专利名称：基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于物质界面分析的电容量测量技术。特别是涉及一种用于物质界面分析的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪。
背景技术：
对于物质界面分析，通常主要采用以下几种测量技术I、电容式测量技术；2、导波雷达式测量技术；3、机械式测量技术。目前，能够用于物质界面分析的电容式测量技术，主要采用以下几种电路I、充放电电容测量电路；2、AC电桥电容测量电路；3、基于V/T变换的电容测量电路；4、振荡法电容测量电路。要进行高精度的电容量测量，则要求测量环境非常稳定，这限制了仪器的使用范围。同时传统的基于电容测量的界面分析界面分析仪在使用前，需要人工标定，使用过程中需要人工修正测量结果，对调试人员素质要求很高，且极易产生误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种无须人工调试的用于物质界面分析的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪。本发明所采用的技术方案是一种基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，包括依次串接的用于将待测量界面的物理信息转换为电子信息的由多段探极组成的移窗式传感器、悬臂式电桥电路、将输入的待测信号放大整形为具有线性对应关系的积分信号的放大检波积分电路、用于控制移窗式传感器窗体开关的中心处理电路和用于将最终处理结果输出的人机接口电路，所述的中心处理电路还连接移窗式传感器，还设置有用于将输入电源转换成多路隔离电源的隔离电源电路和生成用于驱动悬臂式电桥电路基准信号的基准信号发生电路，所述的隔离电源电路和基准信号发生电路，是由隔离电源和基准信号发生电路一体构成，或是由单独的隔离电源电路和单独的基准信号发生电路分体构成，当采用一体构成的隔离电源和基准信号发生电路时，该电路分别连接移窗式传感器、悬臂式电桥电路、放大检波积分电路、中心处理电路和人机接口电路；当采用分体构成的隔离电源电路和基准信号发生电路时，其中，所述的隔离电源电路分别连接放大检波积分电路、中心处理电路和人机接口电路，所述的基准信号发生电路连接移窗式传感器和悬臂式电桥电路。所述的移窗式传感器包括有底端封口、顶端开口的外绝缘套层、位于外绝缘套层内的内支撑管，以及设置于外绝缘层和内支撑管之间的多段探极，每一探极的两端都分别连接一绝缘垫块的一端，所述的每一探极都有一根引出的探极引线，所述外绝缘套层的顶端设置有用于与放有被测液体的容器相固定的安装结构，所述的探极引线从所述的安装结构的上端口引出用于与中心处理电路相连。所述的每一段探极都包括有位于外绝缘套层内侧的探极段和位于探极段内侧的内绝缘层，所述的内支撑管位于所述的内绝缘层的内侧，所述的探极段和内绝缘层的两端分别连接一绝缘垫块的一端，所述的该段的探极引线依次贯穿该段的内绝缘层和内支撑管并从安装结构的上端口引出。所述的悬臂式电桥电路包括有形成在构成移窗式传感器的多个探极上的多个待测电容CXl、CX2、…、CXN,所述的多个待测电容CXl、CX2、…、CXN的一端连接隔离电源和基准信号发生电路或连接基准信号发生电路，所述多个电容CX1、CX2、…、CXN的另一端分别一一对应的连接多个开关触点Jl、J2…、JN和中心处理电路，所述的多个开关触点J1、J2···、JN的另一端选择性的连接基准电容CO或接地，所述的基准电容CO的另一端接地。所述的放大检波积分电路为线性放大检波积分电路，包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端连接运算放大器Ul的同相输入端，所述运算放大器Ul的反相输入端通过一电阻Rl接地，还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的二极管Vl的正极，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路的电源输出端，所述二极管Vl的负极连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路，所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。所述的放大检波积分电路为线性放大检波积分电路，包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端串联连接电阻R1，所述电阻Rl的另一端连接运算放大器Ul的反相输入端，所述运算放大器Ul的同相输入端通过一个电阻RO接地，运算放大器Ul的反相输入端还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的模拟开关Vl的3脚，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路的电源输出端，所述模拟开关Vl的I脚连接隔离电源和基准信号发生电路的输出端，2脚连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路，所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。所述的中心处理电路包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器的多段探极对应的多个电子门电路J11、J12、…JlN,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路的输出端，其中，每一个电子门电路都是由一个反相器U4和两个模拟开关MlI和M12构成，其中，所述的反相器U4的输入端和模拟开关M12的I脚连接微处理器U2的输出端，反相器U4的输出端连接模拟开关Mll的I脚，模拟开关Mll的2脚与模拟开关M12的2脚均连接悬臂式电桥电路的输出端，模拟开关Mll的3脚接地，模拟开关M12的3脚连接所对应的移窗式传感器中的一段探极的探极弓I线。所述的微处理器U2的信号输出端通过一集成电路U51连接多个电子门电路J11、J12、…J1N。所述的中心处理电路包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的两个集成电路U52、U53，以及分别对应连接在两个集成电路U52、U53输出端口的与所述的构成移窗式传感器的多段探极对应的多个电子门电路J21、J22、…J2N,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路的输出端，其中，每一、个电子门电路都是由两个模拟开关M5和M6构成，所述的模拟开关M5的I脚连接集成电路U52的输出端，模拟开关M6的I脚连接集成电路U53的输出端，两个模拟开关M5和M6的2脚均连接悬臂式电桥电路的输出端，模拟开关M5的3脚接地，模拟开关M6的3脚连接所对应的移窗式传感器中的一段探极的探极引线所述的中心处理电路包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器的多段探极对应的多个电子门电路J31、J32、…J3N,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路的输出端，其中，每一个电子门电路都是由一个集成电路U3构成，所述集成电路U3的I脚分别连接微处理器U2的输出端，2脚和3脚接地，所述集成电路U3的10脚连接悬臂式电桥电路的输出端，9脚连接所对应的移窗式传感器中的一段探极的探极引线，8脚连接电源V+。本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，电气结构新颖简单，具有高可靠性、高精确度、无须人工调试的物质界面分析电路，电路运行可靠，效率高，分析结果精度高。本发明可广泛应用于气液界面、气固界面、液液界面的测量。
图I是本发明的第一实施例整体构成框图；图2是本发明的第二实施例整体构成框图；图3是本发明移窗式传感器结构示意图；图4 (a)是本发明的第一实施例的电路原理框图；图4(b)是图4(a)中(C) (D) (E) (F)各点波形及对应关系图；图5 (a)是本发明的第二实施例的电路原理框图；图5(b)是图5(a)中(C) (D) (E) (F)各点波形及对应关系图；图6是本发明中心处理电路第一实施例的电路原理图；图7是本发明中心处理电路第二实施例的电路原理图；图8是本发明中心处理电路第三实施例的电路原理图；图9是本发明中心处理电路第四实施例的电路原理图；图10是本发明在工矿场合应用的示意图；图11是本发明测量气液界面时的工作状况示意图；图12是本发明测量液液界面时的工作状况示意图；其中I:隔离电源电路2:基准信号发生电路3:移窗式传感器4:悬臂式电桥电路5:放大检波积分电路 6:中心处理电路7 :人机接口电路8 :隔离电源和基准信号发生电路11 :基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪12 :容器13 :界面14 :气体15 :液体16:气液界面17:液液界面
18 :上层液体19 :下层液体31 :外绝缘套层32:内支撑管33:探极34:探极引线35 :安装结构36 :绝缘垫块331 :探极段332:内绝缘层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪做出详细说明。如图I、图2所示，本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，包括依次串接的移窗式传感器3、悬臂式电桥电路4、放大检波积分电路5、中心处理电路6和人机接口电路7，所述的中心处理电路6还连接移窗式传感器3，还设置有隔离电源电路和基准信号发生电路，所述的隔离电源电路和基准信号发生电路，是由隔离电源和基准信号发生电路8一体构成(如图2所示)，或是由单独的隔离电源电路I和单独的基准信号发生电路2分体构成(如图I所示)，当采用一体构成的隔离电源和基准信号发生电路8时，该电路分别连接移窗式传感器3、悬臂式电桥电路4、放大检波积分电路5、中心处理电路6和人机接口电路7 ;当采用分体构成的隔离电源电路I和基准信号发生电路2时，其中，所述的隔离电源电路I分别连接放大检波积分电路5、中心处理电路6和人机接口电路7，所述的基准信号发生电路2连接移窗式传感器3和悬臂式电桥电路4。其中，所述的隔离电源电路1，用于将输入电源转换成多路隔离电源供中心处理电路，放大检波积分电路和人机接口电路等使用，由此隔离电源电路供电的电路以完全悬浮状态工作，其基准地为悬浮地；基准信号发生电路2，生成用于驱动悬臂式电桥电路4的基准信号，所述基准信号为正弦信号；移窗式传感器3，用于将待测量界面的物理信息转换为电子信息，即待测电容信号，连接到悬臂式电桥4的输入端；悬臂式电桥4，为单臂电桥电路，由待测电容和基准电容构成，由移窗式传感器3输入待测电容信号，此待测电容为上电桥臂，所述悬臂式电桥4的驱动信号即为所述的基准信号，此信号连接待测电容，所述基准电容为下电桥臂，基准电容连接基准地，两电容的中点为输出信号点，其输出信号即为反应待测电容量的待测信号，所述待测信号连接到放大检波积分电路的输入端；放大检波积分电路5，将输入的待测信号放大整形为具有线性对应关系的积分信号，所述积分信号连接中心处理电路6输入端，即放大部分为线性放大电路，待测信号的幅值与输出信号的幅值呈线性对应关系，检波积分电路将放大电路的输出转换为具有线性特征的直流电平；中心处理电路6，用于控制移窗式传感器3的窗体开关，并且分析所述积分信号，据此判断当前窗体内的界面状态，并且将最终处理结果连接到人机接口电路7 ;人机接口电路7，用于将最终处理结果以需要的方式输出。其中所述隔离电源电路1，可以为任何具有隔离效果的调压电路，其功能有2个，一是将输入电源与界面分析仪工作电源隔离，防止干扰，二是将输入电源调整为后级处理电路需要的电压，这样可扩大界面分析仪供电电压范围，使其应用更广泛。 所述的基准信号发生电路可以是任意形式的正弦波发生电路，此部分电路既可以独立实现其功能，如图I和图4 (a)所示。也可以与隔离电源电路组合实现，如图2和图5 (a)所示。如图10所示，在工矿场合实际应用中，通常使用容器壁作为一个电容极，传感器作为另一个电容极，所以本发明的电路的基准信号发生电路的输出端连接容器壁。以容器壁和传感器分段式探极为电容的两个极，以容器内待测介质为电容介电物质形成一系列电容，即图4(a)、图5(a)中的Cxl CxlO，此图中以10段探极为例示意，实际应用中不限探极数量。如图3所示，所述的移窗式传感器3包括有底端封口、顶端开口的外绝缘套层31、位于外绝缘套层31内的内支撑管32，以及设置于外绝缘层31和内支撑管32之间的多段探极33，每一探极33的两端都分别连接一绝缘垫块36的一端，所述的每一探极33都有一根引出的探极引线34，所述外绝缘套层31的顶端设置有用于与放有被测液体的容器相固定的安装结构35，所述的探极引线34从所述的安装结构35的上端口引出用于与中心处理电路6的电子门电路相连。内支撑管32、每一探极33、外绝缘套层31构成同心结构，并且任意时刻只有一级探极连接悬臂式电桥的输入端，其他的探极和内支撑管都连接在悬浮地上。所述的每一段探极都包括有位于外绝缘套层31内侧的探极段331和位于探极段331内侧的内绝缘层332，所述的内支撑管32位于所述的内绝缘层332的内侧，所述的探极段331和内绝缘层332的两端分别连接一绝缘垫块36的一端，所述的该段的探极引线34依次贯穿该段的内绝缘层332和内支撑管32并从安装结构35的上端口引出。分段式探极331为实际作用段，其端部焊接的探极引线34通过内绝缘层332与内支撑管32上的开孔进入内支撑管32内部，并向上直至电子单元部分11，与对应的电子门电路中的BI 10连接。绝缘垫块的作用是防止相邻的两段探极短路。由悬臂式电桥、电子门电路工作原理可知所有的探极中只有I段连接入电桥输入端，其他的探极和支撑管都接悬浮地，即电位为“0”，有效的电容信号处于驱动端与电桥中点之间，而接悬浮地的探极和支撑管形成的电容处于驱动端与悬浮地之间，所以不会对测量产生任何影响。而传统的电桥电路，待测电容一端接地，一端接电桥中点输出，此类电桥即使其余探极接地，也会形成工作探极与接地探极之间的电容，即地与电桥中点之间的电容，可见此电容将混入待测电容信号中并影响测量结果。如图4(a)、图5(a)所示，所述的悬臂式电桥电路4包括有形成在构成移窗式传感器3的多个探极上的多个待测电容CXl、CX2、…、CXN，所述的多个待测电容CX1、CX2、…、CXN的一端连接隔离电源和基准信号发生电路7或连接基准信号发生电路2，所述多个电容CX1、CX2、…、CXN的另一端分别一一对应的连接多个开关触点Jl、J2···、JN和中心处理电路6，所述的多个开关触点J1、J2-、JN的另一端选择性的连接基准电容CO或接地，所述的基准电容CO的另一端接地。所述的基准电容CO是单只电容，或是由多只不同材质的电容组合而成，所述的悬臂式电桥电路4输出量与待测电容CX1、CX2、…、CXN成严格的线性关系O
所述的移窗式传感器3为悬臂式电桥电路4的悬臂部分，此电路的特点在于悬臂式电桥下端的基准电容CO远大于各种杂散的且无法消除的干扰信号，因此当各种干扰信号与基准电容CO叠加后，对电桥输出造成的影响将会最大限度的降低，保证了原始测量信号的准确性。所述的基准电容CO可以是单只电容，也可以由多只不同材质的电容组合而成，以达到抵消温度、湿度等环境因素的影响。此电桥输出量为驱动信号经待测电容与基准电容分压所得，所以输出量与待测电容成严格的线性关系。如图4 (a)所示，所述的放大检波积分电路5为线性放大检波积分电路，包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路4输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端连接运算放大器Ul的同相输入端，所述运算放大器Ul的反相输入端通过一电阻Rl接地，还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的二极管Vl的正极，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路I的电源输出端，所述二极管Vl的负极连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路6，所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。如图5(a)所示，所述的放大检波积分电路5为线性放大检波积分电路，还可以是包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路4输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端串联连接电阻R1，所述电阻Rl的另一端连接运算放大器Ul的反相输入端，所述运算放大器Ul的同相输入端通过一个电阻RO接地，运算放大器Ul的反相输入端还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的模拟开关Vl的3脚，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路I的电源输出端，所述模拟开关Vl的I脚连接隔离电源和基准信号发生电路8的输出端，2脚连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路6，所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。所述线性放大检波积分电路中的线性放大电路的功能是将较小的悬臂式电桥输出信号放大到足够大以便后级检波、积分之用，如图4(b)和图5(b)中所示，放大电路输出信号(D)的幅值远大于(C)的幅值且成线性增大，线性放大电路可以由运算放大器或晶体管构成，当要求精度较高时可使用多级仪表放大电路。检波电路可以是异步检波电路如图4(a)中，也可以是同步检波电路如图5(a)中，不同的是图4(b)中检波为半波检波，图5 (b)中检波为全波检波，所以图5(b)中(E)的幅值比图4(b)中(E)的幅值大一倍，幅值的大小对于测量结果没有影响，但较大的幅值可减少对前级放大电路的要求，并减少系统噪声。积分电路将检波电路的输出处理成直流电平，供后级AD转换电路采样。所述的中心处理电路6是整个电路的核心部分，负责整个电路的工作协调和结果分析及输出。中心处理电路通过电子门电路控制窗体的开关状态，窗体依次循环开关形成移动状态，并且分析所述积分信号，据此判断当前窗体内的界面状态。
如图6所示，所述的中心处理电路6包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器3的多段探极33 对应的多个电子门电路J11、J12、…JlN,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD米样电路连接放大检波积分电路5的输出端，如图4(a)中的“AD”，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路5的输出端，如图5(a)中的“AD输入端”。其中，每一个电子门电路都是由一个反相器U4和两个模拟开关MlI和Ml2构成，其中，所述的反相器U4的输入端和模拟开关M12的I脚连接微处理器U2的输出端，反相器U4的输出端连接模拟开关Mll的I脚，模拟开关Mll的2脚与模拟开关M12的2脚均连接悬臂式电桥电路4的输出端，模拟开关Mll的3脚接地，模拟开关M12的3脚连接所对应的移窗式传感器3中的一段探极的探极引线34。如图7所示，所述的微处理器U2的信号输出端还可以通过一集成电路U 51连接多个电子门电路J11、J12、…J1N。如图8所示，所述的中心处理电路6包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的两个集成电路U52、U53，以及分别对应连接在两个集成电路U52、U53输出端口的与所述的构成移窗式传感器3的多段探极33 对应的多个电子门电路J21、J22、…J2N，所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路5的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路5的输出端，其中，每一个电子门电路都是由两个模拟开关M5和M6构成,所述的模拟开关M5的I脚连接集成电路U52的输出端，模拟开关M6的I脚连接集成电路U53的输出端，两个模拟开关M5和M6的2脚均连接悬臂式电桥电路4的输出端，模拟开关M5的3脚接地，模拟开关M6的3脚连接所对应的移窗式传感器3中的一段探极的探极引线34。如图9所示，所述的中心处理电路6包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器3的多段探极33 对应的多个电子门电路J31、J32、…J3N,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD米样电路连接放大检波积分电路5的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路5的输出端，其中，每一个电子门电路都是由一个集成电路U3构成，所述集成电路U3的I脚分别连接微处理器U2的输出端，2脚和3脚接地，所述集成电路U3的10脚连接悬臂式电桥电路4的输出端，9脚连接所对应的移窗式传感器3中的一段探极的探极引线34，8脚连接电源V+。上述的中心处理电路6使用AD电路将放大检波积分电路的输出信号转换为数字信号，供微处理器分析，或使用微处理器内部的ADC转换功能实现该功能，微处理器通过电子门电路控制窗体的开关状态，窗体依次循环开关形成移动状态。上述中心处理电路6中所涉及到的模拟开关Mil、M12、M5和M6可以是场效应管如2N7002，也可以是三极管。微处理器U2可以采用型号为MSP430的芯片。反相器型号可以选择型号为7404的芯片；集成电路U51、U52、U53可以选择型号为4514和4515的芯片；集成电路U3可以选择型号为MAX4636的芯片。如图4 (a)、图5 (a)所示，所述人机接口电路7可以是任何现有的人机接口电路，包括但不限于电压信号输出、电流环路输出、计算机通信输出、便携式显示模块输出等。其目的是将分析结果输出，以便后续机构作出相应的控制处理。本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪的原理说明如下根据电容场原理，任何两个非接触导体之间都会形成电容场。此电容值可用公式C=ε S/4 kD计算,可见此电容场与导体间的正对面积S成正比。将此原理应用到工业现场的容器内物质界面测量时，参数ε、k、D均为定值，所以当物质界面移动时，S将改变，C随之变化，测量C的变化即为本发明基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪的工作重点。、
如图11所示，当待测界面处于某段探极中时，该段探极上的电容总和会大于空气电容 CO，并小于满量程 Cl。此时 Cx = CO’+Cl’，其中 CO’ = CO* (L-H)/L，Cl’ = C1*H/L，其中H为界面在该段探极的高度，L为该段探极总高度。由此可反算出H的值H= (Cx-CO) *L/(Cl-CO)，其中CO，Cl为现场自动标定参量(下面介绍)，L为探极长度(已知)，Cx为实测量。经计算可得到界面在当前探极的高度，此高度再加上当前探极下面所有探极的长度即为当前界面的位置。
下面简述本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪工作过程在运行中的工矿场合的容器中，为保证运用安全，界面通常处于整个容器的30% 70%之间，此时传统的界面仪无法校准空满点电容。本发明使用以下方案解决了这个难题。下面以10段探极传感器测量气液界面为例说明，此节参见附图10、图11。I、微处理器通过电子门电路控制第10段探极接入悬臂式电桥电路，Jl J9接悬浮地，如图5(a)的“J10”，此时第I段探极I至第9段探极9都无信号输出，通常容器内界面高度是不能达到第10段探极10的下端的，即第10段探极10上的信号为“空信号”，微处理器记录此信号值为CO参考值。2、微处理器通过电子门电路控制第I段探极接入悬臂式电桥电路，J2 JlO接悬浮地，如图4 (a)的“ Jl ”，此时第2段探极2至第10段探极10都无信号输出，通常容器内界面始终高于第I段探极I的上端的，即第I段探极I上的信号为“满信号”，微处理器记录此信号值为Cl参考值。3、微处理器通过电子门电路依次将第2 9段探极接入悬臂式电桥电路，测量各段电容量，当该段电容量等于Cl时，界面高度累加探极长度L，当该段电容量小于Cl并大于CO时，按上述公式计算得到H值，并累计，得到的结果即为界面实际高度。因为微处理器具有强大的运算能力，所以本分析仪可以精确的测量两种分层液体的界面，这是传统的界面仪所不能做到的，传统的界面仪仅能粗略的分析液液界面位置并需要人工反复调试。下面以10段探极传感器测量液液界面为例说明，此节参见附图12。I、微处理器通过电子门电路控制第10段探极接入悬臂式电桥电路，Jl J9接悬浮地，如图5(a)的“J10”，此时第I段探极I至第9段探极9都无信号输出，通常容器内界面高度是不能达到第10段探极10的下端的，即第10段探极10上的信号为“空信号”，微处理器记录此信号值为CO参考值。2、微处理器通过电子门电路控制第I段探极接入悬臂式电桥电路，J2 JlO接悬浮地，如图4 (a)的“ Jl ”，此时第2段探极2至第10段探极10都无信号输出，通常容器内界面始终高于第I段探极I的上端的，即第I段探极I上的信号为“满信号”，微处理器记录此信号值为Cl参考值。3、微处理器通过电子门电路依次将第9 2段探极接入悬臂式电桥电路，测量各段电容量，当该段电容量等于CO时，表示该段为空气；当该段电容量大于CO时，标记此段为气液界面，微处理器记录此信号值为CO参考值。为方便说明，设此段为第7段。4、微处理器通过电子门电路控制第5段探极5，即气液界面下面2段处，接入悬臂式电桥电路，其他9段接悬浮地。微处理器判断此处电容量是否小于Cl，如果小于Cl则说明此段内包含有上层液体，微处理器通过电子门电路控制第6段探极6接入悬臂式电桥电路，此段内完全是上层液体，微处理器记录此信号值为CO参考值；如果等于Cl则说明此段内为下层液体，微处理器通过电子门电路控制第6段探极6接入悬臂式电桥电路，此段内可能同时包含是上层液体和下层液体，微处理器记录此信号值为Cl参考值，并做标记，当界面移动后此层全部是上层液体后，再行修正。5、确定参数CO和Cl后，微处理器通过电子门电路依次将第2 9段探极接入悬臂式电桥电路，测量各段电容量，当该段电容量等于Cl时，界面高度累加探极长度L，当该段电容量小于Cl并大于CO时，按上述公式计算得到H值，并累计，得到的结果即为液液界面实际高度。由于本发明使用了微处理器作为核心处理元件，并引入了 CO、Cl参考量，所以可以很方便地为该界面分析仪加入各种辅助功能如I、系统自校验功能，如某段探极电容量大于Cl则说明该段探极对应的外绝缘层破损，如某段探极电容量小于CO则说明该段探极引线已断开。2、系统可以在找到界面后，停止循环搜索锁定该段电极，直至界面移出该段电极，如此可以大幅度提高界面分析仪的采集效率，加快输出频率，提高整体系统的反应速度。3、加入第3参量C2，同时标记气体(CO)、上层液体(Cl)、下层液体(C2)的电容参考值，达到同时测量气液界面和液液界面的目的。4、使用稳定性高的电容或具有互补温度系数的电容做基准电容，提高电桥输出的稳定性。5、使用多级低增益高稳定的放大电路级联充当放大电路，提高信噪比，使测量更精确。尽管上面结合附图对本发明基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪的运行过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是最精简及必要的原理性示意，而不是限制性的。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多有益的保护功能和功能强化，这些均属于本发明的保护之内。例如I、本发明说明实例中，在加长传感器总长度时，使用了固定探极长度，增加探极段数的方法；在使用高灵敏测量电路的前提下，保证了测量的足够精确度时，可以采用固定探极段数，增加探极长度的方法，此方案可简化生产工艺，统一微处理器软件程序。2、放大电路可以由分立元件构成的高增益放大电路，也可以是一个高灵敏的高增益仪表放大电路，还可以是一个由多级低增益放大电路组合成的放大电路。3、积分电路表示此处需要电容性储能滤波元件，不限制元件的具体使用，可以使用单只电容，也可以使用多只电容并联或使用多级积分电路级联来提高积分效果。4、为消除高增益带来的噪声干扰，可在图4(a)和图5(a)中的的(C)、(D)处加入滤波电路，等。权利要求
1.一种基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，包括依次串接的用于将待测量界面的物理信息转换为电子信息的由多段探极组成的移窗式传感器(3)、悬臂式电桥电路(4)、将输入的待测信号放大整形为具有线性对应关系的积分信号的放大检波积分电路(5)、用于控制移窗式传感器(3)窗体开关的中心处理电路(6)和用于将最终处理结果输出的人机接口电路(7)，所述的中心处理电路(6)还连接移窗式传感器(3)，还设置有用于将输入电源转换成多路隔离电源的隔离电源电路和生成用于驱动悬臂式电桥电路基准信号的基准信号发生电路，所述的隔离电源电路和基准信号发生电路，是由隔离电源和基准信号发生电路(8) —体构成，或是由单独的隔离电源电路(I)和单独的基准信号发生电路(2)分体构成，当采用一体构成的隔离电源和基准信号发生电路(8)时，该电路分别连接移窗式传感器(3)、悬臂式电桥电路(4)、放大检波积分电路(5)、中心处理电路(6)和人机接口电路(7);当采用分体构成的隔离电源电路⑴和基准信号发生电路⑵时，其中，所述的隔离电源电路(I)分别连接放大检波积分电路(5)、中心处理电路(6)和人机接口电路(7)，所述的基准信号发生电路⑵连接移窗式传感器(3)和悬臂式电桥电路(4)。
2.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的移窗式传感器(3)包括有底端封口、顶端开口的外绝缘套层(31)、位于外绝缘套层(31)内的内支撑管(32)，以及设置于外绝缘层(31)和内支撑管(32)之间的多段探极(33)，每一探极(33)的两端都分别连接一绝缘垫块(36)的一端，所述的每一探极(33)都有一根引出的探极引线(34)，所述外绝缘套层(31)的顶端设置有用于与放有被测液体的容器相固定的安装结构(35)，所述的探极引线(34)从所述的安装结构(35)的上端口引出用于与中心处理电路(6)相连。
3.根据权利要求I或2所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的每一段探极都包括有位于外绝缘套层(31)内侧的探极段(331)和位于探极段(331)内侧的内绝缘层(332)，所述的内支撑管(32)位于所述的内绝缘层(332)的内侧，所述的探极段(331)和内绝缘层(332)的两端分别连接一绝缘垫块(36)的一端，所述的该段的探极引线(34)依次贯穿该段的内绝缘层(332)和内支撑管(32)并从安装结构(35)的上端口引出。
4.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的悬臂式电桥电路(4)包括有形成在构成移窗式传感器(3)的多个探极上的多个待测电容CX1、CX2、…、CXN，所述的多个待测电容CX1、CX2、…、CXN的一端连接隔离电源和基准信号发生电路(7)或连接基准信号发生电路(2)，所述多个电容CXI、CX2、…、CXN的另一端分别一一对应的连接多个开关触点J1、J2…、JN和中心处理电路(6)，所述的多个开关触点J1、J2…、JN的另一端选择性的连接基准电容CO或接地，所述的基准电容CO的另一端接地。
5.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的放大检波积分电路(5)为线性放大检波积分电路，包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路(4)输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端连接运算放大器Ul的同相输入端，所述运算放大器Ul的反相输入端通过一电阻Rl接地，还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的二极管Vl的正极，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路(I)的电源输出端，所述二极管Vl的负极连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路￠),所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。
6.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的放大检波积分电路(5)为线性放大检波积分电路，包括有一个线性放大电路、一个检波电路和一个积分电路，其中，所述的线性放大电路有与悬臂式电桥电路(4)输出相连的电容Cl，所述电容Cl的另一端串联连接电阻R1，所述电阻Rl的另一端连接运算放大器Ul的反相输入端，所述运算放大器Ul的同相输入端通过一个电阻RO接地，运算放大器Ul的反相输入端还通过一个电阻R2与输出端一起连接构成检波电路的模拟开关Vl的3脚，所述的运算放大器Ul还连接隔离电源电路(I)的电源输出端，所述模拟开关Vl的I脚连接隔离电源和基准信号发生电路(8)的输出端，2脚连接积分电路中的电阻R3，所述电阻R3的另一端分别连接电阻R4和电容C2以及中心处理电路(6)，所述的电阻R4和电容C2的另一端接地。
7.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于， 所述的中心处理电路(6)包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器(3)的多段探极(33) 对应的多个电子门电路J11、J12、…JlN,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路(5)的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路(5)的输出端，其中，每一个电子门电路都是由一个反相器U4和两个模拟开关MlI和M12构成，其中，所述的反相器U4的输入端和模拟开关M12的I脚连接微处理器U2的输出端，反相器U4的输出端连接模拟开关Mll的I脚，模拟开关Mll的2脚与模拟开关M12的2脚均连接悬臂式电桥电路(4)的输出端，模拟开关Mll的3脚接地，模拟开关M12的3脚连接所对应的移窗式传感器(3)中的一段探极的探极引线(34)。
8.根据权利要求7所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的微处理器U2的信号输出端通过一集成电路U 51连接多个电子门电路J11、J12、…J1N。
9.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的中心处理电路(6)包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的两个集成电路U52、U53，以及分别对应连接在两个集成电路U52、U53输出端口的与所述的构成移窗式传感器(3)的多段探极(33) 对应的多个电子门电路J21、J22、…J2N,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路(5)的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路(5)的输出端，其中，每一个电子门电路都是由两个模拟开关M5和M6构成，所述的模拟开关M5的I脚连接集成电路U52的输出端，模拟开关M6的I脚连接集成电路U53的输出端，两个模拟开关M5和M6的2脚均连接悬臂式电桥电路⑷的输出端，模拟开关M5的3脚接地，模拟开关M6的3脚连接所对应的移窗式传感器(3)中的一段探极的探极引线(34)。
10.根据权利要求I所述的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，其特征在于，所述的中心处理电路(6)包括有微处理器U2和分别连接在微处理器U2输出端口的与所述的构成移窗式传感器(3)的多段探极(33) 对应的多个电子门电路J31、J32、…J3N,所述的微处理器U2的信号输入端通过一 AD采样电路连接放大检波积分电路(5)的输出端，或所述的微处理器U2的信号输入端通过一内置的ADC转换单元连接放大检波积分电路(5)的输出端，其中，每一个电子门电路都是由一个集成电路U3构成，所述集成电路U3的I脚分别连接微处理器U2的输出端，2脚和3脚接地，所述集成电路U3的10脚连接悬臂式电桥电路⑷的输出端，9脚连接所对应的移窗式传感器(3)中的一段探极的探极引线(34)，8脚连接电源V+
全文摘要
一种基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，包括依次串接的用于将待测量界面的物理信息转换为电子信息的由多段探极组成的移窗式传感器、悬臂式电桥电路、将输入的待测信号放大整形为具有线性对应关系的积分信号的放大检波积分电路、用于控制移窗式传感器窗体开关的中心处理电路和用于将最终处理结果输出的人机接口电路，本发明的基于连续测量电容量的浮法移窗界面分析仪，电气结构新颖简单，具有高可靠性、高精确度、无须人工调试的物质界面分析电路，电路运行可靠，效率高，分析结果精度高。本发明可广泛应用于气液界面、气固界面、液液界面的测量。
文档编号G01F23/26GK102636236SQ20121013227
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者李富强, 耿八一, 鲍云竹 申请人:天津恒立远大仪表有限公司