一种全数字水位仪的开发与应用

　　1引言

　　在自动控制系统中，电容式水位仪在自动测量中是应用非常广泛的一种"古老”的液位计，它是利用检测电容变化来测量液位的一种仪器，大都采用了传感器一变送器一(包括计算机在内的)监控终端所组成的开环或闭环系统，在这种以模拟信VI,进行远传的模式下，由最前端的模拟通道所引发的温漂、零漂以及外界杂波干扰所带来的各种扰动一直是很难彻底根除的自动控制系统的瓶颈问题。

　　全数字水位仪在结构设计上打破了国内外延续多年的传统自动控制模式，是一种与现行国内外普遍采用的(如111型表)以4mA—2mA或1V—V模拟信急进行变送输出II‘远传的国际标准相悖的一种工业自动化仪表。经过两年多的设计、研究、实验和运行，全数字水位仪在抑制温漂、零漂、提高精确度、稳定性、可靠性等方而的优势已初见倪端。这种廉价装置，不仅实现了(检测现场)无源并无需现场调试的全数字自动控制系统，且有非常友好的界而能与各种现行工业自动控制对接组成全数字系统。

　　2开关电容传感器

　　2.1设计原理

　　开关电容传感器的外观为一根固定不动的(50mm圆柱型结构，以其内装的聚氟导线束的芯线为一个电极，而插入水底的一根金属裸铜线为另一电极，当把两个电极垂直置于水中时，作为导体的水将聚氟绝缘层无孔不入地团团包围在绝缘层外侧，形成一个同轴可变电容器，如图1所示，芯线电极直径为d，绝缘层均匀地套在圆柱型金属芯线电极外而，作为电容器两个电极之间的介电常数为(的绝缘介质，其外径为D，作为导电液体(水)的电极引出端为裸铜线。显然，当液位上升时，由于两个电极覆盖而积增大，可变电容器的电容量就随着液位升高成比例增大;反之，电容量就减小。

　　在液位最高时.传感器电容量达到最大值.电容量C与H定量关系式为:，式中C为电容量: ε为聚氟导线绝缘层的介电常数:H为液位高度;D为聚氟导线外径;d为聚氟导线内径。

　　由关系式得:，当D,d,ε为常数时这样就建立H与C之间的数学模型。显然H与C的关系式证明了电容量是以水位高度的实时变化为自变量的中一调线性函数。

　　2.2结构特点

　　开关电容传感器是水位仪的核心部件，传感器性能的好坏直接关系到系统性能的优劣，所以传感器的研制和设计是水位检测技术中最关键的技术。电容传感器的结构可因被测对象不同而具有不同形式，但都是将液位高度变化转换为电容量变化，我们以检测水位为例:经过多次实验分别对电极绝缘层厚度情况和绝缘情况以及导电液体导电情况进行了对比性研究，发现绝缘品质、抗酸碱腐蚀及耐温等性能越好的涂层介质，其稳定性越好，测量越准确，如用高压绝缘胶做绝缘介质较用普通绝缘胶的效果要好，电极涂层介质层越薄，其灵敏度越高，但介质层太薄时，厚度不均匀性及杂质吸附的影响很大;实验结果与所用液体的电导率也有重要关系，导电好的液体，测量结果越稳定，测量也越准确，且线性度越好。同时在实验中发现这样一个问题:由于传感器主体绝缘导线的绝缘层长期不间断地以特定频率充放电，在此过程中形成的静电效应对液体中的各种杂质及矿物质的吸附、沉积，致使绝缘层变厚，导致传感器灵敏度下降，这是值得关注的致命问题。一般传感器导线线束由于在液体中长期浸泡，传感器的微孔被液体杂质所堵塞，造成液位失控。经过多次筛选绝缘导线，在传感器中应用的新型导线经两年多的实验，其绝缘层冰锈”堆积几乎为零，这种耐高温、抗酸碱的无毒导线构成了水位控制系统中的一种无微孔结构传感器的关键材料。另外通过实验方法对聚氟导线在0 ⁰C ^_100 ⁰C温域内检测导线的电容量变化，发现所选用聚氟导线电容温度梯度△C/Ot=0>故不必担心水位检测的温漂问题。聚氟导线的工作温度在一60⁰C-50⁰C之间，这种既耐严寒又耐高温的无微孔结构传感器在拓宽应用范围上有十分重要的意义，尤其在我国东北和大西北地区的野外现场作业和石油、化工生产线上更具有重要作用。