[發明專利]分節電容液位傳感器測量電路實現方法

有效

• 申請號: 201210250511.X
• 申請日: 2012-07-19
• 公開（公告）號: CN103575360A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 蘇韜;蔡睿;于海磊;管理;李志剛;朱子環;耿衛國;鄭勤生;田源;周文怡;周磊;段娜;于濤;莊建;趙晉平;李薇
• 申請（專利權）人: 北京航天試驗技術研究所;北京航天峰光電子技術有限責任公司
• 主分類號: G01F23/26
• 分類號: G01F23/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及傳感器及測量技術，具體涉及航天特種測量。

背景技術

在航天液體火箭推進領域中，無論是在發動機地面試驗，還是火箭飛行中，都需要精確掌握推進劑貯箱內的實時液位。如果對貯箱進行不同高度對應容積的標定后，再根據一定時間內分析液面計測量電路的輸出信號，還可以得到推進劑穩態流量這一重要參數。北京航天試驗技術研究所的馬禮耀等人提出一種分節式電容液位傳感器，該方法由于采用了細分直管段的傳感器結構，再結合差動測量技術，使得傳感器具有很強的溫度、壓力自動補償能力，以及極高的精度和分辨率。

但是，與分節式電容液位傳感器相配合的測量電路存在很大困難，制約了這種傳感器的應用，遇到的主要困擾如下：

(1)信噪比極低，極易被過大的雜散因素所淹沒。受實際使用中的惡劣環境限制，變送器與傳感器之間需要保持較長距離。以線纜長度為50m計，線纜的分布電容就高達5000pF，且該分布參數還會發生變化(外界溫度變化、線纜晃動等)，而要檢測的差動電容最大僅為幾個pF，最高分辨可達0.01pF。

(2)實時性要求高。由于在實際應用中，液位下降速度可能很快，為保證測量精確、及時，要求測量刷新率高，即快速響應性能很好(500Hz以上)。

(3)需要同時實現用于平穩和非平穩變化狀態下的液位測量。在加注過程中，由于貯箱內上部溫度較高，低溫推進劑液面附近存在劇烈沸騰，差動電容變換信號將出現雜亂波形。此外，由閥門動作等原因也會引起的液面突然起伏，也會輸出奇異波形。對于以上類似的非平穩變化狀態，依賴于計算三角波個數而實現的液位測量功能失效，真實液位信息將無法確定。

目前，各種已知方法都不能較好解決以上存在問題。

發明內容

本發明提供了一種分節電容液位傳感器測量電路實現方法。解決的技術問題為，從大的干擾源中快速提取微小的電容變化并進行調理，同時實現高靈敏度的局部液面和整體液位測量。

交流激勵源同時加在兩個待測電容的公共電極，兩個待測電容的另一端分別連接各自對應的前置放大器的反相輸入端，參比電容連接在前置運算放大器的反相輸入端和輸出端之間。前置放大器的同相輸入端通過電阻或直接連接信號地。前置運算放大器在反相輸入端與輸出之間，連接有標準參比電容。

在運算放大器極高的開環增益作用下，運算放大器反相輸出端在測量過程中始終處于“虛地”狀態。交流激勵源作用于待測電容上所產生的電流始終完全流過反饋支路，并經過固定的參比電容將待測奇節、偶節電容的大小變換為兩個交流電壓信號，當待測電容的大小變化時，交流電壓信號的幅值也發生相同比例變化。

對應于奇、偶數節實時電容的兩路輸出變換電壓信號進入加法器、減法器進行求和、求差運算，從而得到表征兩待測電容之和、差的原始電壓信號，即表征宏、微觀液位的原始信號。這兩種信號分別經各自的交流放大單元、檢波單元、低通濾波單元和輸出調節單元，同時得到滿足使用要求的宏觀和微觀液位變換信號。其中：放大單元實現對兩類初始交流電壓信號進行幅度放大；檢波器實現將低通濾波后的兩類交流信號各自變換為直流電壓輸出；低通濾波器對檢波器輸出的兩類電壓信號進行低通濾波，得到直流電壓信號；輸出調節單元對兩類直流電壓信號的零位、幅度可根據需要進行調節。

本發明的有益效果是：

1)抗干擾能力強，克服線纜分布電容等雜散因素對小電容測量的影響。

2)同時得到反應微觀液位變化和宏觀液位變化的兩種變換信號，提高使用可靠性，擴展了分節液面計的適用范圍。

本發明對基于差動電容檢測的其它應用，如電容式真空壓力傳感器等，同樣具有所述之優點。

附圖說明

圖1為分節電容液位傳感器工作原理。

圖2為信號檢出形式。

圖3為線纜雜散因素抑制原理。

圖4為測量電路實現原理。

具體實施方式

為了本發明的技術手段、創新特征、達成目的與功效易于明白了解，下面以分節液面計為應用傳感器，結合具體圖示，進一步闡述本發明。

為便于理解本發明內容，對分節電容液位傳感器進行必要介紹。