的電容式水位測量傳感器，其特征在于，所述的電容式檢測傳感體(1)采用SFF型通訊電纜。
3.根據權利要求2所述的電容式水位測量傳感器，其特征在于，所述的SFF型通訊電纜末端縛有重錘(4)。
專利摘要一種測量水位用的電容式傳感裝置。電容式傳感體將電信號輸入線性電容檢測電路，促使其方波發生電路與單穩態電路輸出脈沖送入與門電路進行復合，從而使與門輸出的脈寬變化線性地反映傳感體浸入水中后增加的所測量可變電容的變化。而線性修正電路則彌補檢測電路輸出所造成的非線性誤差。本實用新型線性好，性能指標優良，線路簡便。
文檔編號G01F23/22GK2084610SQ9022322
公開日1991年9月11日 申請日期1990年11月10日 優先權日1990年11月10日
發明者王洪達 申請人:天津市排水管理處泵站管理所