圖1是電容式液位變送器的工作原理及等效電路圖。變送器敏感元件是相互絕緣的兩個同心金屬圓柱,它們作為電容的兩個極板,金屬內電極外敷聚四氟乙烯絕緣層,外電極內直徑為D,內電極的外直徑和絕緣層直徑分別為d和D ;兩電極間的介質為空氣、溶液和絕緣層,相對介電常數分別為 ,、和 3,介電常數£0約為8.85×10 F/m; 是液面的高度, 是總高度。
由式(2)可知,當待測溶液的介電常數8 固定不變時,電容式液位變送器的電容量與被測液位成線性關系。通過測量變送器的電容c ,就可以得到液位值Hl。
2 電容測量原理
本系統中所使用的電容式液位變送器的本體電容約為78 pF。滿液位時,總電容量約為283 pF。為了達到一定的精度,測量電容的變化量需要在0.5 pF以下。根據這些特點,并對電容式液位變送器的測量電路進行分析研究,提出了一種基于充放電原理的新的電容測量電路方法。圖2中 為參考電壓,基準電壓 、充電電阻尺及充電電容C和開關K構成電容的充放電回路。保證 ,>U 的情況下,K閉合,電容c放電,當 小于 時,比較器A輸出低電平;K斷開,電容c充電,當 增大到 時,比較器A輸出高電平。將比較器輸出的上升沿和下降沿用于驅動計數器計數,可以得出電容的充電時間t,將t代人式(4)即可得到待測的電容c。對電容的測量充分利用了MSP430單片機內部的資源,即參考電壓、比較器、定時/計數器以及D/A轉換器等,使得電路結構相當緊湊。D/A轉換的信號經V/I轉換電路以電流形式輸出。電源轉換模塊將24 V轉換為3.45 V輸出,使用反相器輸出負電壓,滿足單片機及其他芯片的供電需求。變送器在電路中相當于一個特殊的負載,特殊之處在于變送器的耗電電流(在4—20 mA之間)根據變送器輸出而變化,顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線,因而被稱為兩線制變送器。由于整個系統使用兩線制DC24V(4~20)mA的環路供電,所使用芯片均為低功耗芯片,同時能夠滿足系統響應速度要求。
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