摘要：为提高液位开关测量精度和环境适应性，设计了一种船用高精度液位开关传感器。传感器采用电容式和谐振式测量原理进行液位测量，采用变压器原理进行信号隔离，提高了传感器的抗干扰性能。在结构设计方面充分考虑了产品的抗振性能和密封性能。试验结果表明，传感器具有精度高、稳定性好、可靠性高、环境适应性强等特点，具有广阔的应用前景。
关键词：电容；传感器；谐振；变压器
０ 引言
随着船舶自动化水平的提高，液位测量成为船舶配套系统中的重要组成部分，同时也成为船舶检测参数中的一项重要指标。液位传感器在船舶系统的正常使用、状态监测、故障诊断、自动控制和安全报警等方面发挥着巨大作用。为了精确控制船舶的运行状态和保障船舶的运行安全，对液位测量值的精度要求越来越高。[1,2,3]液位开关传感器由于输出简单，便于监控、采集传感器信号而越来越受到青睐。但由于船舶在工作时环境条件较为恶劣，在保障测量精度的同时，还需要考虑产品强度、抗振性能、耐腐蚀、密封等环境因素对产品的影响，这也是传感器的结构设计所需要特殊考虑的问题。因此，本文采用电容式原理，结合谐振测量法设计了一套高精度的液位开关传感器组件及转换组件[4,5]。
1 工作原理
液位开关由传感器组件及转换组件组成。传感器组件采用电容式原理设计，根据介质不同，电容值会发生变化而设计。
传感器组件的等效模型如图1所示。
图1 传感器组件等效模型
Fig 1 Equivalent model of sensor component
电路的传递函数为
谐振时，有
解得
只有当
时，电路才有谐振频率。
转换组件采用谐振式检测原理[6-8]。振荡器调整成只有在最小的传感器电容时才可能振荡，即当传感器浸入被测介质中时，它的电容增大，给振荡器回路带来附加损失，从而振荡幅度减小。当被测介质达到额定动作液位时，产生振荡的停振。
2电路设计
2.1 转换组件电路设计
转换组件电路由高频振荡器、触发器、稳压整流器三部分组成，如图3所示。
高频振荡器由按三点电容式线路图构成。
转换组件采用电容三点式振荡电路，该振荡电路与探头之间通过高频变压器构成了自激振荡电路，保证了检测电路的可靠性和稳定性。该电路的原理图如图2所示。
图2 振荡电路等效模型
Fig 2 Equivalent model of Oscillating circuit
探头等效负载与Tp1构成电感反馈式振荡电路，与Q1、C1、C2构成了三点式振荡电路。
设变压器原、副边电感值分别为L1、L2，互感为M，则
振荡频率
，
反馈系数
，
输入等效电阻
根据
，可得起振条件为
由以上公式看出，若增大C1/C2，L2/L1一方面反馈系数数值随之增大，有利于电路起振；另一方面，它又使
减小，从而造成电压放大倍数数值减小，不利于电路起振。
高频变压器Tp1中3,4绕组上消除振荡器输出电压。传感器电极电容经高频变压器Tp1和Tp3接入到高频振荡器线路中，Tp1和Tp3高频变压器用于排除电缆线路电容的影响。
振荡器调整成使只有在最小的传感器电容时才可能振荡，即当传感器已干燥。当传感器浸入被测介质中时，它的电容增大，给振荡器回路带来附加损失，而振荡振幅减小。当被测介质达到额定动作液位时，产生振荡的停振。
根据经验值，并经过试验验证，取C1=100pF，C2=2200pF，L1=1.7mH，L2=90uH，M=0.16 mH，此时振荡频率为650Hz左右。
触发器和稳压整流器的原理图如图3所示。
触发器由晶体管T2和T3组成。触发器具有两种稳定状态。当传感器在空气（或煤油）中时，触发器工作在第一种状态，晶体管T2开启，晶体管T3关闭，线圈P1失电，输出脚12、13处于导通状态（12、13脚为继电器一对常闭触电）；当传感器在水中时，触发器工作在第二种状态下T2关闭，而T3开启，线圈P1上电，输出脚12、13处于断开状态。
图3 触发器和整流器原理图
Fig 3 Trigger and stabilized voltage rectifier principle diagram
当传感器干燥时，触发器第一晶体管基极T2上施加负极整流电压和来自分压器R10、R12、R13的正电压，分压器由稳定电压+8V供电，此时，晶体管T2开启，T3管壁，触发器工作在第一稳定状态。
当传感器浸入到被测介质时发生振荡停振。晶体管T2关闭，T3开启，触发器过渡到第二稳定状态，此时，继电器P1处于有电稳定状态。
电源电压220VAC由变压器X1降压到24VAC，由二极管D1、D2整流，在滤波和稳压之后变成大约-22V，并供向晶体管T1、T2的集电极。来自第二整流器的电压，在滤波和稳压之后变成+8V，并被用于供给偏压至T2、T3的基极上。
2.2 传感器组件电路设计
传感器组件的电路设计中，变压器TP3的设计尤为关键。为了保证传感器不受外界电磁干扰，采用了变压器进行隔离设计。传感器组件原理图如图4所示。
图4 传感器组件原理图
Fig 4 Sensor component principle diagram
经过试验验证，为保证电路能可靠工作，工作频率限制在550kHz~750kHz之间，Cx的范围在0.3uF~2.7uF之间。
3 结构设计
在结构设计上，充分考虑了力学、热学、电磁兼容等方面的环境要求，从设计上进行了保证。
传感器组件的结构图如图5所示。
图5 传感器组件结构图
Fig 5 Sensor component structure diagram
传感器的工作电容由圆柱形电容器构成，外壳作为电容的外层，探头作为电容的内层。这种电极的结构是为了当被测介质充满极层间空间时，可保证所需的电容增长。此外，电极的密封靠其在壳体中的锥度配合，在传感器壳体内腔注满环氧胶。
所有与被测介质接触的传感器零件由不锈钢00Cr17Ni14Mo2制成。该传感器采用法兰安装方式，用于在介质压力达0.6MPa时安装在容器外面。
转换组件用于变换电容信号成为电气继电器信号，其结构图如图6所示。转换组件内部由两部分组成，一是印制线路板上安装的电气安装件，二是动力变压器。电连接器固定在壳体上，插头的触头用软安装导线与部件电路相连接。壳体正面用上盒盖盖住，盖子密封靠沿盖子的角隅布置的螺钉压紧橡皮垫片来实现。
图6 转换组件结构图
Fig 6 Conversion component structure diagram
4 试验与结果
4.1精度测量
为验证产品的精度，以不同介质进行了多次试验。如图7所示。
试验1：测量介质为柴油和水的分界面。
试验2：测量介质为水。
经过多次测量，动作液位误差为±1mm范围内，达到了精确测量的要求。
图7 精度测量
Fig 7 Accuracy measurement
4.2 耐压试验
根据产品实际应用环境的要求，产品需要耐受一定的压力，因此需要对产品进行耐压能力的考核。
用专用打压试验测试装置对传感器进行耐压试验，在施加绝压1MPa的压力情况下，保压时间不小于30min，传感器能正常工作。因此，产品能耐受实际环境中的压力。
4.3 环境试验
由于船用环境十分恶劣，除了在设计上充分考虑环境适应性以外，还必须模拟船用环境对产品进行考核。试验结果如下：
温度试验：产品能够在（-185）℃环境下正常工作；
按照船用相关标准进行了振动、冲击、湿热等相关试验的考核，均为合格。
5 结论
本文提出了一种新型船用高精度液位开关传感器，采用了电容式原理和谐振式原理，该传感器已在工程中使用，证明了该传感器具有高精度、高可靠性、稳定性好、环境适应性好等特点，能够在杂环境中使用，很好地满足了工程需要。此外，该传感器经过改进和调节参数，不仅能测量油水分界面，测量水位，还能测量其他不同介质的分界面等，具有广阔的应用前景。
参考文献：
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[2] 蒲良，刘志强，马玉华.ELL外侧液位计在液化石油气储罐上的应用[J].化工自动化及仪表,2015,42(5):589-591
[3] 扈刚,王延峰.谐振式水位传感器[J]. 传感器技术, 2002, 27(5):22,23,26.
[4] 陈思语.一种谐振式无线电能传输系统的研究[J].中国计量学院硕士学位论文,2015.
作者简介：
刘柏青(1978－)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，主要研究方向为传感器技术。
论文作者:刘柏青,石婷婷,秦仕鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：传感器论文; 组件论文; 测量论文; 电容论文; 触发器论文; 介质论文; 电路论文; 《电力设备》2019年第5期论文;