基于CAV444的電容式液位傳感器設(shè)計與優(yōu)化

趙 明，湯曉君，張徐梁，張 濤，寇福林

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安 710049)

?

基于CAV444的電容式液位傳感器設(shè)計與優(yōu)化

趙 明，湯曉君，張徐梁，張 濤，寇福林

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安 710049)

文中介紹了電容式液位傳感器的測量原理，提出了一種基于CAV444線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片的電容式液位傳感器設(shè)計與優(yōu)化方案。該方案根據(jù)所測液位范圍對應(yīng)的電容值變化范圍對調(diào)理電路的輸出電壓進(jìn)行了變換，以提高傳感器的靈敏度，并根據(jù)被測信號的帶寬設(shè)計了低通數(shù)字濾波器，提高了傳感器的抗干擾能力。測試結(jié)果表明，該傳感器性能穩(wěn)定，最大非線性誤差為0.75%，測量結(jié)果線性度好；引用誤差為1.13%，測量準(zhǔn)確度高，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際的液位測量需求。

液位檢測；電容式傳感器；CAV444；數(shù)字濾波器

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，存在著大量的液位測量的需求。油罐車內(nèi)汽油液位的測量，液化天然氣罐中的液位測量，石油化工行業(yè)中的油水分離器中分離界面的測量，水塔水位位測量等應(yīng)用場合都需要用到液位傳感器[1-2]。電容器作為傳感器，能夠方便地將不易測量的液位量轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y量的電容量，有助于實(shí)現(xiàn)對液位的監(jiān)測和控制。常用的電容測量的方法有恒流源對電容器充電的方式和交流鎖相放大的電容測量方法，恒流源充電的方式結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是存在電荷泄露的問題雜散電容對其影響較大；交流鎖相放大電容測量方法抗雜散性能好、精度高，但是電路復(fù)雜，成本高[3]。CAV444線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片是一種高性能的電容-電壓轉(zhuǎn)換集成芯片，使用簡單，測量范圍大(最大可達(dá)2200pF)[4]，可實(shí)現(xiàn)水位等液體液位的準(zhǔn)確測量[5]，但是對于介電常數(shù)比較小的液體(如液化天然氣、煤油等)，液位變化引起的電容量的變化范圍較小，直接測量就很難滿足測量要求。并且液體內(nèi)的雜質(zhì)對結(jié)果影響較大，每次標(biāo)定依靠手動調(diào)節(jié)，增加了標(biāo)定難度和標(biāo)定成本。為此，文中提出了一種基于CAV444線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片的電容式液位傳感器的設(shè)計與優(yōu)化方案。文章采用CAV444線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心搭建測量系統(tǒng)，采用飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)完成控制、通信、軟件標(biāo)定、CAN通信和數(shù)字濾波等軟件處理。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)引起小電容量變化范圍(如300～400 pF)的液位的測量。該系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍廣，標(biāo)定方法簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線通信等特點(diǎn)，可應(yīng)用于大多數(shù)非導(dǎo)電性液體液位測量的工業(yè)應(yīng)用場合。

1 液位傳感器測量原理

電容式液位傳感器是通過測量被測系統(tǒng)的電容值來達(dá)到測量液位的目的。液位傳感器的工作原理如圖1所示，電容器的兩個極板分別是容器中央的金屬電極和容器的金屬外壁，其中C0表示傳感器周圍固定不變的雜散電容，C1為被測液面上方介質(zhì)常數(shù)為ε1的氣體所形成的電容，C2為介質(zhì)常數(shù)為ε2的被測液體形成的電容，L為容器的總高度，H為液位，D為容器直徑，d為金屬電極的直徑。一般情況下被測量的電容是由雜散電容C0與C1、C2并聯(lián)形成的電容CH．其中ε1≠ε2，所以液位的變化將會引起總電容值的變化，從而將液位轉(zhuǎn)化為電容值的大小，可以證明[5]

(1)

式中：ε1、ε2、D、d和L均為不隨時間和液位變化的常量；ln(·)表示自然對數(shù)算子。

由式(1)可以看出，被測電容量CH與液體的液位高度H呈線性關(guān)系。在實(shí)際測量過程中，標(biāo)定零液位電容值和滿量程電容值分別為Cmin、Cmax，測量電容值為CH，則有如下等式[6]

(2)

由式(2)可知，理論上測量所得到的電容值能夠線性的轉(zhuǎn)化為液位，從而實(shí)現(xiàn)對液位的測量。

圖1 液位傳感器示意圖

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

電容測量系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖2所示，電容式液位傳感器獲取到的電容值經(jīng)過電容-電壓轉(zhuǎn)換電路將電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出的電壓信號經(jīng)過前置的放大和濾波處理送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理輸出給外部顯示或者通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，并且可以從上位機(jī)獲得標(biāo)定指令實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的軟件標(biāo)定。

圖2 傳感器系統(tǒng)組成

2．1 電容/電壓轉(zhuǎn)換電路

CAV444線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的電容測量范圍為18～2 200 pF，具有很高的分辨率，線性度高，能夠方便地進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)[4]。

CAV444芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，電容傳感器CM與芯片內(nèi)部的測量振蕩器構(gòu)成振蕩電路，振蕩周期與測量電容CM的大小呈線性關(guān)系。振蕩信號經(jīng)過一個頻率/電壓轉(zhuǎn)換模塊，將振蕩周期轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過濾波模塊，輸出電壓信號，完成電容信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。其中，輸出電壓與內(nèi)置的2.5 V的參考電壓組成差分電壓輸出。

圖3 線性電容/電壓轉(zhuǎn)換電路

由于VOUT1和VREF在小范圍內(nèi)的電容變化，實(shí)驗(yàn)過程中測試，300～400 pF的電壓變化為0.27 V，必須將經(jīng)過進(jìn)一步的放大處理。AD623是一款高精度，高共模抑制比，低漂移，支持單電源供電的儀表放大器。通過調(diào)節(jié)R1，R5可以實(shí)現(xiàn)對傳感器測量范圍的調(diào)節(jié)，Radj實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)輸出0～3 V(AD623的線性區(qū)在0～3.5 V)電壓信號。

2．2 濾波器設(shè)計

在CAV444芯片內(nèi)部集成了模擬濾波器，通過合理設(shè)置濾波電容CF1、CF2的值就能設(shè)置模擬低通濾波器的通帶截止頻率。模擬低通濾波器能夠?yàn)V去電壓信號中的高頻成分，但是在頻率過渡帶上存在非線性相位的問題可能會導(dǎo)致波形的畸變，將數(shù)字濾波器的阻帶截止頻率設(shè)置在模擬濾波器的通帶截止頻率附近，這樣就能將模擬濾波器過渡帶上的非線性相位消除，提高系統(tǒng)的測試性能[7]。

2．2．1 模擬濾波器設(shè)計

CAV444芯片內(nèi)部有濾波模塊，通過校準(zhǔn)軟件analogmicro．en．kali_cav444．xls可以實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)的模擬濾波器的設(shè)計，并且給出最優(yōu)的濾波電容值CF1、CF2，以測量300～400 pF為例。通過校準(zhǔn)軟件可以直接求得電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)由表1可以看出最大允許的輸入信號的頻率為91.58 Hz，模擬濾波器的通帶截止頻率在90 Hz附近。

表1 300～400 pF電容測量的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)

AD623的輸出需要對紋波進(jìn)行處理，紋波的頻率是CAV444內(nèi)部的振蕩器耦合過來的，通過示波器觀測到大約30 kHz的紋波信號，AD623的輸出端加入阻容結(jié)構(gòu)的一階低通濾波器，介質(zhì)頻率設(shè)置在10 kHz，完成對紋波的濾除。

2．2．2 數(shù)字濾波器設(shè)計

根據(jù)模擬濾波器的特性進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計，將數(shù)字濾波器的阻帶截止頻率設(shè)置在模擬濾波器的通帶截止頻率處，也就是將數(shù)字濾波器的阻帶截止頻率設(shè)置為90 Hz(在此衰減80 dB)，液位的變化頻率很緩慢，在10 Hz以下，設(shè)置數(shù)字濾波器的通帶截止頻率設(shè)置為70 Hz(在此衰減3 dB)。模擬濾波器和數(shù)字濾波器的幅頻特性如圖4所示，模擬濾波器的過渡帶在數(shù)字濾波器上基本衰減完全。相頻特性如圖5所示，可以看出數(shù)字濾波器在其過渡帶上仍有良好的線性相位。

圖4 濾波器幅頻特性

圖5 濾波器相頻特性

2．3 軟件設(shè)計

傳感器系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示，主要包括初始化程序、AD轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理程序、CAN通信程序，通過調(diào)節(jié)外部的可調(diào)電阻可以設(shè)定傳感器系統(tǒng)的測量范圍。傳感器系統(tǒng)測得的液位的數(shù)據(jù)通過CAN總線向上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送，需要對液位進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定時，上位機(jī)通過CAN總線對傳感器進(jìn)行控制，零液位和滿量程的電容值的標(biāo)定通過CAN總線通信的方式進(jìn)行軟件標(biāo)定，簡化了系統(tǒng)標(biāo)定的過程。

圖6 軟件程序流程圖

3 測試結(jié)果及其分析

測試實(shí)驗(yàn)選用總高度為1.6 m的煤油(介電常數(shù)2.8[8])儲存罐內(nèi)的煤油液位為測量對象。測量一系列數(shù)據(jù)，并且對傳感的測量誤差，測量線性度，測量結(jié)果的置信度進(jìn)行計算和評估。對十個液面位置進(jìn)行測量得到十組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量誤差記錄數(shù)據(jù) cm

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到傳感器的最大測量誤差為

(3)

由式(3)可知，傳感器滿足2%的測量儀表的要求。

取零液位和滿量程的兩點(diǎn)，進(jìn)行線性擬合，擬合值如表3所示。

表3 線性度測試數(shù)據(jù) cm

(4)

由式(4)可知，最大非線性誤差為0.75%，分別在液位為0，80cm，160cm進(jìn)行重復(fù)性測試，每組測試取10個樣本進(jìn)行測試，測量結(jié)果如表4 所示。

表4 重復(fù)性測試結(jié)果 cm

由表4的3組數(shù)據(jù)可以求得δ1=0.123，δ1=0.245，δ3=0.122．取最大的樣本方差作為該傳感器系統(tǒng)的測量方差，即δ=0.245。

4 結(jié)論

電容式液位傳感器能夠輕易地將非導(dǎo)電液體的液位量轉(zhuǎn)換為便于測量的電容量，采用電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片CAV444能夠?qū)㈦娙葜档拇笮∞D(zhuǎn)化為便于測量的電壓值，并且輸出和輸入滿足線性關(guān)系。該系統(tǒng)滿足一般的工業(yè)測量要求，尤其適用于電容變化量較小的液位測量場合，并能保持較小的測量誤差(引用誤差為1.13%)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了該電容測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、線性度高，測量結(jié)果可靠性好。該傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)方法簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)密封環(huán)境下的液位的測量，進(jìn)一步延伸了CAV444芯片的應(yīng)用范圍，降低了一些特定場合的液位測量成本。

[1] 王毅．電容式油水界面液位傳感器的設(shè)計．中國儀器儀表，2006(5)：56-58．

[2] 程衛(wèi)丹．基于充放電原理的電容式液位傳感器測量電路的設(shè)計．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010(10)：122．

[3] 邱桂蘋．微小電容測量電路．黑龍江電力，2006(10)：362-366．

[4] 電容式信號線性轉(zhuǎn)換電壓輸出接口集成電路CAV444[EB/OL]．[2012-01-20]．http：//www．docin．com/p-94394264．html．

[5] 周燕．基于CAV444的電容式液位傳感器設(shè)計．工礦自動化，2012，(5)：56 59．

[6] 王蕓．基于運(yùn)算法的電容式液位傳感器的設(shè)計．電子測量技術(shù)，2008(3)：122-124．

[7] 劉君華．智能傳感器系統(tǒng)(第二版)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010．

[8] 北京中天科技發(fā)展有限公司．常見物質(zhì)介電常數(shù)表[EB/OL]．[2008-10-12]．http：//www．twell．cn/Picture/DownLoad/20080120104336310426．pdf．

作者簡介：趙明(1990—)，研究生，電磁發(fā)射技術(shù)。 E-mail：zhaoming510@sina．com 湯曉君(1973—)，教授，博士．主要研究方向?yàn)閺?fù)雜多組分體分析。Email:xiaojun_tang@mail.xjtu.edu.cn

Design and Optimization of Capacitive Liquid Level Sensor Based on CAV444

ZHAO Ming，TANG Xiao-jun，ZHANG Xu-liang，ZHANG Tao，KOU Fu-lin

(School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，700019，China)

The measurement principle of capacitive liquid level sensor was introduced at first.And then,that how to design and optimize such a sensor based on CAV444 was proposed.Finally,a liquid level sensor was fabricated and tested.According to the rang of capacitance,which corresponds to the measured level,the output voltage of the conditioning circuit was converted to increase the sensitivity of the sensor,and a low-pass digital filter was designed according to the bandwidth of the signal to improve the resistance of the sensor.Finally,the design and testing of the sensor system were completed.The testing results shovo that the max non-linearity error is 0.75%,maximum fiducial error is only 1.13%,and this sensor has good linearity,high measurement accuracy,and good stability.Therefore,this sensor meets the requirements of practical liquid level measurement.

liquid level measurement; capacitive sensor; CAV444; digital filter

張?zhí)旌?1973—)，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)輔助測試技術(shù)。E-mail：zth@cqut．edu．cn

國家自然科學(xué)基金(51277144)資助項(xiàng)目；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ240127)資助項(xiàng)目

2013-12-18 收修改稿日期：2014-11-09

TP212

A

1002-1841(2015)01-0007-03