高精度智能多界面液位传感器检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高精度智能多界面液位传感器检测系统。包括电源模块、MCU、与MCU相连接的正弦波发生模块、与MCU和正弦波发生模块相连接的多路模拟开关模块、与多路模拟开关模块相连接的分段式电容接口，所述MCU和多路模拟开关模块之间分别连接有漏电阻测量模块和相位差检测模块；其特征在于：所述分段式电容接口接有双电极电容传感器，所述双电极电容传感器由绝缘板(1)、对称缠绕在绝缘板(1)上的对称电极(2)，对称电极(2)的端部通过电极(3)与分段式电容接口连接。本实用新型不仅能对单一界面液位进行准确测量，而且还能实现对两个或两个以上多界面液位的准确测量，测量精度小于5mm。
【专利说明】高精度智能多界面液位传感器检测系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于测量的【技术领域】，具体是指一种高精度智能多界面液位传感器检 测系统。
【背景技术】
[0002] 在石油化工、交通航道、水利电力、农田灌溉、环境监测以及食品加工等众多行业， 液位是一个重要的技术参数。液位检测分单一界面的液位检测和多界面液位检测，多界面 液位的准确检测一直以来是传感检测技术方面的研宄热点，同时也是控制领域的一项关键 技术，液位检测准确与否将直接影响整个系统的运行工况。
[0003] 目前，在国内油田采油的中后期，开采出的原油含水量较大，必须将油水混合液送 入原油分离器中进行油水分离。油水混合液在分离器中静置一定时间后，在重力的作用下， 混合液中的小水珠汇聚成大水滴沉淀到分离器底部，而油层则浮于水面，在油层和水层之 间形成分界面，通过对水层和油层的分离引出就实现了油水分离的目的。实时准确测定分 界面所在位置，以便及时地抽油、抽水及进油水混合液，是该设备使用中的关键所在。
[0004] 在海上溢油处理过程中，收油器将漂浮在海面上的溢油吸入回收仓内，然而在吸 油的同时不可避免地吸入了部分海水，因此在回收仓内必须进行海水和溢油的分离工作。 在回收仓内，按照比重从上至下依次是空气、油和海水。回收仓设置两个出口，抽油口的作 用是把纯的溢油吸入储油仓，抽水口的作用是把海水排出。由于仓内外压力不平衡，外部的 油水混合液不断地被吸入回收仓内。何时抽油，何时抽水，要根据液位传感器的检测结果进 行判断。当油水分界面（界面1)的高度高于抽水口的高度，进行抽水工作；当界面1的高 度低于抽油口的高度，并且油气分界面（界面2)的高度高于抽油口的高度，则进行抽油工 作。为了实现对分离过程的监测与控制，液位传感器必须能准确地检测回收仓内油水分界 面和油气分界面。由于油水混合液复杂的物理特性，油水界面的检测十分特殊。
[0005] 目前国内外在液位检测方面采用的技术和产品很多，而且新的测量技术也在不断 涌现。按传感器所采用的测量技术，单界面液位传感器主要有以下几种：浮体式液位传感 器、伺服液位传感器、差压式液位传感器、非接触式液位传感器、单段电容式液位传感器、光 纤式液位传感器等。以上液位传感器，一般要求测量液体有均匀的浓度和单一界面（空气 与液体分界面）。超声波液位传感器能测量多层液体界面，但要求液体浓度均匀，纯净度好， 并且在小距离测量中不便使用。除超声波液位传感器外，目前测量多界面的液位传感器有： 磁致伸缩液位传感器、分段电容式液位传感器。这种传感器存在几个问题：传感器与被测液 体接触，容易受到腐蚀，且液体密度变化会带来测量误差，浮子沿着波导管外的护导管上下 移动，容易被卡死；结构上现有的分段电容式液位传感器其测量电路大多采用复杂的模拟 技术，如变压器电桥式、运算放大器式及脉宽式等，可靠性不高、抗干扰能力弱，智能化程度 不高，与主控制器通讯不方便。
[0006] 上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本实用新 型的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有 利于更好地理解本实用新型的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不 是承认现有技术。 实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种高精度智能多界面液 位传感器检测系统，其液位探测精度高，不仅能对单一界面液位进行准确测量，而且还能实 现对两个或两个以上多界面液位的准确测量。
[0008] 本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
[0009] 提供一种高精度智能多界面液位传感器检测系统，包括电源模块、MCU、与MCU相 连接的正弦波发生模块、与MCU和正弦波发生模块相连接的多路模拟开关模块、与多路模 拟开关模块相连接的分段式电容接口，所述MCU和多路模拟开关模块之间分别连接有漏电 阻测量模块和相位差检测模块；所述分段式电容接口接有双电极电容传感器，所述双电极 电容传感器由绝缘板1、对称缠绕在绝缘板1上的对称电极2,对称电极2的端部通过电极 3与分段式电容接口连接。
[0010] 其中，还包括与MCU连接的温度传感18B20模块、串行通信接口模块、人机接口模 块。
[0011] 其中，所述多路模拟开关模块是集成的多路模拟开关模块芯片CD4051。
[0012] 其中，所述MCU为ATmegal6单片机，集成8路10位的A/D转换器和一个模拟比较 器。
[0013] 其中，所述正弦波发生模块采用单片机与D/A转换器产生正弦波，所述D/A转换器 是 DAC0832。
[0014] 本实用新型的有益效果：由于采用了上述的结构，本实用新型的双电极电容传感 器根据电极板间不同介质介电常数不同，从而在电容器中表现出不同电容的原理，结合现 代微控制器技术，将不同的电容信号送到单片机上，在单片机内部获取、计算后获得每组极 板间的电容值，由于电容值的大小与其极板间所填充的物质相关，从而获得不同介质的液 位高度。本实用新型不仅能对单一界面液位进行准确测量，而且还能实现对两个或两个以 上多界面液位的准确测量，测量精度小于5mm，并具有较强的数据处理、实时自诊断、友好的 人机交互和通讯方便等能力，配以远程传输模块，还可以实现无线采集系统的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的 任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附 图获得其它的附图。
[0016] 图1是高精度智能多界面液位传感器检测系统的组成框图。
[0017] 图2是双电极电容传感器的结构图。
[0018] 图3是多路模拟开关模块的电路图。
[0019] 图4是MCU采用Atmegal6单片机的接口图。
[0020]图5是正弦波发生模块的电路图。
[0021] 图6是正弦波发生程序的流程图。
[0022] 图7是漏电阻测量模块的电路图。
[0023] 图8是相位差检测模块的电路图。
[0024] 图9是相位差检测程序流程图。
[0025] 图10为相位式电容检测原理示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具 体实施例对本实用新型作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的 实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027] 如图1所示，本实用新型所述的高精度智能多界面液位传感器检测系统，包括电 源模块、MCU、与MCU相连接的正弦波发生模块、与MCU和正弦波发生模块相连接的多路模拟 开关模块、与多路模拟开关模块相连接的分段式电容接口，还包括与MCU连接的温度传感 18B20模块、串行通信接口模块、人机接口模块。所述MCU和多路模拟开关模块之间分别连 接有漏电阻测量模块和相位差检测模块；所述分段式电容接口接有双电极电容传感器，所 述MCU控制多路模拟开关模块将分段式电容中各段电容的连接端通过一充电电阻连接到 正弦波发生电路，输出端分别连接到漏电阻测量模块和相位差检测模块。
[0028] 如图2所示，所述双电极电容传感器由绝缘板1、对称缠绕在绝缘板1上的对称电 极2，该绝缘板长为IOOmm宽为60mm，对称电极2的端部通过电极3与分段式电容接口连接。 对称电极之间插入不同液体中后即表现出不同容值，这个容值通过电极送入多路模拟开关 模块。具体的，将这些电容传感器堆叠后用绝缘棒固定为一组，插入被测液体中，每个传感 器的电极接入多路模拟开关模块中，通过A/D转换器送入MCU。
[0029] 如图3所示，本系统中的多路模拟开关模块采用芯片⑶4051。⑶4051是数字控制 的8路模拟开关，它具有很低的导通阻抗和关闭漏电流。假如将它的VDD引脚接+5V，VEE 引脚接-5V，VSS引脚接地，那么导通时⑶4051就能通过范围为-5V?+5V的模拟电压。所 以，以CD4051作为多路模拟开关模块，可以满足本系统的需要。
[0030] 如图4所示，所述MCU(微控制器）为ATmegal6单片机，内部集成了 8路10位的 A/D转换器和一个模拟比较器，对于本传感器系统来说，既节省了空间，又节省了成本。而且 单片机内部集成的模块，软、硬件开发起来也十分方便。
[0031] 如图5所示，所述正弦波发生模块采用单片机与D/A转换器产生正弦波，所述D/A 转换器是DAC0832,它的主要特点有：8位并口输入的D/A转换器；双缓冲、单缓冲或直通的 数字信号输入形式；兼容多种微控制器的接口；电流型输出，电流的建立时间为Ius ;由于 是电流型输出，必须借助于运算放大器将电流信号转换为相应的电压信号。以一定的频率 对正弦函数进行采样，将采样得到的点转化为对应的数字量，再以一定的频率将这些点送 至D/A转换器中，就完成了正弦波的发生。程序的流程图如图6所示。
[0032] 如图7所示，所述漏电阻测量模块用于并联模型中漏电阻的测量，以提高精度。可 以采用加直流电压的办法。将直流电压加到充电电阻和被测电容上，利用A/D转换器测量 电容两端电压，就可以根据简单的电阻串联规律，计算出漏电阻的大小。
[0033] 图3中CD4051多路模拟开关模块中的0-7脚接电极3,就是把待测电容接入电路， 把正弦波接入标准电阻R后接到图3_CD4051的OUT/IN端子上，多路开关的公共端是引脚 COMOUT/IN，将充电电阻接至该引脚。开关的多路通道是CHANNELIN/0UT0-7,将这8路通道 接到分段电容上，每个通道接一段电容。片选引脚是INH，当INH为"1"时，各通道均不接通。 通道选择引脚是A，、B、C，按照CBA的顺序排列，可以有8种选择，对应着8个通道的导通。 比如说，CBA为"000"，则引脚C0M0UT/IN和通道0导通，如果CBA为"001"则引脚COMOUT/ IN和通道1导通，如此类推。所以说，控制CD4051多路模拟开关模块芯片，只需要单片机的 4个引脚就可以了，这比用电磁继电器来实现的多路开关要节省更多资源。
[0034] 系统选取的分段电容段数为8段，若是大于一片⑶4051提供的8段，那么就涉及 到⑶4051多芯片扩展的问题。该芯片的设计已经充分考虑到这一点，它的扩展很方便，扩 展一片CD4051，单片机只要多拿出一个引脚来做扩展芯片的片选信号线就可以了，通道选 择线A,、B、C可以通用。
[0035] 其实，可以把INH也看作是通道选择线，单片机的一个引脚直接接到一个⑶4051 的INH引脚上，同时通过反相器接到另一个⑶4051的INH引脚上，这样，就可以根据INH、 C、B、A的组合选择通道了。
[0036] 但是需要注意的问题是，引入这样一个多路模拟开关模块，势必要增加线路上的 分布电容，这一点不容忽视，在误差分析时要充分的考虑。多路选择模块的程序比较简单， 只需要选择芯片和选择通道两个步骤就完成。
[0037] 然后将此电路与MCU连接。其中MCU的PAO、PA1、PA2分别接多路开关的C、B、A 口，作为选通信号。PA6接多路开关的片选引脚INH。PA3、PA4、PA5分别接独立键盘keyl、 key2、key3。PA7是本设计中一个重要的引脚，与PB2、充电电阻、多路开关的公共接口相接， 并且会用到它的A/D转换功能。PB0、PB1、PB5、PB6接7SEG-MPX4-CA的1、2、3、4,作为位选。 PB2接PA7，PB3接地，用来触发模拟比较器中断。PB4接一个led灯，只在调试时用到。PB7 接DAC0832的_引脚，作为写使能信号。PC 口接DAC0832的数据输入端DI0-DI7,传送数 据。PD 口接7SEG-MPX4-CA，作为段选信号。AREF和AVCC接+5V电源。
[0038] 图5中MCU为ATMegal6,是主控芯片，它的PC引脚接D/A转换器DAC0832的数据 输入端DI0-DI7。DAC0832有四个控制引脚，它们是片选脚CS、数字输入量使能脚ILE、写使 能WRl和WR2。将CS和WR2引脚直接接地，ILE引脚直接接到正5V电源上，只保留WRl作 为控制线。引脚Vref为参考电压输入端，接到正5V电源上。
[0039] DAC0832的输出线有三条，Rfb为运算放大器反馈线，接到运算放大器的输出端。 Ioutl和Iout2为两条模拟电流输出线。loutl+Iout2为一个常数：若输入数字量全部为 " 1"，则Ioutl为最大，Iout2为最小；若输入数字量全部为"0"，则Ioutl最小，lout2最大。 为了保证额定负载下输出电流的线性度，Ioutl和Iout2引脚上的电位必须尽量接近地电 平，因此将此二脚接到运放的输入端，将I〇ut2接地。在实际选取电阻RU R2和R3时要注 意的是，它们的选择直接影响到产生波形的质量，应当选择精度等级比较高的电阻。
[0040] 相位差的检测方法是通过模拟比较器将正弦波转换为方波，方波的相位差可以简 单地通过中断机制实现。ATmegaie集成了一个模拟比较器。模拟比较器对正极AINO的值 与负极AINl的值进行比较。当AINO上的电压比负极AINl上的电压要高时，模拟比较器的 输出ACO即置位。比较器的输出可用来触发定时器/计数器1的输入捕捉功能。此外，比 较器还可触发自己专有的、独立的中断，中断方式可以选择上升沿、下降沿或者电平变化。
[0041] 模拟比较器的硬件连接只需把AINl引脚接地，AINO引脚接到多路选择器的公共 端即可。相位差检测模块电路图如图8所示。
[0042] 相位差检测的软件流程图如图9所示。这段程序可以描述为：选定同一个起始点。 关闭多路开关不接待测电容，测量第一个下降沿到来的时刻to。打开多路开关接通第一个 待测电容，测量第一个下降沿到来的时刻t。两个时间做差，就得到在第一个待测电容上的 波形延时时间。切换多路模拟开关模块，依次对各段电容进行检测。
[0043] 相位式电容检测法的原理如图10所示。Cx和Rx为待测电容和电容的漏电阻，电 阻R为充电电阻。在输入端加一个正弦激励电压Ui，在输出端得到响应电压Uo,按照常识 我们知道，Uo也是一个正弦波，只是幅值和相位较Ui有所变化。相位式电容检测法正是检 测输入和输出两个波形的差异来得到待测电容Cx的大小。
[0044] 得到了相位差和漏电阻，就可以计算出待测电容的值。但是，如果要应用到实际 中，利用本方法测量出的这个电容值并不是我们需要的准确的段电容值，其中还有一定的 误差。
[0045] 实际的电容误差主要包含两个方面，首先是导线上的分布电容。在电路版上的分 布电容值十分小，可以忽略不计。但是，从多路开关连接到分段电容上导线都很长，这些导 线上产生的分布电容不可忽略，是分布电容的主要来源。
[0046] 电路中寄生电容的来源主要是充电电阻和多路模拟开关模块，充电电阻上的寄生 电容与多路开关相比比较小。查阅多路模拟开关模块CD4051的资料可知，它在每一路上产 生的寄生电容有6-7皮法之多，在测量一些介电常数比较小的液体的液位时，待测的电容 值甚至比这个寄生电容还要小。
[0047] 分析上述两个主要的电容误差可发现，这些电容都是与被测电容相并联的。每次 测量，这些分布电容和寄生电容的值都是固定的，并且是简单地叠加到待测电容上的，不会 造成测量结果的非线性。
[0048] 有了上述认识，那么就可以通过如下方法来消除这些误差：悬空多路模拟开关模 块的一个通道，它的外面只连接导线，不连接待测电容。那么在这一路通道上，除了没有待 测电容之外，其他的电容误差都被包含进去。对这一路的电容值进行检测，就可以得到分布 电容和寄生电容的和，也就是总的误差之和。各通道上测量得到的电容值，减去这一通道上 测量得到的误差，就是实际的分段电容值。
[0049] 上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新 型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本实用新型保 护范围的限制。
[0050] 总之，本实用新型虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技 术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本实用新型的范围，否则 都应该包括在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种高精度智能多界面液位传感器检测系统，包括电源模块、MCU、与MCU相连接的 正弦波发生模块、与MCU和正弦波发生模块相连接的多路模拟开关模块、与多路模拟开关 模块相连接的分段式电容接口，所述MCU和多路模拟开关模块之间分别连接有漏电阻测量 模块和相位差检测模块；其特征在于；所述分段式电容接口接有双电极电容传感器，所述 双电极电容传感器由绝缘板（1)、对称缠绕在绝缘板（1)上的对称电极（2)，对称电极（2) 的端部通过电极（3)与分段式电容接口连接。
2. 根据权利要求1所述的高精度智能多界面液位传感器检测系统，其特征在于：还包 括与MCU连接的温度传感18B20模块、串行通信接口模块、人机接口模块。
3. 根据权利要求1所述的高精度智能多界面液位传感器检测系统，其特征在于：所述 多路板拟开关板块是集成的多路板拟开关板块巧片CD4051。
4. 根据权利要求1所述的高精度智能多界面液位传感器检测系统，其特征在于：所述 MCU为ATmegaie单片机，集成8路10位的A/D转换器和一个模拟比较器。
5. 根据权利要求1所述的高精度智能多界面液位传感器检测系统，其特征在于：所述 正弦波发生模块采用单片机与D/A转换器产生正弦波，所述D/A转换器是DAC0832。
【文档编号】G01F23/26GK204228233SQ201420694069
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】李一峰, 吴振陆, 樊海红, 徐今强 申请人:广东海洋大学