光功率推動(dòng)電容式差壓傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用

光功率推動(dòng)電容式差壓傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用摘要

本文介紹了電容式差壓傳感器油罐液位高度測(cè)量系統(tǒng)的基本組成，分析了此系統(tǒng)的基本工作原理,提出了關(guān)于此系統(tǒng)液位測(cè)量的差壓方法,從理論和實(shí)驗(yàn)上論證測(cè)量電路的微功耗特點(diǎn)。主要內(nèi)容引言測(cè)量系統(tǒng)的組成測(cè)量系統(tǒng)的工作原理測(cè)量電路功耗計(jì)算信號(hào)處理

對(duì)原油儲(chǔ)罐精確檢測(cè)、計(jì)量和及時(shí)掌握儲(chǔ)罐庫(kù)存，關(guān)系到灌區(qū)以及相關(guān)生產(chǎn)裝置的安全和平穩(wěn)運(yùn)作、油品交換中的計(jì)量和經(jīng)濟(jì)核算。同時(shí)，準(zhǔn)確檢測(cè)油位防止油品溢出，也是確保安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的重要手段。近年來(lái),先后出現(xiàn)了鋼帶浮子式、司服式、雷達(dá)式、超導(dǎo)式、靜壓式等檢測(cè)方法。但是，相關(guān)的儀表和系統(tǒng)均存在不同程度的缺點(diǎn)，主要是精度低、有機(jī)械可動(dòng)部件、可靠性低、安裝保護(hù)不便，缺乏人身安全保障等。針對(duì)這種狀況，本文提出了液位測(cè)量的差壓方法。

引言測(cè)量系統(tǒng)的組成

由于電容式差壓傳感器安全沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，尺寸緊湊，抗振性好，且精確度高，調(diào)整零點(diǎn)和量程時(shí)互不干擾，而電容式差壓傳感器還具有線性好，靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，近來(lái)得到廣泛應(yīng)用。因此我們采用電容式差壓傳感器測(cè)量油罐液面高度。

差壓變送器測(cè)量油罐液面高度系統(tǒng)如圖1所示。它主要由4部分組成：光功率推動(dòng)、測(cè)量電路、光纖傳輸和單片機(jī)信號(hào)處理與數(shù)字顯示。測(cè)量電路中的振蕩器產(chǎn)生1kHz方波來(lái)驅(qū)動(dòng)激光二極管LD，LD發(fā)出高強(qiáng)度光功率信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸被光電池轉(zhuǎn)換成交流電壓，經(jīng)過(guò)升壓再經(jīng)整流，輸出光功率電壓的電平為3.4～5V，本系統(tǒng)采用3.5V電壓。傳感器采用1151型差壓變送器將液面高度信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬信號(hào)，將脈寬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈位信號(hào)；光纖傳輸過(guò)程是將脈位信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元，并將光信號(hào)恢復(fù)成脈寬信號(hào)；最后由單片和微型計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示。差壓傳感器的工作原理

差壓是變間隙式電容傳感器，它是由2塊定極板和1塊動(dòng)極板組成。工作原理示意如圖所示。

公式為：測(cè)量電路的工作原理本系統(tǒng)的測(cè)量電路全部采用微功耗的CMOS元器件，電路設(shè)計(jì)如圖3。圖中CL,CH為差壓傳感器的2個(gè)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平UH時(shí)則通過(guò)R1對(duì)CL充電，CH通過(guò)VD2放電。當(dāng)CL上電壓高于參考值(用或門CD4047的閥值電壓值作為參考值Ur)時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q為低電平，Q端輸出為高電平并通過(guò)R2對(duì)CH充電，而CL通過(guò)VD1放電。當(dāng)CH上電壓高于參考值時(shí)，觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)。如此反復(fù)，產(chǎn)生脈沖波。脈沖波經(jīng)過(guò)CD4047低功耗單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將脈寬轉(zhuǎn)換成脈位，脈位信號(hào)經(jīng)過(guò)或門傳送給半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED，將脈位經(jīng)過(guò)光纖傳輸出去。脈沖寬度由電容CL和CH的值決定。測(cè)量電路功耗計(jì)算本系統(tǒng)采用CD4047單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器目的將脈寬變成脈位，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換減少功耗。光信號(hào)的傳輸采用光纖傳輸，光纖傳輸中光功率的大小對(duì)環(huán)境沒有影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，整個(gè)前置電路的功耗為300LW。與相同條件的同類系統(tǒng)的前置電路相比，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路在工作中消耗的功耗非常小，可以說(shuō)是微功耗的。這就保證了信號(hào)檢測(cè)在易燃易爆環(huán)境中的安全進(jìn)行，即差壓式電容傳感器在油罐液位測(cè)量中的可行性和推廣性。信號(hào)處理

本系統(tǒng)的信號(hào)處理過(guò)程非常簡(jiǎn)單，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制單元。測(cè)量電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)教幚矶?。首先處理端的光電管將光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，在傳輸過(guò)程中,信號(hào)衰減較大，因此必須將信號(hào)放大。經(jīng)過(guò)二級(jí)放大，電脈沖信號(hào)進(jìn)入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由脈位信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬信號(hào)?；謴?fù)后的脈寬信號(hào)就被送入到計(jì)算機(jī)控制單元8031的P3、4端口，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采集、數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的計(jì)算，得出液位高度信號(hào)，進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警等一系列操作。由于脈寬信號(hào)與電容量的大小有關(guān)，運(yùn)用單片機(jī)測(cè)出脈沖寬度，就可以