一种液位检测装置的研究

　　1 引言

　　液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂，制造成本偏高;市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针读数，不能用于远程监视;普遍适用于静止液面，在波动液面易引起读数的波动;也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案，但量程和精度不适合移动式喷雾机的要求。为此，本文利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种具有通信功能的适合于车载式喷雾机的智能液位检测装置, 并对计算方法作了改进。

　　2 柱形电容传感器的原理

　　根据现有喷雾机水箱的尺寸，设计了如图 1 所示的圆柱形电容传感器，由内圆柱、外圆柱和上下缓冲器组成。缓冲器具有减小液位波动的作用，当液位缓慢变化时通过缓冲器小孔使内部液位随之变化，而液位波动时，具有减速小液位波动的作用。内筒与外筒的内外壁都涂有绝缘油漆，可减小液体的导电性和腐蚀性。设外筒直径为 D，内筒直径为 d，总长度为 L，根据圆柱形电容器的计算式：

　　0为绝对介电常数， 为介质的相对介电常数。当液面高度为 H 时，有：

　　空气的相对介电常数为空=1，式(1)可化为：

　　式中， 。当温度变化不大时，水的变化对电容量影响不大，可以将其视为不变。当水温为20℃时，取水=80.18，根据需要取 L=100cm，则：

　　3硬件电路设计

　　电路采用NE555芯片和电容器及相关电阻组成振荡电路，用圆柱形电容代替C，如图2所示。

　　振荡频率为：

　　把式(3)代入式(4)得：

　　取 ，即为液位高度为“0”时的振荡频率。式(5)变形可得：

　　由式(6)可知液位与振荡变化的关系，只要用单片机测出不同液位时的振荡频率即可计算出液位的高度。单片机软件全部采用 C 语言编程，式(6)可编进程序中，通过程序测定出液空时的频率 f0并作为参考频率，实际测出液位变化时的振荡频率 f，就可计算得到检测高度。若已知容器的形状可计算出剩余液体的多少。所得液位值和余液量可直接通过单片机进行数字显示，另外也可通过 RS232 通信传送到上位机进行显示。

　　4 实验测试与误差修正

　　在实际设计中, 当无液时的频率 f0=279.0kHz,100cm 高液位时 fh=3.312kHz, 频率最大时小于单片机的最高频率测量范围, 频率最小时也不会降低测频精度。经过测试，实际高度与测试结果见表 1。