低溫介質下電容液位測量系統的研究

劉岳鵬,蔡 睿,敖春芳

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

隨著航天技術的發展和人類對宇宙的探索不斷深入，確保航天器能夠長期在軌運行顯得至關重要。尤其是在我國未來規劃中的載人登月、空間站建設、深空探索、天基補給站等長周期任務，對推進劑和燃料的高效利用提出了較高的要求。目前，火箭和航天器所使用的低溫推進劑(如液氫、液氧、液態甲烷等)在貯存、運輸和使用過程中，會受其自身物理特性[1-2](如沸點低、易汽化)和絕熱條件等因素影響，且貯箱又會頻繁進行增壓、泄壓等操作，這使得實時準確了解貯箱內推進劑余量十分困難。因此，實現對低溫介質的高精度液位測量，是對低溫推進劑進行管控，以及確保后續型號在軌應用任務順利進行的基礎條件[3-4]。

在液位測量領域，國內外最常用的技術有電容法、差壓法、浮子法、超聲波法、光纖法、雷達法、射頻導納法、熱式測量法等[5-8]。經過對相關文獻調研，每種方法都因各自的優劣勢在不同領域中有較廣泛的應用。但對于航天試驗領域的低溫介質液位測量，又都相對存在一定的問題。例如，壓差法在存在溫度分層情況時，測量誤差較大，需要其他數據進行補償和修正；浮子法適用于靜態測量，在需要加注、泄出等過程時精度較差；電阻熱式測量僅適用于關鍵點位測量，不能實現連續液位監測；超聲波測量技術受低溫推進劑的溫度、密度等因素影響，測量精度不高，對溫度的響應較差[5]。

本文針對低溫介質的液位測量問題，提出一種新型結構的電容液位傳感器，彌補連續式和分節式液位計的不足；并研制數字化的電容測量硬件，通過以太網實現數據傳輸，最終實現建立一套具有精度高、數字傳輸和遠程可控等特點的電容液位測量系統樣機的目的。

1 電容液位計

根據電容器的特性，電容傳感器的測量原理包括變間距、變面積和變介電常數3種方式，根據應用場景的差異，可以設計為各種不同結構類型。在航天領域中對低溫介質的液位測量領域，電容式液位計一般采用雙層圓筒式結構，由內管和外管作為電容的兩個電極，利用介質在氣相和液相下介電常數不同的原理進行測量。液位計的總長度為L，當傳感器沒有進入液體中時，傳感器的初始電容為C0，當傳感器浸入液體中的高度為h時，液位計的電容為C，電容的變化量為ΔC，它們之間的關系如(1)式所示，電容的變化量ΔC與液位高度h成正比[10]。

(1)

式中，εl為介質在液相時的介電常數，εg為介質在氣相時的介電常數，D為電容傳感器的外管直徑，d為電容傳感器的內管直徑。

但在實際應用中，低溫介質的液位測量會受到溫度、壓力等環境因素影響，電容值會產生一定的漂移，導致測量結果的精度不高，這也是連續式電容液位計在應用中存在的主要問題。而分節式電容液位計可以通過奇數節和偶數節的差值較好地測量出動態的液位變化，但靜態測量過程存在無法準確確定當前液位處于哪一個小節的問題，因此，無法獲得靜態液位的精準測量值。

本文研制的電容液位計的結構結合了連續式和分節式電容液位計的特點，它在上、中、下位置設置了3個報警限位，各由兩個小節組成；并在中間設置兩個連續的大節，一共八個分節。在以往的分節式電容液位計上，所有奇數節并聯在一起，僅引出一組測量線，偶數節同理。而本文的研究中，每個分節的電容都單獨測量，并在后端的測控軟件中對八個電容值進行融合與分析，這樣我們既可以分別取得上、中、下位置對應的差分信號，同時又可以通過各分節電容的相互補償得到測量段的連續信號，為我們實現液位的準確測量提供依據。電容液位計的尺寸如下：內管直徑d和外管直徑D分別為32 mm和36 mm，每個小分節電容對應液位變化為25 mm，連續節分別為299 mm和251 mm。電容液位傳感器的實物圖與結構示意圖如圖1所示。

圖1 電容液位傳感器結構

2 液位測量系統硬件設計

本文設計的高精度電容測量系統的硬件包括模擬電路和數字電路兩部分，其中，模擬電路主要是將電容變化轉變為電壓變化的C/V(Capacitance to Voltage)變換電路，數字電路部分以嵌入式微控制器為核心，控制DDS(Direct Digital Synthesis直接數字合成)激勵模塊、高速A/D(Analog-Digital)轉換模塊和以太網通訊模塊3個部分，實現集電容測量、處理和傳輸于一體的功能。硬件部分的結構框圖如圖2所示。

圖2 電容測量硬件結構框圖

2.1 C/V變換電路

由于電容傳感器在低溫介質的液位測量過程中的變化量很小，只有幾pF到幾十pF，遠遠小于傳輸線纜的分布電容，為避免線纜分布電容對被測電容值的影響，本文采用C/V變換電路將液位計電容值的變化轉變為電壓的變化，如圖3所示為電容變換電路，其能夠有效地抑制線纜分布電容的影響[11]。圖3中，被測電容Cx的兩個電極分別接激勵源Vs和運算放大器的反相輸入端，Cn1和Cn2為傳感器線纜的分布電容，Cs為大小固定的參考電容。當激勵的正弦信號源的內阻與Cn1的容抗相比足夠小時，Cn1的影響可忽略不計，而運算放大器的反響輸入端處于“虛地”狀態時，Cn2兩端電位相等，也可忽略，從而消除了線纜分布電容的影響。

圖3 C/V變換電路

2.2 數字電路模塊

采用模擬電路進行電容測量時，需要通過信號放大、整流、濾波和AD轉換等過程，將激勵的正弦信號變成直流信號接入采集設備，這就存在某些器件自身的漂移造成最終結果的誤差。因此，本文的電容液位測量電路采用數字化的設計方案，以穩定性和可靠性較高的數字芯片實現各種功能。同時降低模擬信號在電纜中的傳輸距離，避免電氣和振動噪聲等環境因素產生的干擾。電路的工作過程是由微控制器控制DDS模塊產生激勵信號，并加載到電容液位計的一個極板，傳感器的另一極板經C/V變換電路后接入高精度A/D轉換模塊，微控制器讀取A/D轉換結果后，再通過以太網傳輸模塊以數字信號的方式實現與上位機的通信。

在綠色大豆中后期田間管理過程中，必須合理栽培大豆植株，保證大豆植株的生長，防止綠色食品大豆植株倒伏，從而提高大豆植株的整體生長效果。后期田間管理應處理雜草，以確保大豆在生產過程中獲得足夠的肥料和養分。

微控制器采用意法半導體的單片機，型號選擇STM32F407VGT6，其采用ARM CortexTM-M4架構，具有DSP指令與浮點運算能力，80個可復用的GPIO管腳和1 024 kB的ROM空間，可滿足大部分控制與信號處理等方面的市場需求[12-13]。在本文電路設計中，通過STM32F407VGT6單片機的FSMC、中斷、定時器和通用IO等外設功能，實現對其他數字芯片模塊的控制和電容測量。

DDS信號激勵模塊選用ADI公司的AD9850芯片[14]，其采用先進的CMOS技術，內部通過可編程DDS系統、高性能DAC和高速比較器，實現全數字編程控制的頻率合成。為節約單片機的硬件資源，本文采用AD9850芯片的串行數據傳輸模式[15]，與單片機之間僅需4個IO口進行連接，可降低布線密度，便于電路性能優化。同時，作為被測電容的激勵源，單片機通過發送指令控制AD9850按要求輸出頻率為1 kHz的正弦信號。

本文選用的A/D轉換模塊采用ADI公司的8通道16位數字芯片AD7606，其通過單電源5 V供電，即可實現±10 V和±5 V兩種范圍的雙極性輸入，所有通道可實現最高200 kSPS的同步采集[16]。STM32F407VGT6單片機與AD7606芯片通過16位并口進行連接，程序運行時，單片機可以將AD7606看作一個外部存儲器，通過FSMC(靈活的靜態存儲控制器)讀取數據。同時，為保證程序能夠按照既定的頻率進行數據采集，利用單片機的定時器功能產生頻率為100 kHz的PWM脈沖信號，連接到AD7606的CONVST引腳，用于控制啟動A/D轉換；單片機根據轉換結束時產生的中斷信號，判斷轉換是否完成，再經FSMC功能將轉換結果讀取到程序的內存中。

以太網接口模塊采用DP83848芯片[17]和S16116G芯片，其中，DP83848支持100BASE-TX的以太網格式，兼容IEEE802.3標準，可為嵌入式應用提供高效、低引腳數、低成本和低功耗的以太網解決方案；S16116G芯片是以太網濾波器，通過電平耦合，達到信號增強、電壓隔離和阻抗匹配等作用。在電路設計時，STM32F407VG單片機與DP83848芯片之間通過RMII接口規范進行連接[18]，再經以太網濾波器S16116G和RJ45網線接口實現與上位機的通信。由于常規網線一般最長只能滿足70～80米的傳輸需求，而在航天測控領域中，測控間與試驗前端之間距離通常會超過100米，無法保證數據穩定可靠地傳輸，因此，需要在中間加設光纖收發器，確保信號通信不受影響。本文通過以太網光纖替代了傳統的同軸電纜傳輸方式，避免了大量鋪設電纜帶來的人力和經濟成本，同時以數字信號傳輸數據，也提高了系統的抗干擾能力和可擴展性。

圖4所示為電容測量系統的數字電路部分結構圖，其中，2個8引腳的插座對應液位計的8個分節電容的測量結果，與圖3所示的C/V變換電路進行連接，RJ45網線接口負責與上位機的通信。另外，電路中還預留了便于調試和程序優化管理的SWD接口和UART接口，電路各元件的布局按功能劃分區域，既保證布線便捷簡短，又可避免各功能模塊之間的相互干擾。

圖4 電容測量系統的數字電路結構圖

3 電容測量系統軟件設計

本文研究的電容測量系統軟件包括嵌入式程序和上位機檢測程序，前者負責電容值的采集和處理，并通過網口實時發送到上位機；后者實現對數據的分析和計算，將電容值轉換為液位信息，同時實現對數據的顯示和存儲，便于操作人員對測量結果進行監測。

3.1 嵌入式軟件程序設計

作為嵌入式系統核心的STM32F407VG芯片需要控制和管理AD9850、AD7606、DP83848各部分模塊的功能，程序的代碼在Keil MDK5開發環境下，通過C語言進行編寫，實現DDS激勵信號的輸出控制、高精度和高速A/D轉換控制、以太網輸入輸出控制等功能。嵌入式軟件的工作流程如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件流程圖

嵌入式系統上電復位后，程序首先進行設備初始化，包括STM32芯片的時鐘設置、UART配置、GPIO接口配置、定時器的PWM配置、FSMC外設配置等；待單片機的初始化完成后，程序調用AD9850、AD7606和DP83848芯片的驅動函數，初始化這3個芯片，并配置以太網的IP地址和端口號、并以UDP協議實現硬件與上位機之間的通信，之后系統就進入循環等待階段。在循環過程中，首先等待上位機通過以太網發送來的控制命令，然后對接收到的指令進行識別并執行相應程序：如果接收到的指令為DDS控制指令，程序則調用AD9850驅動函數，向其寫入相應頻率相位控制字，并啟動正弦波形輸出；如果指令為采集頻率控制指令，則配置STM32定時器參數，控制PWM輸出信號的頻率；如果指令為數據采集指令，則須判斷該指令為開啟還是中止，然后相應地控制定時器PWM波形產生與中止、中斷的使能與禁止。在電容數據的采集過程中，當單片機的PWM上升沿到達AD7606的兩個CONVST引腳時，啟動一次AD轉換，當轉換完成時，AD7606會在BUSY端口產生一個下降沿，觸發單片機的外部中斷，在中斷程序中，將數據通過FSMC功能經并行接口讀取到STM32單片機的數據緩存區中[19]，同時，調用以太網發送函數，將8個通道的數據封裝后依次發送至上位機。其中，設置單片機的定時器周期為10 μs，則可產生頻率為100 kHz的PWM方波信號，即能夠滿足各通道100 kHz的同步采樣需求。

3.2 上位機液位測量軟件設計

電容液位測量的上位機測量軟件采用NI公司的LabVIEW軟件進行開發，其源程序采用框圖和數據流結合的形式替代了傳統的文本編程方式，通過調用適當的控件和函數，可方便快捷地設計出美觀規范的監控軟件界面，能有效提高系統開發和維護的效率[20]。本文的電容液位測量軟件在設計時涵蓋了與嵌入式系統的通信功能、電容液位數據的采集和處理功能，液位測量軟件的流程如圖6所示。

圖6 上位機測量軟件流程圖

上位機軟件啟動后，先對UDP通信協議的端口等信息進行配置，并等待操作人員的控制指令。若操作人員給出的指令為參數配置，即是對DDS激勵信號或A/D轉換速率進行設置，上位機軟件則會通過以太網端口將控制信息發送給嵌入式系統硬件，待下位機設置完畢后，上位機會接收到反饋消息，并再次進入等待操作指令的環節。若指令為啟動液位測量，則先向下位機發送指令，并通過網口將電容數據不斷采集到軟件中，根據數據包的封裝格式拆分成8個通道的電容測量信號，各通道的數據都是與DDS激勵信號頻率(1 kHz)相同而幅值不同的正弦信號。對液位計每個分節的電容測量數據，以電壓的峰-峰值作為衡量電容值大小的指標，且每次取100組峰-峰值數據計算電壓的平均值，再根據設備在標準電容下測得的校準系數，換算出電容值；最后，再把8個分節電容的數據進行融合計算，主要思路是通過上、中、下三組分節電容各自的差值判斷液位所處的測量區間，并將連續段的電容測量值與校準的初始電容值進行對比，從而得到此時對應的具體液位信息。同時，試驗過程的數據也通過軟件進行實時的顯示和存儲。按這種方式進行數據計算時，系統對液位的變化的響應時間約為0.1 s。

4 系統測試

本文通過對電容液位計和測量系統的設計，研制了用于低溫介質液位測量系統的樣機，并進行相關性能測試和試驗驗證工作。液位測量系統的性能標定采用的儀器是AH2500A型電容電橋，該儀器具有極高精度，可作為其他電容標定的基準。

首先采用AH2500A型電容電橋對樣機的測量狀態進行標定，由于圖3所示的電容傳感器結構共可分成2個連續節和6個小節，從上到下分別稱為上1、上2、連續1、中1、中2、連續2、下1和下2小節，測量出各分節電容在氣態和液氫介質下的實際電容值，以及對應的液位值；然后再通過系統樣機測量得到各分節電容對應的8個通道的電壓值；最終計算出電容值、液位值和電壓值三者之間的比例關系，具體的測試結果見表1。

表1 傳感器的在液氫中的測量結果

從表1中的數據可以看出，兩個連續節的液位尺寸設計非完全一致，在液氫和氣態條件下的電容值的變化量分別為29.285 pF和25.347 pF，另外6個小節的液位尺寸均為25 mm，電容的變化量為3～4 pF之間。通過研制的液位采集系統對每個分節的電壓值進行測量，并通過軟件算法提取每個通道信號的電壓值，計算出每1 mm液位對應的電壓值最小為9.2 mV，遠遠大于AD7606芯片的分辨率0.305 mV，因此，本文研制的系統完全可以滿足液位1 mm的測量精度。同時，系統測量的每pF電容對應的電壓值最小為94 mV，據此分析，系統能滿足至少0.1 pF的電容測量精度。

在本文所研制的液位測量系統對某工況下的液氫儲箱蒸發試驗的應用中，截取其中某段時間的測試結果進行分析，如圖7所示，經上位機軟件計算出該區域的液位變化是從344.02 mm到319.33 mm，結合表1看出，該階段包含在下1小節內。圖7中顯示的是儲箱蒸發試驗過程中18個完整“憋壓-排放”周期的數據，觀察到液位的變化具有明顯的規律性，計算出平均每個周期的液位變化為1.37 mm。從圖7的結果可以分析出，本文研制的電容液位測量系統能夠滿足在液氫儲箱蒸發試驗過程中至少1.37 mm的液位測量需求。

圖7 液氫蒸發試驗中液位和箱壓的變化規律

5 結束語

本文針對航天領域的低溫介質下的液位測量問題，研制了高精度的電容液位測量系統樣機。液位傳感器采用圓筒型的電容結構，并結合了連續式和分節式電容液位計的優點，通過數字化的嵌入式測量設備研制和監測軟件設計，實現以太網方式的數據傳輸和高精度的液位測量。經標準電容標定儀對系統進行性能測試，驗證了電容測量精度優于0.1 pF。在液氫蒸發試驗中，通過對各分節電容數據的融合分析和補償算法，提高了液位測量的準確性，通過對細節的分析，實現了對液氫儲箱蒸發試驗中對每個“憋壓-排放”周期中液位1.37 mm的分辨能力，滿足試驗過程對液位的測量需求。綜上所述，本文的研究為低溫介質的液位測量提供了一種有效的解決方案。