本科生课程设计（论文）
电压比较器不需要过于复杂电路，本设计选用比较好的电压比较芯片:LM339,此芯片为四电压比较器集成电路，选用一个部分连接成基本电压比较器，将运放的反相端接参考电压，同相端接传感器输出并经过放大的电压。
2.3 系统整体框图设计
整体框图相当于一个整体设计思想，本系统相对于一个“反馈系统”，从反应釜出到最后去控制反应釜。具体框图如下：
电容式液位传感器 转换电路 控制交流接触器 反应釜 电压放大 控制继电器 电压比较电路
图2.2 系统整体框图
3
本科生课程设计（论文）
第三章 整体硬件电路设计
3.1 反应釜的介绍
反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。如图所示：
图3.1 不锈钢反应釜 图3.2 反应釜
3.2 传感器设计
3.2.1传感器原理
电容式液位传感器是通过电容传感器把液位转换成电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求得液位数值。本系统采用的电容式液位传感器系统，它利用被测液体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压信号,在传送到后面的各个单元电路，最后根据最终信号进行电路控制环节，使反
4
本科生课程设计（论文）
应釜内的液位保持在一定的范围内，到达最终的目的。
3.2.2 传感器的组成
电容传感器对液位测量的原理图如图3.3所示。它主要是由细长的不锈钢管做外电极(半径为R ) 、同轴绝缘导线为内电极(半径为r ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。
图3.3传感器原理图
3.2.3 测量原理
由图3.3 可知,当可测量液位h=0时, 外电极与内电极构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0,根据文献资料得到电容量为:
2??LCo?ln(R)r (1-1)
式中,C0为电容量,单位为F ；ε为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m ；L 为液位最大高度；R为外电极半径；r为内电极半径,单位为m。当可测量液位为h时,内电极与外电极之间存在电容Ch:
5
本科生课程设计（论文）
2?0h2?0L2?(??0)h2??(L?h) （1-2） Ch????ln(R/r)ln(R/r)ln(R/r)ln(R/r)???式中,ε0为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m。因此,当传感器内液位由零增加到h时,其电容的变化量ΔC可由式(1-1)和式(1-2)得
?C?Ch?Co?2?(?0??)hln(R/r) （1-3）
由式可知,参数ε0,ε, R , r都是定值。所以电容的变化量ΔC与液位变化量h呈近似线性关系。因为参数ε0 ,ε,R ,r,L都是定值,由式(1-2)变形可得:Ch= a0 +b0h ( a0和b0为常数) 可见,传感器的电容量值Ch的大小与电容器浸入液体的深度h成线性关系。由此,只要测出电容值便能计算出液位。了解到液位的情况就可以对反应釜进行控制。
3.2.3 直流稳定电路设计
直流稳压电路包括：变压器降压、整流电路、滤波电路、稳压电路。 变压器降压的目的是将比较高的电压通过变压器转变降压到所需要的电压值。变压器内部为电感线圈。
整流电路的目的是将交流分量的电压值变为直流分量，完成这一任务主要依靠二极管的单向导电的特性。
滤波电路在于滤除整流后的电压，将整流后的直流电压的纹波滤除到，是电压值含有很少的干扰电压。通常选用电容滤波电路
稳压电路目的是将电压稳定在一定的数值上，是电压以一定的值输出，降低电压的波动，为电路提供稳定的电压值。
6
本科生课程设计（论文）
D21N3879U1LM7812CTV1220 Vrms 50 Hz 0° T1412D1C10.33μFLINEVREGVOLTAGECOMMONC20.1μFC310μF33N249
图 3.4 稳压电路
3.2.4将电容转化成电信号部分
本系统采用电桥式测量电路来转换。将电容传感器作为其中一个桥臂，其他三个桥臂为固定的电容值，四个桥臂的供电由变压器对12V电压降压取得，具体电路图如下图所示。
12 Vrms 50 Hz 0° V1C1310nFT1C4C2310nFC385pFUo350pF40%Key=A 图3.5运算放大器测量电路原理图
图中，V1是交流电源电压，并经过T1将电压降为传感器电路需要的电压值。C1、C2、C3是固定电容，C4是传感器电容，连接在电桥电路的四个桥臂上，Uo是输出信号电压。根据文氏桥式电路工作原理可知，当两对相对桥臂的电容值乘积相等时，输出值为0，即为电桥平衡条件。
7