极低相对介电常数介质液位测量实现方法与流程

本发明涉及一种极低相对介电常数介质液位测量实现方法，属于检测技术领域。

背景技术：

对于石油化工、食品医药、新能源应用等领域，低温介质的应用越来越广泛，对储罐内介质剩余量进行准确感测的需求也变得更为普遍和迫切。基于变介电常数检测原理的方法具有无活动部件、不受磁场影响等优点而受到关注。对于此类低温介质，相对介电常数较低是其共同特点，故其检测灵敏度低，必须保证有强抵御外界干扰因素影响能力。以液氦为例，相对介电常数变化量甚至低至0.05，灵敏度仅约为水的0.06％。

在CN 102589648 A“LNG液位计及液位测量方法”等现有技术中，公开描述了由内、外管构成的同轴电容液位传感器，采用内筒和外筒结构形成待测电容，内、外电极分别连接同一同轴线缆的芯线和屏蔽层。

使用中发现该结构的传感器存在主要缺陷是：受到芯线和屏蔽层间数值较大且发生变化的线间电容影响，导致灵敏度低，稳定性差，真正待测电容的测量精度不高。所以，现有结构对于气、液相对介电常数变化较小，即低相对介电常数的液化天然气(约1.62)，甚至液氮(约1.43)、液氧(约1.48)而言，难以满足测量精度，甚至可靠运行的要求。

在CN 202362049 U“液化气用双同轴电容传感器”中，相比CN 2700847 Y中的所述结构，增加了与内筒导电连接的最外层筒。这种方式通过电容并联的方式增加待测电容，提高信噪比，但其结构的复杂性提高，空间尺寸加大，而且性能改善仍较为有限，仅可用于相对介电常数不能过于低、线缆长度有限、精度要求一般的场合。

在201510801439.9“空间推进中的深冷介质液位确定方法”中，采用了具有内、中、外导体结构的信号连接线，其较高精度的保证依赖于内、中、外导体彼此之间的完整包围性。但从传感器所处的极低温环境引出至检测电路所处的正常环境，且贮罐正常运行时经常处于较高压力(5MPa以上)，该结构无法保证长期可靠密封，若经分离转接等处理，准确性将明显降低。

现有技术不能很好解决以上问题，特别是对于以液氦、液氢为代表的极低相对介电常数介质的液位检测。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提供一种极低相对介电常数介质液位测量实现方法。

本发明为实现上述目的采用以下技术方案：

极低相对介电常数介质液位测量实现方法，其特征在于：沿径向由内到外，内管电极1、外管电极2同轴装配并保持间隔，1、2构成待测电容的两个极板并经同轴电缆3、4送入由驱动源、变压器、比较电容和检测器构成的信号变换单元进行处理；1与3芯线一端连接，2与4芯线一端连接，3、4的屏蔽层均连接至信号变换单元的信号地；驱动源的输出作为变压器初级绕组输入；变压器具有两个次级绕组输出并分别连接比较电容一端和3芯线另一端；4芯线 和比较电容的另外两端连接检测器输入。

如权利要求1所示的驱动源为幅度固定的高频正弦交流电压信号。

如权利要求1所示的变压器具有带中心抽头的两个次级绕组，中心抽头连接信号变换单元的信号地，两次级绕组输出电压大小相等、方向相反。

如权利要求1所示的比较电容为低温度系数电容，起到抵消传感器初始值、提高灵敏度作用。

如权利要求1所示的检测器为由运算放大器构成的反相比例运算电路，待测电容连接反相输入端，检测器输出电压的大小与待测电容成线性关系。

本发明的有益效果是：利用变压器绕组损耗很小的特性，得到接近于理想的交流电压信号源，加之反相比例运算电路中反相输入端的虚地状态，消除两条信号连接线上干扰电容对待测电容的影响，并通过次级绕组和比较电容实现差动方式测量，提高检测灵敏度，增强抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，包括：1内管电极、2外管电极、3同轴电缆、4同轴电缆、驱动源、变压器、比较电容、检测器。

图2为信号变换单元组成实例，其中：Vs激励源、T变压器、Cx待测电容、Cs比较电容、R反馈电阻、GND信号地、A放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体说明：

首先简要介绍传感器检测原理。极低相对介电常数介质液位检测基于变介电常数型电容传感器原理，即根据待检测上方为气相介质常数和液相介质介电常数之间的差异进行检测。

令金属外管内径为b，金属内管外径a，气态介质的相对介电常数为k1，液态介质的相对介电常数为k2，真空介电常数为k0，金属内、外管有效长度，即最大检测高度为H。则当液位高度为h时，根据变介电常数型电容传感器理论，测得传感器电容Cm可用下式计算：

真空介电常数k0已知，对于设计好的传感器，a、b、H确定；待测介质确定后，k1、k2、等参量也均固定。因此，Cm与液态介质的液位高度h成线性关系。

显然，对应传感器液位为零时的初始固定值。在其它参数确定时，测量灵敏度与k₂-k₁成正比，即正比于气相、液相的相对介电常数之差。对于液氦而言，气、液相对介电常数差仅为0.05，为纯水的0.06％，液化天然气的8％。

如附图1所示，极低相对介电常数介质液位测量实现方法，其中包括：沿径向由内到外，内管电极1、外管电极2同轴装配并保持间隔，1、2构成待测电容的两个极板并经同轴电缆3、4送入由驱动源、变压器、比较电容和检测器构成的信号变换单元进行处理；1与3芯线一端连 接，2与4芯线一端连接，3、4的屏蔽层均连接至信号变换单元的信号地；驱动源的输出作为变压器初级绕组输入；变压器具有两个次级绕组输出并分别连接比较电容一端和3芯线另一端；4芯线和比较电容的另外两端连接检测器输入。

所述的驱动源为幅度固定的高频正弦交流电压信号。理论上，电容的容抗与电容大小和通过电容的交流信号频率成反比。较大的容抗更易于检测。对于极低相对介电常数的介质液位测量，实际设计得到的传感器电容初始值及其变化均很小，通常在数pF到数十pF的范围内。因此，需要施加较高的交流频率。但频率过高，也会带来损耗等附加非理想因素，增加检测难度。较佳地，频率处于5kHz至100KHz之间。

所述的变压器具有带中心抽头的两个次级绕组，中心抽头连接信号变换单元的信号地，两次级绕组输出电压大小相等、方向相反。优选地，变压器初级、次级均设有屏蔽层，降低有害寄生参数。

所述的比较电容为低温度系数电容，起到抵消传感器初始值、提高灵敏度作用。优选地，比较电容与液位为零时的传感器初始电容值相同，由1个固定电容和1个可微调小电容并联组合实现。

检测器为由运算放大器构成的反相比例运算电路，待测电容连接反相输入端，检测器输出电压的大小与待测电容成线性关系。较佳地，运算放大器的开环增益大于100dB，偏置电压小于50μA。

利用变压器绕组损耗很小的特性，得到接近于理想的交流电压信号源，加之反相比例运算电路中反相输入端的虚地状态，消除两条信号连接线上干扰电容对待测电容的影响，并通过次级绕组和比较电容实现差动方式测量，提高检测灵敏度，增强抗干扰能力。

附图2所示了信号变换单元的组成实例，其由交流激励源Vs、变压器T、比较电容Cs、反馈电阻R、信号地GND、运算放大器A组成。

变压器T的次级绕组连接激励源Vs，次级绕组中心抽头端接信号地GND，次级绕组除中心抽头外的任一端连接内管同轴电缆的另外一端、次级绕组的剩余端连接比较电容Cs的一端；比较电容Cs的另外一端和连接外管同轴电缆芯线的另外一端共同连接至运算放大器A的反相输入端；连接内、外管同轴电缆的屏蔽层另外一端、放大器A的同相输入端均与信号地GND连接；反馈电阻两端分别连接至放大器A的反相输入端和输出端；放大器A的输出端与信号地之间的电压Vo即为将待测传感器电容变换得到的信号。

变压器次级绕组带中心抽头，且次级绕组的两组线圈之间匝数相同。交流激励源Vs提供电压信号，并与变压器的初级绕组连接。则根据电磁感应原理，次级绕组将得到两个相对信号地GND大小相等，相位相反的交流电压信号，幅度与激励电压及匝数比相关。

由于变压器绕组线圈的电阻很小，即相当于交流电压信号源内阻很小，接近于理想。连接内管同轴电缆的芯线与屏蔽层间存在的电容与该信号源并联，不会对流经传感器待测电容Cx的电流产生影响。而由上述连接方式及运算放大器原理可知，放大器A工作在负反馈状态下，放大器A的反相输入端与信号地GND间的电压基本可认为零。因此，连接外管同轴电缆的芯线与屏蔽层间虽然存在电容，但由于等电位，故不存在泄漏电流。此时，流经待测电容的电流可认为全部经过反馈电阻R。

因此，设变压器初、次匝数比为N∶1，连接Cx一端的取自变压器次级同名端，在不考虑比较电容Cs时，放大器A的输出端与信号地之间的电压Vo为：

可见，在其它条件不变时，减少匝数比N和增大反馈电阻R，可以提高输出检测灵敏度。但对于液氦等极低相对介电常数介质，液位变化导致电容的变化量较小，即上式中Cs在全量程内的变化量较小，制约了最终检测灵敏度，并且不利于抑制噪声。

因此，上式为提高测量灵敏度，加入在初始条件下平衡待测电容的参考电容Cs。由于次级绕组得到的是两个相对信号地GND大小相等，相位相反的交流电压信号，Cs、Cx的另一端分别汇集于运算放大器A的反相输入端，检测得到的电压变为：

当Cs与气相初始条件下，即对应液位为0时的Cx大小相等时，注入反相输入端的电流恰好互相抵消，流经反馈电阻R的电流为0，放大器A的输出端与信号地之间的电压Vo，即检测输出电压为0。

当传感器极板间的液位逐渐增加时，汇入运算放大器反相端的电流开始变大，失去平衡作用，根据Vo大小的变化即正比于实际液位高度，即可完成液位检测。

通过上述实现方式，消除了线间电容及其变化对测量的影响，显著提高了检测灵敏度，增强了抗干扰能力，因此确保了测量精度。

本发明已在超导科研中液氦(气、液相对介电常数差仅约0.05)介质液位测量中得以验证，体现了高精度和稳定性。

本发明提供的是一种用于极低相对介电常数的介质液位测量实现方法，其性能改善的实现具有较为普遍的适用性。对本技术领域内人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以做出若干润饰和改进，亦应视为本发明的保护范围。