[发明专利]分节电容液位传感器测量电路实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及测量技术，具体涉及航天特种测量。

背景技术

在航天液体火箭推进领域中，无论是在发动机地面试验，还是火箭飞行中，都需要精确掌握推进剂贮箱内的实时液位。如果对贮箱进行不同高度对应容积的标定后，再根据一定时间内分析液面计测量电路的输出信号，还可以得到推进剂稳态流量这一重要参数。北京航天试验技术研究所的马礼耀等人提出一种分节式电容液位传感器，该方法由于采用了细分直管段的传感器结构，再结合差动测量技术，使得传感器具有很强的温度、压力自动补偿能力，以及极高的精度和分辨率。

但是，与分节式电容液位传感器相配合的测量电路存在很大困难，制约了这种传感器的应用，遇到的主要困扰如下：

(1)信噪比极低，极易被过大的杂散因素所淹没。受实际使用中的恶劣环境限制，变送器与传感器之间需要保持较长距离。以线缆长度为50m计，线缆的分布电容就高达5000pF，且该分布参数还会发生变化(外界温度变化、线缆晃动等)，而要检测的差动电容最大仅为几个pF，最高分辨可达0.01pF。

(2)实时性要求高。由于在实际应用中，液位下降速度可能很快，为保证测量精确、及时，要求测量刷新率高，即快速响应性能很好(500Hz以上)。

(3)需要同时实现用于平稳和非平稳变化状态下的液位测量。在加注过程中，由于贮箱内上部温度较高，低温推进剂液面附近存在剧烈沸腾，差动电容变换信号将出现杂乱波形。此外，由阀门动作等原因也会引起的液面突然起伏，也会输出奇异波形。对于以上类似的非平稳变化状态，依赖于计算三角波个数而实现的液位测量功能失效，真实液位信息将无法确定。

目前，各种已知方法都不能较好解决以上存在问题。

发明内容

本发明提供了一种分节电容液位传感器测量电路实现方法。解决的技术问题为，从大的干扰源中快速提取微小的电容变化并进行调理，同时实现高灵敏度的局部液面和整体液位测量。

交流激励源同时加在两个待测电容的公共电极，两个待测电容的另一端分别连接各自对应的前置放大器的反相输入端，参比电容连接在前置运算放大器的反相输入端和输出端之间。前置放大器的同相输入端通过电阻或直接连接信号地。前置运算放大器在反相输入端与输出之间，连接有标准参比电容。

在运算放大器极高的开环增益作用下，运算放大器反相输出端在测量过程中始终处于“虚地”状态。交流激励源作用于待测电容上所产生的电流始终完全流过反馈支路，并经过固定的参比电容将待测奇节、偶节电容的大小变换为两个交流电压信号，当待测电容的大小变化时，交流电压信号的幅值也发生相同比例变化。

对应于奇、偶数节实时电容的两路输出变换电压信号进入加法器、减法器进行求和、求差运算，从而得到表征两待测电容之和、差的原始电压信号，即表征宏、微观液位的原始信号。这两种信号分别经各自的交流放大单元、检波单元、低通滤波单元和输出调节单元，同时得到满足使用要求的宏观和微观液位变换信号。其中：放大单元实现对两类初始交流电压信号进行幅度放大；检波器实现将低通滤波后的两类交流信号各自变换为直流电压输出；低通滤波器对检波器输出的两类电压信号进行低通滤波，得到直流电压信号；输出调节单元对两类直流电压信号的零位、幅度可根据需要进行调节。

本发明的有益效果是：

1)抗干扰能力强，克服线缆分布电容等杂散因素对小电容测量的影响。

2)同时得到反应微观液位变化和宏观液位变化的两种变换信号，提高使用可靠性，扩展了分节液面计的适用范围。

本发明对基于差动电容检测的其它应用，如电容式真空压力传感器等，同样具有所述之优点。

附图说明

图1为分节电容液位传感器工作原理。

图2为信号检出形式。

图3为线缆杂散因素抑制原理。

图4为测量电路实现原理。

具体实施方式

为了本发明的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面以分节液面计为应用传感器，结合具体图示，进一步阐述本发明。

为便于理解本发明内容，对分节电容液位传感器进行必要介绍。