基于CAV444的电容式液位传感器设计与优化

赵 明，汤晓君，张徐梁，张 涛，寇福林

(西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049)



基于CAV444的电容式液位传感器设计与优化

赵 明，汤晓君，张徐梁，张 涛，寇福林

(西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049)

文中介绍了电容式液位传感器的测量原理，提出了一种基于CAV444线性电容-电压转换芯片的电容式液位传感器设计与优化方案。该方案根据所测液位范围对应的电容值变化范围对调理电路的输出电压进行了变换，以提高传感器的灵敏度，并根据被测信号的带宽设计了低通数字滤波器，提高了传感器的抗干扰能力。测试结果表明，该传感器性能稳定，最大非线性误差为0.75%，测量结果线性度好；引用误差为1.13%，测量准确度高，能够满足大多数工业现场实际的液位测量需求。

液位检测；电容式传感器；CAV444；数字滤波器

0 引言

在工业生产中，存在着大量的液位测量的需求。油罐车内汽油液位的测量，液化天然气罐中的液位测量，石油化工行业中的油水分离器中分离界面的测量，水塔水位位测量等应用场合都需要用到液位传感器[1-2]。电容器作为传感器，能够方便地将不易测量的液位量转变为便于测量的电容量，有助于实现对液位的监测和控制。常用的电容测量的方法有恒流源对电容器充电的方式和交流锁相放大的电容测量方法，恒流源充电的方式结构简单、成本低廉，但是存在电荷泄露的问题杂散电容对其影响较大；交流锁相放大电容测量方法抗杂散性能好、精度高，但是电路复杂，成本高[3]。CAV444线性电容-电压转换芯片是一种高性能的电容-电压转换集成芯片，使用简单，测量范围大(最大可达2200pF)[4]，可实现水位等液体液位的准确测量[5]，但是对于介电常数比较小的液体(如液化天然气、煤油等)，液位变化引起的电容量的变化范围较小，直接测量就很难满足测量要求。并且液体内的杂质对结果影响较大，每次标定依靠手动调节，增加了标定难度和标定成本。为此，文中提出了一种基于CAV444线性电容-电压转换芯片的电容式液位传感器的设计与优化方案。文章采用CAV444线性电容-电压转换芯片为核心搭建测量系统，采用飞思卡尔MC9S08DZ60单片机完成控制、通信、软件标定、CAN通信和数字滤波等软件处理。该系统能够实现引起小电容量变化范围(如300～400 pF)的液位的测量。该系统具有电路结构简单，测量范围广，标定方法简单，能够实现CAN总线通信等特点，可应用于大多数非导电性液体液位测量的工业应用场合。

1 液位传感器测量原理

电容式液位传感器是通过测量被测系统的电容值来达到测量液位的目的。液位传感器的工作原理如图1所示，电容器的两个极板分别是容器中央的金属电极和容器的金属外壁，其中C0表示传感器周围固定不变的杂散电容，C1为被测液面上方介质常数为ε1的气体所形成的电容，C2为介质常数为ε2的被测液体形成的电容，L为容器的总高度，H为液位，D为容器直径，d为金属电极的直径。一般情况下被测量的电容是由杂散电容C0与C1、C2并联形成的电容CH．其中ε1≠ε2，所以液位的变化将会引起总电容值的变化，从而将液位转化为电容值的大小，可以证明[5]

(1)

式中：ε1、ε2、D、d和L均为不随时间和液位变化的常量；ln(·)表示自然对数算子。

由式(1)可以看出，被测电容量CH与液体的液位高度H呈线性关系。在实际测量过程中，标定零液位电容值和满量程电容值分别为Cmin、Cmax，测量电容值为CH，则有如下等式[6]

(2)

由式(2)可知，理论上测量所得到的电容值能够线性的转化为液位，从而实现对液位的测量。

图1 液位传感器示意图

2 测试系统设计

电容测量系统的系统组成如图2所示，电容式液位传感器获取到的电容值经过电容-电压转换电路将电容信号转换为电压信号，输出的电压信号经过前置的放大和滤波处理送给单片机，单片机进行数据处理输出给外部显示或者通过CAN总线发送数据给上位机，并且可以从上位机获得标定指令实现测试系统的软件标定。

图2 传感器系统组成

2．1 电容/电压转换电路

CAV444线性电容-电压转换芯片，该芯片的电容测量范围为18～2 200 pF，具有很高的分辨率，线性度高，能够方便地进行调零和校准[4]。

CAV444芯片的内部结构如图3所示，电容传感器CM与芯片内部的测量振荡器构成振荡电路，振荡周期与测量电容CM的大小呈线性关系。振荡信号经过一个频率/电压转换模块，将振荡周期转换为电压信号，再经过滤波模块，输出电压信号，完成电容信号到电压信号的转换。其中，输出电压与内置的2.5 V的参考电压组成差分电压输出。

图3 线性电容/电压转换电路

由于VOUT1和VREF在小范围内的电容变化，实验过程中测试，300～400 pF的电压变化为0.27 V，必须将经过进一步的放大处理。AD623是一款高精度，高共模抑制比，低漂移，支持单电源供电的仪表放大器。通过调节R1，R5可以实现对传感器测量范围的调节，Radj实现放大倍数的调节输出0～3 V(AD623的线性区在0～3.5 V)电压信号。

2．2 滤波器设计

在CAV444芯片内部集成了模拟滤波器，通过合理设置滤波电容CF1、CF2的值就能设置模拟低通滤波器的通带截止频率。模拟低通滤波器能够滤去电压信号中的高频成分，但是在频率过渡带上存在非线性相位的问题可能会导致波形的畸变，将数字滤波器的阻带截止频率设置在模拟滤波器的通带截止频率附近，这样就能将模拟滤波器过渡带上的非线性相位消除，提高系统的测试性能[7]。

2．2．1 模拟滤波器设计

CAV444芯片内部有滤波模块，通过校准软件analogmicro．en．kali_cav444．xls可以实现相对应的模拟滤波器的设计，并且给出最优的滤波电容值CF1、CF2，以测量300～400 pF为例。通过校准软件可以直接求得电路的结构参数由表1可以看出最大允许的输入信号的频率为91.58 Hz，模拟滤波器的通带截止频率在90 Hz附近。

表1 300～400 pF电容测量的电路结构参数

AD623的输出需要对纹波进行处理，纹波的频率是CAV444内部的振荡器耦合过来的，通过示波器观测到大约30 kHz的纹波信号，AD623的输出端加入阻容结构的一阶低通滤波器，介质频率设置在10 kHz，完成对纹波的滤除。

2．2．2 数字滤波器设计

根据模拟滤波器的特性进行数字滤波器的设计，将数字滤波器的阻带截止频率设置在模拟滤波器的通带截止频率处，也就是将数字滤波器的阻带截止频率设置为90 Hz(在此衰减80 dB)，液位的变化频率很缓慢，在10 Hz以下，设置数字滤波器的通带截止频率设置为70 Hz(在此衰减3 dB)。模拟滤波器和数字滤波器的幅频特性如图4所示，模拟滤波器的过渡带在数字滤波器上基本衰减完全。相频特性如图5所示，可以看出数字滤波器在其过渡带上仍有良好的线性相位。

图4 滤波器幅频特性

图5 滤波器相频特性

2．3 软件设计

传感器系统的软件流程图如图6所示，主要包括初始化程序、AD转换程序、数据处理程序、CAN通信程序，通过调节外部的可调电阻可以设定传感器系统的测量范围。传感器系统测得的液位的数据通过CAN总线向上位机进行发送，需要对液位进行系统标定时，上位机通过CAN总线对传感器进行控制，零液位和满量程的电容值的标定通过CAN总线通信的方式进行软件标定，简化了系统标定的过程。

图6 软件程序流程图

3 测试结果及其分析

测试实验选用总高度为1.6 m的煤油(介电常数2.8[8])储存罐内的煤油液位为测量对象。测量一系列数据，并且对传感的测量误差，测量线性度，测量结果的置信度进行计算和评估。对十个液面位置进行测量得到十组数据如表2所示。

表2 测量误差记录数据 cm

对表2数据进行处理可以得到传感器的最大测量误差为

(3)

由式(3)可知，传感器满足2%的测量仪表的要求。

取零液位和满量程的两点，进行线性拟合，拟合值如表3所示。

表3 线性度测试数据 cm

(4)

由式(4)可知，最大非线性误差为0.75%，分别在液位为0，80cm，160cm进行重复性测试，每组测试取10个样本进行测试，测量结果如表4 所示。

表4 重复性测试结果 cm

由表4的3组数据可以求得δ1=0.123，δ1=0.245，δ3=0.122．取最大的样本方差作为该传感器系统的测量方差，即δ=0.245。

4 结论

电容式液位传感器能够轻易地将非导电液体的液位量转换为便于测量的电容量，采用电容-电压转换芯片CAV444能够将电容值的大小转化为便于测量的电压值，并且输出和输入满足线性关系。该系统满足一般的工业测量要求，尤其适用于电容变化量较小的液位测量场合，并能保持较小的测量误差(引用误差为1.13%)。实验数据表明了该电容测量系统性能稳定、线性度高，测量结果可靠性好。该传感器系统校准方法简单，能够实现密封环境下的液位的测量，进一步延伸了CAV444芯片的应用范围，降低了一些特定场合的液位测量成本。

[1] 王毅．电容式油水界面液位传感器的设计．中国仪器仪表，2006(5)：56-58．

[2] 程卫丹．基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计．数字技术与应用，2010(10)：122．

[3] 邱桂苹．微小电容测量电路．黑龙江电力，2006(10)：362-366．

[4] 电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444[EB/OL]．[2012-01-20]．http：//www．docin．com/p-94394264．html．

[5] 周燕．基于CAV444的电容式液位传感器设计．工矿自动化，2012，(5)：56 59．

[6] 王芸．基于运算法的电容式液位传感器的设计．电子测量技术，2008(3)：122-124．

[7] 刘君华．智能传感器系统(第二版)．西安：西安电子科技大学出版社，2010．

[8] 北京中天科技发展有限公司．常见物质介电常数表[EB/OL]．[2008-10-12]．http：//www．twell．cn/Picture/DownLoad/20080120104336310426．pdf．

作者简介：赵明(1990—)，研究生，电磁发射技术。 E-mail：zhaoming510@sina．com 汤晓君(1973—)，教授，博士．主要研究方向为复杂多组分体分析。Email:xiaojun_tang@mail.xjtu.edu.cn

Design and Optimization of Capacitive Liquid Level Sensor Based on CAV444

ZHAO Ming，TANG Xiao-jun，ZHANG Xu-liang，ZHANG Tao，KOU Fu-lin

(School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，700019，China)

The measurement principle of capacitive liquid level sensor was introduced at first.And then,that how to design and optimize such a sensor based on CAV444 was proposed.Finally,a liquid level sensor was fabricated and tested.According to the rang of capacitance,which corresponds to the measured level,the output voltage of the conditioning circuit was converted to increase the sensitivity of the sensor,and a low-pass digital filter was designed according to the bandwidth of the signal to improve the resistance of the sensor.Finally,the design and testing of the sensor system were completed.The testing results shovo that the max non-linearity error is 0.75%,maximum fiducial error is only 1.13%,and this sensor has good linearity,high measurement accuracy,and good stability.Therefore,this sensor meets the requirements of practical liquid level measurement.

liquid level measurement; capacitive sensor; CAV444; digital filter

张天恒(1973—)，硕士，工程师，研究方向为计算机辅助测试技术。E-mail：zth@cqut．edu．cn

国家自然科学基金(51277144)资助项目；国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ240127)资助项目

2013-12-18 收修改稿日期：2014-11-09

TP212

A

1002-1841(2015)01-0007-03