摘 要

摘要
液位检测电路的设计，主要思路是首先将液位信号转换成差压信号，此差压信号作为电容式差压变送器的输入信号，经过测量和转换放大部分的作用，输出4～20mA的直流电流，经过一个250欧的精密电阻成为1～5V的直流电压，将它作为输入电路的输入电压，输入电路输出的电压被限幅单元限幅后，最后通过输出电路得到以地为基准的1～5V的直流输出电压。

电容式差压变送器是控制系统中测量差压、液位和流量经常使用的一种变送器，以测压弹性膜片为电容器的可动极板，它与固定极板之间形成一个可变电容。

随被测压力变化，膜片产生位移，使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容量，这就完成了压力与电容量之间的变换。

关键词：液位检测；电容式差压变送器；电流；电压
引言
火电厂中一般要测量锅炉汽包水位，凝汽器水位，除氧器水位和各种水箱水位等，汽包水位的测量对于保证锅炉，汽轮机等主要设备的安全运行非常重要。

汽包水位过高会造成蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，轻则使管道及汽轮机结垢加重，降低效率，重则使机组发生事故。

水位过低会破坏锅炉水循环，使水冷壁局部过热导致爆管。

因此，及时准确地测量汽包水位，并将其控制在规定范围内，对保证火电厂安全和经济运行有重要意义，差压式水位计在火电厂生产过程中应用最为普遍，它是静压测量仪表，在汽包水位，高加水位，除氧器水位中都能用到，如果与电容式差压变送器配合使用，可将水位信号转换成差压信号，远传到控制室进行连续水位指示及记录，可为调节系统提供水位信号。

第一章 液位差压转换单元
在进行液位检测时，首先要将液位信号转化成差压信号，要用到差压式水位计，
它是由平衡容器，压力信号导管及差压计三部分组成。

1.1水位到差压的转换原理
差压式水位计准确测量汽包水位的关键在于水位与差压之间的准确转换，这种
转换是通过平衡容器来实现的。

差压式水位计如图1-1所示。

图1-2所示为一种常
用的双室平衡容器，汽包的汽侧连通管与宽容室（也称正压室）相接。

汽包的水侧
连通管直接与窄容室（也称负压室）相接。

正压头从宽容室中引出，负压头从窄容
室中引出。

宽容室的水位高度为定值，当水位升高时，水经汽侧连通管溢流至汽包，
但水位下降时，由蒸汽冷凝来补充，当宽容室中水的密度一定时，正压头为定 值。

负压头中输出压头的变化代表了水位H 的变化。

图1-1 差压式水位计 图1-2 双室平衡容器
因此，由正负两个导压管得到的差压信号p ∆为
（1-1）
式（1-1）中H ——汽包中的水位高度；
1ρ——正压室中水的密度；
'''ρρ、——汽包压力下饱和水、饱和蒸汽的密度；
L ——汽侧、水侧连通管距离。

由式（1-1）可知，平衡容器结构确定后ρ、L 为己知常数，在汽包压力维持恒
定的条件下，正、负导压管的差压输出与汽包水位呈单值函数关系因此，若接差压
计或差压变送器，就可根据所测出的差压数值知道相应的水位值。

由式（1-1）还可
以看出，水位越高，差压越小，两者之间成反比关系。

1.2平衡容器的改进
g
H g L g H L g H L p p p )()(])(['''''1'''1ρρρρρρρ---=-+-=-=∆-
+
改进后的平衡容器结构如图1-3所示，它可以保证在正常水位时，水位指示基本不随汽包压力变化。

当汽包水位发生变化时，为使正压管中的水位保持恒定，增大了正压容室的截面积，使其直径大于100mm ，同时，在其L 面装有一个凝结水漏盘，使凝结水不断流入正压室，正压室中多余的水不断溢出，通过蒸汽加热的方法使正压室中的水温等于饱和温度。

蒸汽凝结水由泄水管流入下降管，负压管直接从汽包水侧引出。

为确保压力引出管的垂直部分水的密度等于环境温度下水的密度，压力引出管的水平距离必须大于800mm 。

在正常水位时，平衡容器的输出差压为
g H g l g L g H L g H g l g l L p p p )()()(])([])[('''0'1'''''0'0'110ρρρρρρρρρρ-----=-+-+-=-=∆ （1-2）
图1-3 改进后的平衡容器 当水位偏离正常水位H ∆（)0H H H -=∆时，输出差压g H p p )('''0ρρ-∆-∆=∆。

第二章 电容式差压变送器
通过电容式差压变送器可将上述压差信号转化成4～20mA 的直流电流信号。

2.1概述
变送器包括测量部件和转换放大电路两部分，其构成方框如图2-1所示。

输入差压△Pi 作用于测量部件的感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。

此电容变化量由电容－电流转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大得到整机的输出电流0I 。

图2-1 电容式差压变送器构成方框图
变送器的主要性能指标：基本误差有±0.25％，±0.35％和±0.5％三种，负载电阻为0～600欧［在 24V(DC ）供电时］和0～1650欧［在 45V(DC ）供电时］，电源电压为 12～45V （DC ），一般为24V （DC ）。

2.2测量部件
测量部件的作用是把被测差压△pi 转换成电容量的变化。

它由正、负压测量室和差动电容检测元件（膜盒）等部分组成，其结构如图2-2所示。

差动电容检测元件包括中心感压膜片11（即可动电极），正、负压侧弧形电极12、10（即固定电极），电极引线1、2、3，正、负压侧隔离膜片14、8和基座13、9等。

在检测元件的空腔内充有硅油，用以传递压力。

感压膜片和其两边的正、负压侧弧形电极形成电容1i C 和2i C 。

无差压输入时，1i C =2i C 。

其电容量约为150～170pF 。

图2-2 测量部件结构
1,2,3一电极引线；4一差动电容膜合座；5一差动电容膜盒；
6一负压侧导压口；7一硅油；8一负压侧隔离膜片；9一负压室
基座；10一负压侧弧形电极；11一中心感压膜片；12—正压侧
弧形电极；13一正压室基座；14一正压侧隔离膜片；15一正压
侧导压口；16一放气排液螺钉；17—O 型密封环；18一插头
当被侧差压△Pi 通过正、负压侧导压口引入正、负压室，作用于正、负压侧隔离膜片上时，迫使硅油向右移动，将压力传送到中心感压膜片的两侧，使膜片向右产生微小位移△s ，如图2-3所示。

图2-3 差动电容变化示意图
输入差压△Pi 与中心感压膜片位移△S 的关系可表示为
i p K s ∆=∆1
（2-1） 式（2-1）中，1K 为由膜片材料特性和结构变量所确定的系数。

设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为s1和 s2。

当被测差压 △Pi=0时，感压膜片与两边固定电极之间的距离相等。

设其间距为0s ，则 021s s s ==。

当有差压输入，即0≠∆i p 。

如上所述，感压膜片产生位移△s 。

此时有
s s s s s s ∆-=∆+=0201和 （2-2）
若不考虑边缘电场的影响，感压膜片与其两边固定电极构成的电容1i C 和2i C 。

可近似地看成是平板电容器。

其电容量分别为 s s A s A
C i ∆+==011εε （2-3）
和 s s A s A
C i ∆-==022εε （2-4）
式(2-4)中 ε－极板间介质的介电常数；
A －固定极板的面积。

两电容之差为 ⎪⎪⎭
⎫∆+- ⎝⎛∆-=-=∆s s s s A C C C i i 001211ε （2-5） 可见两电容的差值与感压膜片的位移s ∆成非线性关系。

但若取两电容之差与两电容之和的比值，则有
（2-6）
其中 0
21s K = 2.3转换放大电路
转换放大电路的作用是将上述差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号。

此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。

其原理框图如图2-4所示。

该电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分。

它们分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路（负反馈电路）、功放与输出限制电路等组成。

s K s s s s s s A s s s s A C C C C i i i i ∆=∆=⎪⎪⎭⎫∆++ ⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫∆+- ⎝⎛∆-=+-200000
12121111εε
差动电容器1i C 、2i C 由振荡器供电．经解调后，输出两组电流信号：一组为差动信号；另一组为共模信号。

图2-4 转换放大电路原理框图
差动信号随输入差压i p 而变化，此信号与调零及调量程信号（即反馈信号）叠加后送入运算放大器3C I ，再经功放和限流得到4～20mA 的输出电流。

共模信号与基准电压进行比较，其差值经1IC 放大后，作为振荡器的供电，通过负反馈使共模信号保持不变。

2.3.1电容－电流转换电路
电容－电流转换电路的功能是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号。

（1）振荡器振 荡器用来向差动电容21,i i C C 提供高频电流，它由晶体管1VT 、变压器1T 及一些电阻、电容组成。

振荡器电路图2-5所示。

这是一种变压器反馈型振荡电路。

图2-5 振荡器原理图 图2-6 解调和振荡控制电路 振荡器由放大器1IC 的输出电压1o U 供电，从而使1IC 能控制振荡器的输出幅度。

振荡器的三个输出绕组（1-12、2-11、3-10），图中画成一个，其等效电感为L 。

输出绕组的等效负载为电容C ，它的大小取决于变送器的差动电容值。

电感L 和电容C 组成了并联谐振电路，其谐振频率也就是该振荡器的工作频率，其值约为32kHz 。

由于差动电容随输入差压而变，因此该振荡器的率也是可变的。

（2）解调和振荡控制电路 包括解调器和振荡控制放大器。

前者主要由二极管81~VD VD 构成，后者即为集成运算放大器1IC 。

电路原理如图2-6所示。

i R 为并在电容11C 两端的等效电阻。

R U 是运算放大器2IC 的输出电压，此电压是稳定不变的，它作为1IC 输入端的基准电压源。

1IC 的输出电压1o U 作为振荡器的电源电压。

① 解调器 解调器的工作原理可结合图2-6来说明。

绕组2－11输出的高 频电压，经4VD 、8VD 和2VD 、6VD 整流得到直流电流1I 和2I 。

1I 的流经路线为：
()()2,111481171T VD VD C C R T i i →→→→→
2I 的流经路线
()()11,21172621T R C C VD VD T i i →→→→→
绕组 3-10和绕组 1-12输出的高频电压，经3VD 、 7VD 和51,VD VD 整流，同样得到直流电流1I 和2I （电路设计时，分别使流过73,VD VD 和84,VD VD 的电流以及流过
51,VD VD 和62,VD VD 的电流相等）。

此时1I 的流经路线为 ()()10//,3186171731T R R C C VD VD T i →→→→→
2I 的流经路线为
()()1,//12115217971T VD VD C C R R T i →→→→→
从图2-6中可以看出，经84,VD VD 和62,VD VD 整流而流经i R 的两个电流1I 和2I ，方向是相反的，两者之差1I －2I 即为解调器输出的差动电流信号i I 。

i I 在i R 上的压降将送至下一级放大。

经73,VD VD 和51,VD VD 整流而流经86//R R 和97//R R 的两个电流，方向是一致的，两者之和21I I +即为解调器输出的共模电流信号。

()1
2121212i i i i i C C C C I I I I I +-+=-= （2-7） 可见，只要设法使21I I +维持恒定，即可实现差动电容相对变化值与电流信号Ii 的线性关系。

②振荡控制放大器 1IC 的作用就是使流过73,VD VD 和51,VD VD 的电流之和21I I +等于常数。

由图2-6可知，1IC 的输入端接受两个电压信号：一个是基准电压R U 在9R 和8R 上的压降1i U ；另一个是21I I +在86//R R 和97//R R 上的压降2i U 。

这两个电压信号之差送入1IC ，经放大得到01U ，去控制振荡器。

当1IC 为理想运算放大
器时，由1IC 、振荡器及解调器一部分电路所构成的深度负反馈电路，使放大器输入端的两个电压信号近似相等，即
21i i U U = （2-8） 据此可求得21I I +的数值。

从电路分析可知，这两个电压信号的关系式分别为
99
78861R R R U R R R U U R R i +-+= 和 9
7972868612)()(R R R R I R R R R I U i +++= 因6R =9R ，7R =8R ，故上两式可分别简化为
R i U R R R R U 8
6981+-= （2-9） 和 )(2186862I I R R R R U i ++=
（2-10） 再将1i U 和2i U 的值代人式（2-8）可求得
R U R R R R I I 8
69821-=+ （2-11） 式（2-5）中的6R 、8R 、9R 和R U 均恒定不变，故21I I +为一常数。

设 K 3=R U R R R R 8
698-，则可得 1
212312i i i i i C C C C K I I I +-=-= （2-12） （3）线性调整电路 为克服差动电容带来的误差，在电路中设计了线性调整电路。

该电路通过提高振荡器输出电压幅度以增大解调器输出电流的方法，来补偿分布电容所产生的非线性，如图2-7所示，绕组3-10和绕组1-12输出的高频电压经9VD 、10VD 整流，在22R 、1P R 、23R 上形成直流压降3i U 。

因22R =23R ，故当1P R ＝0时，绕组3-10和绕组1-12回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻相等，所以3i U =0，无补偿作用。

当1P R ≠0时，两绕组回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻不相等，所以3i U ≠0。

该调整电压作用于1IC ，使1IC 的输出电位降低，振荡器的供电电压增加，从而
使振荡器的振荡幅度增大，提高了i I ，这样就补偿了分布电容所造成的误差。

补偿电压大小取决于的1P R 阻值，1P R 大，则补偿作用强。

图2-7 线性调整电路
2.3.2放大及输出限制电路
这部分电路的功能是将电流信号i I 放大，并输出4～20mA 的直流电流。

其电路原理如图2-8所示。

图2-8 放大及输出限幅电路原理图
（l ）放大电路 放大电路主要由集成运算放大器3IC 和晶体管3VT 、4VT 等组成。

3IC 起前置放大作用，3VT 和4VT 组成复合管，将3IC 的输出电压转换为变送器的输出电流。

电阻31R 、33R 、34R 和电位器3p R 组成反馈电阻网络，输出电流o I 经这一网
络分流，得到反馈电流f I ，它送至放大器的输入端，构成深度负反馈，从而保证了
o I 与i I 之间的线性关系。

电路2p R 为调零电位器，用以调整输出零位。

S 为正、负迁移调整开关，开关拨至相应位置，可实现变送器的正向或负向迁移。

3p R 为调量程电位器，用以调整变送器的量程。

3IC 反相输入端的电压F U (即A 点的电压A U )，
是由1VZ 的稳定电压通过10R 和13R 、14R 分压所得。

该电压使3IC 输入端的电位在共模输入电压范围内，以保证运算放大器能正常工作。

3IC 同相输人端的电压T U （即 B 点的电压B U ）是由三个电压信号叠加而成的。

一个是解调器的输出电流i I 在B 点产生的电压i U ；第二个是调零电路在B 点产
生的调零电压'
0U ；第三个是调量程电路（即负反馈电路）的反愤电流f I 在B 点产生
的电压f U 。

设i R 为并在电容11C 两端的等效电阻（参见图2-6），则i i i I R U -=。

i U 为负值，是由于11C 上的压降为上正下负（见参图2-8），即B 点的电位随i I 的增加而降低。

调零电路如图2-9所示。

设'0R 为计算'
0U 时在B 点处的等效电阻。

求得调零电压'
0U 为
1'
03622'
22'03622211'0
)(VZ P P P P VZ aU R R R R R R R R R U U =++⨯++= 其中 )
)]((['0
3622'0
362221'
220R R R R R R R R R a P P P P ++++=
调量程电路如图2-10所示。

设f R 为计算f U 时f I 流经B 点处的等效负载电阻，
cd R 为电位器滑触点c 和d 之间的等效电阻，按△－Y 变换方法可得
31
331
31R R R R R P P cd +=
由于3334R R R R cd f +>>+，故可近似地求得反馈电流f I 为
β
003433I
I R R R R I f cd f =++=
所以
β
f
f I U R 0=
其中 33
34R R R R cd f ++=β
图2-9 调零电路 图2-10 调量程电路 当3IC 为理想运算放大器时，F T U U =（即B A U U =），则有
f i A U U U U ++='0 （2-13） 将i U 、'0U 和f U 的关系式代人式（2-13），得
)(10VZ A f
i f
i
aU U R I R R I -+
=
β
β (2-14)
设K 4=
f
i
R R β，i
R K 1
5=
，并将式（2-12）代入式（2-14），则有 )(1541
21
24
30VZ A i i i i aU U K K C C C C K K I -++-= (2-15)
最终可得下式
)(15443210VZ A i aU U K K p K K K K I -+∆= (2-16)
（2）输出限制电路 该电路由晶体管2VT 、电阻18R 等组成，如图2-8所示。

其作用是防止输出电流过大，损坏器件。

当输出电流超过允许值时，18R 上压降变大，使2VT 的集电极位降低，从而使该管处于饱和状态，因此流过2VT ，也即流过4VT 的电流受到限制。

输出限制电路可保证在变送器过载时。

输出限制电路可以使输出电流o I 不大于30mA 。

总结上述各单元电路及各自的功能，可以得到电容式差压变送器整体电路图如图2-10所示。

图2-10 电容式差压变送器电路图
第三章 输出部分设计
将电容式差压变送器输出的4～20mA 直流电流通过一个250欧的精密电阻转换成以地为基准的1～5V 直流电压信号，作为输出单元的输入信号，再经过输出限幅单元限幅，就可得到在规定范围内的输出电压。

3.1输入电路
输入电路的作用是将以地为基准的1～5V 电压转换成以B U 为基准的输出电压，电路如图3-1所示。

在本输入电路的设计中，为了使输入电路的输出电压经过限幅电路限幅后，能够与输出电路的电压相匹配，必须使电路中的电阻值设置为R 1=R 4，
R 2=R 3，并且令E=1V 。

图3-1 输入电路
在输入电路中，当1IC 为理想运算放大器时，则有F T U U =
()41111R R U U R U B F ++=
，()3
2213R R E U R U R U B i T +-+=
其中
4321R R R R ==
E=1V
令F T U U =，E U U B B -='
，41R R =，32R R =得
1111-=i U U （3-1） 其中1i U =1V ～5V ，按照以上设置进行计算可以得到11U 的范围为：
1111-=i U U =0V ～4V
3.2输出限幅单元
输出限幅单元的作用是将控制器的输出限制在一定范围之内，从而保证控制阀不处于危险开度，其原理如图3-2所示。

图中虚线以下部分为输出限幅单元，它实
际上是限制3IC 的输出电压'
3o U 不超过上限值H U 和不低于下限值L U ；
从而限制了控制器的输出电流。

上述输入电路的输出电压是这里的电压'3o U ，也即03U ，在下述输
出电路部分它将作为输入电压。

H U =4V ，L U =0V 。

图3-2 输出限幅单元原理图
电路工作原理简述如下：
当'
3o U 稍大于上限值H U =4V 时，2VT 的发射结处于正偏而导通，1VT 的发射结处于反偏而截止，这样'
3o U 就被限制在H U =4V 上。

当'3o U 稍小于下限值L U =0V 时，1VT 导通，2VT 截止，'
3o U 就被限制在L U =0V 上。

即'3o U 被限制在0～4V 范围之内，即控制器的输出也被限制在相应的范围内。

3.3 输出电路
上述输入电路的输出电压11U 即为输出限幅单元中的电压03U ，此电压即为输出
电路的输入电压，输出电路将以B U 为基准的０V ～４Ｖ电压11U 转换为以地为基准的1Ｖ～５Ｖ直流电压输出。

输出电路如图3-3所示。

图3-3 输出电路
在输出电路中，当4IC 为理想运算放大器时，则有F T U U =
++=
P F U R R R U 161516 016
1515U R R R + ，)(23141314
B T U U R R R U ++=
为了使输出电压在1～5V 之间，应使电阻值设置为1413R R =＝1615R R = 从而得到输出电压为：
1U 9U 23B 230+=+=－U U =1V ～5V
其中，18R =250欧，所以输出电流为：
18
0U I R =
=4～20mA 3.4 输出部分电路总体设计
输出部分总体电路的总体设计，是将输入电路，输出限幅单元和输出电路整合成一个整体，实现以地为基准的1～5V 直流电压或4～20mA 的直流电流输出，如图3-4所示。

图3-4 输出电路总体设计图
总结
通过本次液位检测电路的设计，完成了液位信号输入到1～5V直流电压或4～20mA的直流电流输出的过程。

基本熟悉了差压式水位计的结构和工作原理，电容式差压变送器的各部分电路的组成和功能，以及将输入电路，限幅电路和输出电路组合成整体输出电路的方法。

明确了炉汽包水位，凝汽器水位，除氧器水位和各种水箱水位的测量对电厂中锅炉和机组正常运行的重要性。

在本设计中最主要的单元是电容式差压变送器，它结构简单，灵敏性好，性能稳定，可靠性高，且具有较高的精度，目前大多采用全封闭焊接的固体化设计，受外界干扰信号影响小，从而提高了整个液位检测系统的精度。

参考文献
[1] 吴永生.方可人.热工测量及仪表.北京：中国电力出版社.1995
[2] 吴勤勤.控制仪表及装置.第三版.北京：化学工业出版社.2007
[3] 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社
内蒙古工业大学课程设计说明书
目录
引言 (1)
第一章液位差压转换单元 (2)
1.1水位到差压的转换原理 (2)
1.2平衡容器的改进 (2)
第二章电容式差压变送器 (4)
2.1概述 (4)
2.2测量部件 (4)
2.3转换放大电路 (6)
2.3.1电容－电流转换电路 (7)
2.3.2放大及输出限制电路 (10)
第三章输出部分设计 (14)
3.1输入电路 (14)
3.2输出限幅单元 (15)
3.3输出电路 (15)
总结 (18)
参考文献 .............................................. 错误！未定义书签。