本發(fā)明涉及一種極低相對介電常數(shù)介質(zhì)液位測量實(shí)現(xiàn)方法，屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

對于石油化工、食品醫(yī)藥、新能源應(yīng)用等領(lǐng)域，低溫介質(zhì)的應(yīng)用越來越廣泛，對儲罐內(nèi)介質(zhì)剩余量進(jìn)行準(zhǔn)確感測的需求也變得更為普遍和迫切?；谧兘殡姵?shù)檢測原理的方法具有無活動部件、不受磁場影響等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。對于此類低溫介質(zhì)，相對介電常數(shù)較低是其共同特點(diǎn)，故其檢測靈敏度低，必須保證有強(qiáng)抵御外界干擾因素影響能力。以液氦為例，相對介電常數(shù)變化量甚至低至0.05，靈敏度僅約為水的0.06％。

在CN 102589648 A“LNG液位計及液位測量方法”等現(xiàn)有技術(shù)中，公開描述了由內(nèi)、外管構(gòu)成的同軸電容液位傳感器，采用內(nèi)筒和外筒結(jié)構(gòu)形成待測電容，內(nèi)、外電極分別連接同一同軸線纜的芯線和屏蔽層。

使用中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的傳感器存在主要缺陷是：受到芯線和屏蔽層間數(shù)值較大且發(fā)生變化的線間電容影響，導(dǎo)致靈敏度低，穩(wěn)定性差，真正待測電容的測量精度不高。所以，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對于氣、液相對介電常數(shù)變化較小，即低相對介電常數(shù)的液化天然氣(約1.62)，甚至液氮(約1.43)、液氧(約1.48)而言，難以滿足測量精度，甚至可靠運(yùn)行的要求。

在CN 202362049 U“液化氣用雙同軸電容傳感器”中，相比CN 2700847 Y中的所述結(jié)構(gòu)，增加了與內(nèi)筒導(dǎo)電連接的最外層筒。這種方式通過電容并聯(lián)的方式增加待測電容，提高信噪比，但其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提高，空間尺寸加大，而且性能改善仍較為有限，僅可用于相對介電常數(shù)不能過于低、線纜長度有限、精度要求一般的場合。

在201510801439.9“空間推進(jìn)中的深冷介質(zhì)液位確定方法”中，采用了具有內(nèi)、中、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的信號連接線，其較高精度的保證依賴于內(nèi)、中、外導(dǎo)體彼此之間的完整包圍性。但從傳感器所處的極低溫環(huán)境引出至檢測電路所處的正常環(huán)境，且貯罐正常運(yùn)行時經(jīng)常處于較高壓力(5MPa以上)，該結(jié)構(gòu)無法保證長期可靠密封，若經(jīng)分離轉(zhuǎn)接等處理，準(zhǔn)確性將明顯降低。

現(xiàn)有技術(shù)不能很好解決以上問題，特別是對于以液氦、液氫為代表的極低相對介電常數(shù)介質(zhì)的液位檢測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種極低相對介電常數(shù)介質(zhì)液位測量實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案：

極低相對介電常數(shù)介質(zhì)液位測量實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：沿徑向由內(nèi)到外，內(nèi)管電極1、外管電極2同軸裝配并保持間隔，1、2構(gòu)成待測電容的兩個極板并經(jīng)同軸電纜3、4送入由驅(qū)動源、變壓器、比較電容和檢測器構(gòu)成的信號變換單元進(jìn)行處理；1與3芯線一端連接，2與4芯線一端連接，3、4的屏蔽層均連接至信號變換單元的信號地；驅(qū)動源的輸出作為變壓器初級繞組輸入；變壓器具有兩個次級繞組輸出并分別連接比較電容一端和3芯線另一端；4芯線 和比較電容的另外兩端連接檢測器輸入。

如權(quán)利要求1所示的驅(qū)動源為幅度固定的高頻正弦交流電壓信號。

如權(quán)利要求1所示的變壓器具有帶中心抽頭的兩個次級繞組，中心抽頭連接信號變換單元的信號地，兩次級繞組輸出電壓大小相等、方向相反。

如權(quán)利要求1所示的比較電容為低溫度系數(shù)電容，起到抵消傳感器初始值、提高靈敏度作用。

如權(quán)利要求1所示的檢測器為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路，待測電容連接反相輸入端，檢測器輸出電壓的大小與待測電容成線性關(guān)系。

本發(fā)明的有益效果是：利用變壓器繞組損耗很小的特性，得到接近于理想的交流電壓信號源，加之反相比例運(yùn)算電路中反相輸入端的虛地狀態(tài)，消除兩條信號連接線上干擾電容對待測電容的影響，并通過次級繞組和比較電容實(shí)現(xiàn)差動方式測量，提高檢測靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：1內(nèi)管電極、2外管電極、3同軸電纜、4同軸電纜、驅(qū)動源、變壓器、比較電容、檢測器。

圖2為信號變換單元組成實(shí)例，其中：Vs激勵源、T變壓器、Cx待測電容、Cs比較電容、R反饋電阻、GND信號地、A放大器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步具體說明：

首先簡要介紹傳感器檢測原理。極低相對介電常數(shù)介質(zhì)液位檢測基于變介電常數(shù)型電容傳感器原理，即根據(jù)待檢測上方為氣相介質(zhì)常數(shù)和液相介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異進(jìn)行檢測。

令金屬外管內(nèi)徑為b，金屬內(nèi)管外徑a，氣態(tài)介質(zhì)的相對介電常數(shù)為k1，液態(tài)介質(zhì)的相對介電常數(shù)為k2，真空介電常數(shù)為k0，金屬內(nèi)、外管有效長度，即最大檢測高度為H。則當(dāng)液位高度為h時，根據(jù)變介電常數(shù)型電容傳感器理論，測得傳感器電容Cm可用下式計算：

真空介電常數(shù)k0已知，對于設(shè)計好的傳感器，a、b、H確定；待測介質(zhì)確定后，k1、k2、等參量也均固定。因此，Cm與液態(tài)介質(zhì)的液位高度h成線性關(guān)系。

顯然，對應(yīng)傳感器液位為零時的初始固定值。在其它參數(shù)確定時，測量靈敏度與k₂-k₁成正比，即正比于氣相、液相的相對介電常數(shù)之差。對于液氦而言，氣、液相對介電常數(shù)差僅為0.05，為純水的0.06％，液化天然氣的8％。

如附圖1所示，極低相對介電常數(shù)介質(zhì)液位測量實(shí)現(xiàn)方法，其中包括：沿徑向由內(nèi)到外，內(nèi)管電極1、外管電極2同軸裝配并保持間隔，1、2構(gòu)成待測電容的兩個極板并經(jīng)同軸電纜3、4送入由驅(qū)動源、變壓器、比較電容和檢測器構(gòu)成的信號變換單元進(jìn)行處理；1與3芯線一端連 接，2與4芯線一端連接，3、4的屏蔽層均連接至信號變換單元的信號地；驅(qū)動源的輸出作為變壓器初級繞組輸入；變壓器具有兩個次級繞組輸出并分別連接比較電容一端和3芯線另一端；4芯線和比較電容的另外兩端連接檢測器輸入。

所述的驅(qū)動源為幅度固定的高頻正弦交流電壓信號。理論上，電容的容抗與電容大小和通過電容的交流信號頻率成反比。較大的容抗更易于檢測。對于極低相對介電常數(shù)的介質(zhì)液位測量，實(shí)際設(shè)計得到的傳感器電容初始值及其變化均很小，通常在數(shù)pF到數(shù)十pF的范圍內(nèi)。因此，需要施加較高的交流頻率。但頻率過高，也會帶來損耗等附加非理想因素，增加檢測難度。較佳地，頻率處于5kHz至100KHz之間。

所述的變壓器具有帶中心抽頭的兩個次級繞組，中心抽頭連接信號變換單元的信號地，兩次級繞組輸出電壓大小相等、方向相反。優(yōu)選地，變壓器初級、次級均設(shè)有屏蔽層，降低有害寄生參數(shù)。

所述的比較電容為低溫度系數(shù)電容，起到抵消傳感器初始值、提高靈敏度作用。優(yōu)選地，比較電容與液位為零時的傳感器初始電容值相同，由1個固定電容和1個可微調(diào)小電容并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)。

檢測器為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路，待測電容連接反相輸入端，檢測器輸出電壓的大小與待測電容成線性關(guān)系。較佳地，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益大于100dB，偏置電壓小于50μA。

利用變壓器繞組損耗很小的特性，得到接近于理想的交流電壓信號源，加之反相比例運(yùn)算電路中反相輸入端的虛地狀態(tài)，消除兩條信號連接線上干擾電容對待測電容的影響，并通過次級繞組和比較電容實(shí)現(xiàn)差動方式測量，提高檢測靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力。

附圖2所示了信號變換單元的組成實(shí)例，其由交流激勵源Vs、變壓器T、比較電容Cs、反饋電阻R、信號地GND、運(yùn)算放大器A組成。

變壓器T的次級繞組連接激勵源Vs，次級繞組中心抽頭端接信號地GND，次級繞組除中心抽頭外的任一端連接內(nèi)管同軸電纜的另外一端、次級繞組的剩余端連接比較電容Cs的一端；比較電容Cs的另外一端和連接外管同軸電纜芯線的另外一端共同連接至運(yùn)算放大器A的反相輸入端；連接內(nèi)、外管同軸電纜的屏蔽層另外一端、放大器A的同相輸入端均與信號地GND連接；反饋電阻兩端分別連接至放大器A的反相輸入端和輸出端；放大器A的輸出端與信號地之間的電壓Vo即為將待測傳感器電容變換得到的信號。

變壓器次級繞組帶中心抽頭，且次級繞組的兩組線圈之間匝數(shù)相同。交流激勵源Vs提供電壓信號，并與變壓器的初級繞組連接。則根據(jù)電磁感應(yīng)原理，次級繞組將得到兩個相對信號地GND大小相等，相位相反的交流電壓信號，幅度與激勵電壓及匝數(shù)比相關(guān)。

由于變壓器繞組線圈的電阻很小，即相當(dāng)于交流電壓信號源內(nèi)阻很小，接近于理想。連接內(nèi)管同軸電纜的芯線與屏蔽層間存在的電容與該信號源并聯(lián)，不會對流經(jīng)傳感器待測電容Cx的電流產(chǎn)生影響。而由上述連接方式及運(yùn)算放大器原理可知，放大器A工作在負(fù)反饋狀態(tài)下，放大器A的反相輸入端與信號地GND間的電壓基本可認(rèn)為零。因此，連接外管同軸電纜的芯線與屏蔽層間雖然存在電容，但由于等電位，故不存在泄漏電流。此時，流經(jīng)待測電容的電流可認(rèn)為全部經(jīng)過反饋電阻R。

因此，設(shè)變壓器初、次匝數(shù)比為N∶1，連接Cx一端的取自變壓器次級同名端，在不考慮比較電容Cs時，放大器A的輸出端與信號地之間的電壓Vo為：

可見，在其它條件不變時，減少匝數(shù)比N和增大反饋電阻R，可以提高輸出檢測靈敏度。但對于液氦等極低相對介電常數(shù)介質(zhì)，液位變化導(dǎo)致電容的變化量較小，即上式中Cs在全量程內(nèi)的變化量較小，制約了最終檢測靈敏度，并且不利于抑制噪聲。

因此，上式為提高測量靈敏度，加入在初始條件下平衡待測電容的參考電容Cs。由于次級繞組得到的是兩個相對信號地GND大小相等，相位相反的交流電壓信號，Cs、Cx的另一端分別匯集于運(yùn)算放大器A的反相輸入端，檢測得到的電壓變?yōu)椋?/p>

當(dāng)Cs與氣相初始條件下，即對應(yīng)液位為0時的Cx大小相等時，注入反相輸入端的電流恰好互相抵消，流經(jīng)反饋電阻R的電流為0，放大器A的輸出端與信號地之間的電壓Vo，即檢測輸出電壓為0。

當(dāng)傳感器極板間的液位逐漸增加時，匯入運(yùn)算放大器反相端的電流開始變大，失去平衡作用，根據(jù)Vo大小的變化即正比于實(shí)際液位高度，即可完成液位檢測。

通過上述實(shí)現(xiàn)方式，消除了線間電容及其變化對測量的影響，顯著提高了檢測靈敏度，增強(qiáng)了抗干擾能力，因此確保了測量精度。

本發(fā)明已在超導(dǎo)科研中液氦(氣、液相對介電常數(shù)差僅約0.05)介質(zhì)液位測量中得以驗(yàn)證，體現(xiàn)了高精度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供的是一種用于極低相對介電常數(shù)的介質(zhì)液位測量實(shí)現(xiàn)方法，其性能改善的實(shí)現(xiàn)具有較為普遍的適用性。對本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，可以做出若干潤飾和改進(jìn)，亦應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。