一种电容式液位传感器在燃油液位测量中的应用.pdf
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1、-105-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期三星推荐及的许多技术仍存在不足,在测量的精度和可靠性方面还有待提高。例如光纤液位传感器的技术难度大,工艺复杂,低温光纤的成本高昂,普通光纤的温度特性又不佳,因此并未得到广泛使用。电容式传感器由于其价格低廉,结构简单,稳定可靠,使用寿命长,广泛应用于油量测量领域。但是传统的电容传感器在使用时,由于温度、杂质等因素的影响,会导致燃油的介电常数发生改变,这就使得其测量精度和可靠性会受到影响。如果要保证测量的准确,就需要经常进行校准。但是经常校准十分不便,为测
2、量带来了很大的困难。于是对电容传感器在结构上进行改进,使其减小由于燃油介电常数改变对测量造成的影响。同时给出了测量系统的整体设计,并设计实验对测量系统进行了验证。传统的电容式液位传感器的测量原理传统的电容式液位传感器是由两块同轴安装的极板构成,其结构如图 1 所示。其原理是在传感器中,液面和传感器之间会形成一个电容器。当燃油液位变化时,传感器的电容值也会发生变化。通过测量传感器的电容值,然后使用公式转化得出液位高度。传感器电容的大小取决于介质的介电常数、极板的面积以及极板间距等参数。当传感器置于空气中时,电容传感器处于零位,记此时传感器的电容量为 C0,其值由式(1)给出:(1)其中,0为空气
3、的介电常数,L 为极板的总长度,R 为外极板的半径,r 为内极板的半径,此时电容器的电容值为最小。当液位高度 H 不等于 0 时,此时电容器的电容值可表示为:(2)1为燃油的介电常数。由于 10,于是由式(1)和式(2)可知,当燃油液位高度为 H 时,传感器电容值的变化量 C 为:(3)由式(3)可知在排除外部干扰条件后,参数0、1、L、R、r 均为常量,所以传感器电容值的变化量 C 与燃油液位高度H 成线性关系,只需测出电容值即可计算出燃油液位高度。上述的理论推导是建立在空气与燃油的介电常数恒定不变的基础之上的。一般情况下空气的介电常数可以视为真空的介电常数,可以看作是已知量和常量。但是进行
4、实际测量时,由于受到温度、杂质等因素的影响,燃油的介电常数会行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种电容式液位传感器在燃油液位测量中的应用王 兴 唐庆如 李世林 刘 亮王 兴1 唐庆如1 李世林1*刘 亮21.中国民航飞行学院2.四川新川航空仪器有限责任公司王兴(1998),四川内江,硕士研究生,机械,研究方向:嵌入式开发,传感器技术。通信作者:李世林在飞机运行过程中,对飞机燃油进行准确的检测,是保证飞机燃油系统正常运行的一个关键环节,对于完成飞行任务、保障飞行安全和社会安全,有着重要意义。燃油测量装置的测量精度、可靠性和可维护性对飞机的整体性能有着重要
5、的影响。随着现代科技的快速发展,社会对于燃油测量系统的性能、精度、可靠性等方面有了更高的要求。针对燃油液位测量,国内外采取的技术和产品很多。传统使用的传感器包括浮子式传感器、电容式传感器,随着科学技术的发展,近年来也逐渐出现了许多新型的传感器,如光纤液位传感器、超声波式液位传感器、导波雷达式液位传感器等。但在新型液位传感器的设计上,国内与国外相比存在较大差距,所涉中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-106-三星推荐发生改变。因此需要对燃油介电常数变化对测量结果造成影响这一问题进行补偿,于是考虑对
6、传感器在结构上做出改进。改进的电容式液位传感器的测量原理改进的电容式液位传感器在底部增加了一段较短的极板,这一段极板在测量过程中一直完全浸没在燃油当中。上、下两段同样是由同轴的圆柱构成,长度分别为 l、L,内、外半径分别为 r、R。两段之间的间隙很小,在当前的加工技术下可以忽略不计。当传感器置于空气中时,记此时的电容值为零位,可得到参考极板和测量极板的初始电容量分别为 C01、C02,则有:(4)当整个电容传感器完全浸入燃油时,标记此时的电容值,记为满位,参考极板和测量极板的满位分别记为 C11、C12,则有:(5)记当前标记时刻的燃油介电常数为。当进行实际的燃油测量时,燃油的介电常数会受到温
7、度等因素的影响从而发生变化,记每次测量时燃油的介电常数为 r,该参数为一变量。将每次测量时参考极板和测量极板的测量电容值记为 Cx1、Cx2,则有:(6)将式(4)、(5)带入式(6),可得:(7)从式(7)可知,当电容传感器的尺寸固定后,R、r、L、l、0均为已知常数,只有被测燃油的介电常数会发生改变。因此将式(7)进一步化简可得:(8)通过式(8)可知,当采用改进后的分段式构后,被测燃油的液位高度只与电容传感器在各个时段的电容量有关,其中 C01、C02、C11、C12在使用前进行标定实验的时候可以测得,Cx1、Cx2在每次测量时可以测得。由上述公式推导可以看出,改进后的电容传感器采用了分
8、段式结构,也就是在传感器底部增加了一段参考极板,上段称为测量极板。参考极板在测量时的电容值相当于用来表示燃油介电常数的变化,然后把结果反馈给测量极板,最终计算出燃油液位高度。系统总体设计硬件设计由于测量系统是使用电容式液位传感器来测量燃油液位。因此测量过程中涉及微小电容值的检测。目前针对微小电容的检测有以下两种方法:采用分立元件搭建的微小电容检测电路以及采用专用集成芯片搭建的微小电容检测电路。针对微小电容的检测,使用分立元件搭建的检查电路都是模拟电路,其结构复杂,容易引入噪声,维护性不好,抗干扰能力差,同时其测量范围难以扩展,不适用于目前的燃油液位测量。最终通过对比并根据实际需要,选取了德国
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