電容式油量表設(shè)計(jì)

毛敏

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710300）

0 引言

在行駛過程中，及時(shí)了解油箱中的油量，對(duì)于行駛安全，有著重要意義。目前，普遍采用兩種方法來測(cè)量油箱中的油量。一種是電阻式油量表，油箱內(nèi)的浮球通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。另一種是機(jī)電式油量表，它利用電容器將油面的高低轉(zhuǎn)換為電容量的大小。

1 電容傳感器工作原理

1.1 工作原理

電容傳感器的電容為

式中，A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)。

1.2 電容與液面高度

圖1 同軸內(nèi)外金屬管式電容傳感器

當(dāng)被測(cè)液體（絕緣體）的液面在兩個(gè)同心圓金屬管狀電極間上下變化時(shí)，引起兩電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)（上半部分為空氣，下半部分為液體）的高度變化，從而導(dǎo)致總的電容量的變化。

電容Ch與液面高度h(從管狀電極底部算起)的關(guān)系式為：

式中，h1:電容器極板高度；r：內(nèi)圓管狀電極的外半徑；R：外圓管狀電極的內(nèi)半徑；h：不考慮安裝高度時(shí)的液位；ε0：真空介電常數(shù)（空氣的介電常數(shù)與之相近）；εr1：被測(cè)液體的相對(duì)介電常數(shù)；ε1：被測(cè)液體的介電常數(shù)；ε1=εr1ε0。

2 油量表設(shè)計(jì)

電容傳感器采用橋式測(cè)量電路，電容式油量表如圖2所示。

圖2 電容式油量表

橋式測(cè)量電路中，電橋平衡時(shí)滿足：

當(dāng)油箱中無油時(shí)，電容傳感器的電容Cx為最小值Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R3=R4，Rp=0，電位器的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)，這時(shí)，電橋滿足平衡條件，輸出為零。伺服電動(dòng)機(jī)、減速箱不工作，油量指針偏轉(zhuǎn)角θ=0。

當(dāng)油箱中注入油，油位上升至h處，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx與h成正比，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，再由減速箱減速后，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP的阻值增大，R3+RP也隨之增大。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RP)/R4，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo再次等于零，于是伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，指針停留在轉(zhuǎn)角為θh處。

當(dāng)油位降低時(shí)，Cx=Cx0-ΔCx，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，減速箱減速，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向o點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP的阻值減小，R3+RP也隨之減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到某一數(shù)值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。

指針及可變電阻的滑動(dòng)臂同時(shí)被伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，RP的阻值與θ存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，θ正比于RP的阻值，RP的阻值正比于液位高度h，液位高度h正比于容量，通過計(jì)算可直接從刻度盤上讀出油箱油量。

3 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，把確定體積的汽油倒入油箱中，油量表指針轉(zhuǎn)動(dòng)，最后停留在相對(duì)應(yīng)的油量處。