液位測量機(jī)理分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3923液位測量機(jī)理分析案例 1311601.1敏感元件和轉(zhuǎn)換原理 139611.2液位傳感器系統(tǒng)的組成 41.1敏感元件和轉(zhuǎn)換原理在所設(shè)計(jì)的液位傳感器系統(tǒng)中，PVC同軸電纜被作為敏感元件。由于在產(chǎn)品容量、材料可加工性、熱穩(wěn)定性和成本效益方面的突出優(yōu)勢，PVC一直是電線電纜系統(tǒng)中使用最廣泛的絕緣材料之一。PVC同軸電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和橫截面示意圖見圖2-1,2-2。圖2-1聚氯乙烯(PVC)同軸電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-2PVC同軸電纜的橫截面圖圖2-3液位測量的示意圖圖2-4測量電容的等效電路從圖2-1可以看出，PVC同軸電纜從里到外由四層組成：內(nèi)層銅導(dǎo)體、聚乙烯（PE）絕緣層、外層銅編織導(dǎo)體和PVC護(hù)套。此外，如圖2-2所示，內(nèi)導(dǎo)體、聚乙烯絕緣層、外導(dǎo)體和PVC護(hù)套的直徑分別定義為D1、D2、D3和D4。為了適當(dāng)?shù)卣f明所提出的傳感器的測量原理，定義了兩個(gè)終端（E1和E2），如圖2-3,2-4所示。原則上，液位可以通過測量E1和E2之間的電容來確定。從圖2-3中可以看出，內(nèi)部的銅導(dǎo)體是由一個(gè)不銹鋼配重物連接到液體上的。此外，在配重中注入了少量的環(huán)氧樹脂，以使內(nèi)層銅導(dǎo)體與外層的銅包絡(luò)導(dǎo)體絕緣。在初始狀態(tài)，E1和E2之間的電容被定義為C0。很明顯，C0包括兩部分:CH和Ch0。CH是內(nèi)層銅導(dǎo)體和外層銅編織導(dǎo)體之間的電容，而Ch0是外箍銅導(dǎo)體和配重之間的電容。那么，當(dāng)液面從0到h0變化時(shí)，E1和E2之間的電容保持不變，始終等于C0。之后，隨著液面的進(jìn)一步升高（>h0），PVC同軸電纜會更深地浸入液體中，E1和E2之間的電容將因此增加。由液面上升引起的電容增量被定義為Cδ。因此，整體測量電容Cm等于C0和Cδ之和。圖2-4中給出了相應(yīng)的測量電容的等效電路。相關(guān)的計(jì)算公式如下:（1.1）（1.2）（1.3）其中，ε0是真空電導(dǎo)率，εr是PE絕緣層的相對電導(dǎo)率，εt是PVC外套的相對電導(dǎo)率。H是PVC電纜的總長度，h0是配重的高度，δh是液體表面和配重頂部之間的距離。從公式（1.3）中可以看出，整體測量電容Cm和在理想狀態(tài)下，液面變化δh是一個(gè)近似的線性關(guān)系。此外，根據(jù)表2-1所示的相關(guān)參數(shù)，可以得出Cm的理論值。表2-1相關(guān)參數(shù)參數(shù)值單位ε08.85×10?12F/mεr1.3無量綱εt4.8無量綱D10.75mmD24.8mmD35.0mmD47.2mmH3.0mh00.1mh0.1~1.1mδh1.1mC0279.89pF因此，Cm的理論值可以通過將上述參數(shù)代入公式（1.3）得出。即：（1.4）式（1.4）計(jì)算結(jié)果表明，在1.0米的液位測量范圍內(nèi)，測量電容范圍理論上約為279.89~1011.87pF。此外，這些要測量的電容值都在pF范圍內(nèi)，這在本質(zhì)安全設(shè)計(jì)中是允許的。實(shí)驗(yàn)研究將在以后進(jìn)行，并進(jìn)行詳細(xì)分析。1.2液位傳感器系統(tǒng)的組成圖2-5說明了所設(shè)計(jì)的液位傳感器的系統(tǒng)組成。PVC同軸電纜的電容隨著電纜浸入液體的長度而變化，提供了一個(gè)測量液位的機(jī)制?？梢院苋菀椎乜吹?，PVC同軸電纜的一端（內(nèi)導(dǎo)體）與配重物相連，而另一端則與不銹鋼外殼內(nèi)的電路相連,不銹鋼外殼（150×105×48mm）通過電纜接頭與電路相連。此外，可以看到，PVC同軸電纜的內(nèi)層銅導(dǎo)體和外層銅包絡(luò)導(dǎo)體分別與GND和Cm的終端相連。然后，經(jīng)過一系列的處理單元，電容信號被輸送到微型控制單元（MCU），它控制LED顯示液位，并通過一個(gè)包含液位信息的發(fā)射頻率信號與其他監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行通信。圖2-5液位傳感器的系統(tǒng)組成懸掛環(huán)被用來將傳感器原型懸掛在固定裝置上。需要強(qiáng)調(diào)的是，所有的電子芯片和電路都放在具有良好密封和防腐性能的不銹鋼外殼內(nèi)。此外，該系統(tǒng)