摘要：燃油液位計是發動機燃油保障系統的一個重要裝置,它的功能是準確地測量油箱的剩余油量以維持對發動機的自動供油，使發動機能夠正常的運行。本文介紹了電容式液位傳感器的基本原理和電容檢測芯片PSØ21的測量原理，設計了液位計系統的軟硬件，同時傳感器結構的設計考慮到了液位傳感器的邊緣效應，電路大大減弱了寄生電容雜散電容的影響，并實現了溫度補償，提高了測量精度。實驗表明燃油液位計能夠達到100Hz的數據刷新率，測量精度達到0.1升，并能實現可靠告警。

0 、引言：
  燃油液位計是發動機燃油保障系統的一個重要裝置，它的測量結果是工作人員決定發動機工作狀態、工作時限的依據之一。燃油液位計的功能是準確地測量油箱的剩余油量以維持對發動機的自動供油，使發動機能夠正常地運行。變介電常數的電容式傳感器廣泛用于各種燃油或非導電液體的液位測量，它具有溫度穩定性好、測量精度高、動態響應好、結構簡單、工作可靠、動態響應快、使用方便等一系列優點，特別適宜動態、在線測量[1]。

1、液位傳感器原理：
  電容式液位傳感器是利用液位的變化使電容值改變的原理進行測量，如圖 1 為電容式液位傳感器的原理圖。

圖1  變介電常數電容式傳感器
  兩個金屬圓筒分別為電容器的兩個極板，R 為外筒內徑，r 為內筒外徑，燃油介電常數為 ε，空氣介電常數為 ε0，液面高度為 Lx，圓筒高度 L，其電容量計算公式如下 ：

  其中參數 R、r、ε、ε0、L 不變，電容量與液面高度 Lx 變化成正比。采用合適的信號轉換電路即可將剩余油量進行測量。為減弱邊緣效應的影響，傳感器做得較小，R 與 r 的值非常接近[2]。液位傳感器輸出的電容信號很小（10~1000p F 的數量級），又存在傳感器及其連接導線雜散電容和寄生電容的影響[3-4]，電容信號測量電路的設計對于系統的設計非常關鍵。為實現高精度實時測控，擬采用德國 ACAM 公司的通用電容檢測芯片 PSØ21 設計傳感器的信號轉換電路。

２、PS021工作原理：
2.1、主要特性：
  PSØ21 芯片基于時間數字轉換器而產生，這種高新的數字測量原理提供非常高的測量靈活性，具有非常廣的電容測量范圍，從 0f F 到幾百 n F。測量精度可編程，在10Hz 的刷新率和 5p F 的 Csense 情況下，精度***高可達 6a F。它也適用于測量速率高達 50k Hz 的應用，低速測量情況下可實現 10μA 的低供電電流。PSØ21 具有獨立的溫度測量端口，接入溫度敏感電阻可簡單地實現溫度補償[5]。

2.2、測量原理：
  PSØ21 把電容測量轉化為的時間測量，傳感器電容與基準電容的比值等于兩者放電時間的比值。其獨特的算法可以很好地抑制寄生電容對測量結果的影響，其內部集成的溫度補償模塊還能保證很好的穩定性，圖 2 為測量原理圖。

圖2  測量原理圖

  如圖２所示，PSØ21 控制模擬開關 A1、A2 輪流通斷，二者導通時間相等，兩個電容依次輪流在導通時間內充放電。對任意一個電容充放電時，在模擬開關的公共端充電到 Vcap 時施密特觸發器輸出引腳產生一個翻轉信號Start，然后在放電到 Vtrig 時輸出引腳產生一個翻轉信號Stop。Start 和 Stop 之間的時間間隔被 TDC 單元測量，得到各自的放電時間 τ，根據 τ=RC 解算出傳感電容與參考電容的比值 Cref/Csensor。

2.3、數據輸出：
  在一個感應電容變化而與另一個參考電容相比較的情況下，輸出數據的公式為 ：在測量差動電容變化時輸出數據的公式為 ：Csensor 為感應電容，Cref 為參考電容，ΔC 為差動電容變化量，C 為差動電容的初始量，Mult 用于將數據調整到所需要的單位。24 位的數據除以 256 直接以 ppm（百萬分之一）的倍數表示電容變化，數據格式為 16 整數 8 位小數的固定浮點數（故需除以 256）。

3、系統設計：
3.1、硬件設計：
  整個油量測控系統包括液位傳感器、 電源管理、PSØ21、控制模塊 MCU、溫度補償與顯示模塊 LED 等 6部分，圖３為測控系統框圖。

圖３系統原理框圖
  整個電路以 PSØ21 為核心，液位傳感器和參考電容接入模擬開關，經 PSØ21 采樣轉換成 24 位數據傳送至MCU。電源管理模塊采用 LP5996 為 MCU 模塊提供 3.3V 電源、MAX1595 為 PSØ21 提供 5V 電源。MCU 模塊通過SPI 接口對 PSØ21 進行模式配置，并通過 SPI 接口接收PSØ21 轉換電容變化產生的數據，MCU 對數據進行簡單處理，然后輸出到 LED 實時顯示油量剩余。
  發動機的溫度變化范圍比較大，很有必要對電容的測量進行溫度補償，否則測量的精度得不到保證，溫敏電阻的連接如圖２所示，PSØ21 的溫度補償模塊，將測量的溫敏電阻與低溫漂固定電阻的比值 Rtemp/Rref 用于其內部電路的補償計算，可大大降低溫度的影響。

3.2、單片機程序設計：
  單片機采用 TI 公司生產的超低功耗 MSP430FG4618芯片[6]，其控制程序主要是通過 SPI 接口往 PSØ21 發送控制字（其控制字如表１所示），實現工作模式控制和數據接收。

表１  芯片PSØ21的控制字
  PSØ21 的內部具有 16 個寫寄存器，必須嚴格按照圖4 模式配置流程所示編寫 C 或匯編程序，否則無法進行配置，其中的 N ***大值為 16。需要進行如下配置 ：首先配置成單傳感器的補償模式化 ；根據電容變化范圍、參考電容值、放電電阻值設定合適的 Cycle Time 值 ；設定校準的周期數、校準平均因數、溫度測量頻率進行設置 ；設定晶振模式、溫度測量速率[7-8]。

圖４模式配置流程圖
  配置完畢，為實現實時動態顯示、油量剩余告警和自動加油，設計其工作控制流程如圖５所示。

圖５工作控制流程圖

4、標定與測量：
  液位傳感器的電容值與液面高度成正比，而 PSØ21內部也有線性算法。油量從 0 到滿載時 50 升的電容量變化范圍為 100~1200p F，調整 PSØ21 數據輸出公式的乘法因數 Mult 可直接對油量進行標定，直接標定到油量為0~50 升，因此可直接輸出 0~50 升的油量變化 , 測量結果如表 2 所示。

表2  測量結果

5、結論：
  電容信號測量電路所采用的 PSØ21 芯片的內部算法對系統的寄生電容進行了偏移補償，去除了寄生電容的影響，其內部集成的溫度補償模塊簡單地外接溫敏電阻，大大降低了溫度的影響，提高了電容測量精度。滿油量為50 升時，油量測控系統測量的精度可到 0.1 升，數據刷新頻率可達 100Hz，并在剩余油量下降到５升時，及時發出告警。實驗證明該燃油液位計結構簡單、準確可靠、響應快、使用方便，實現了對發動機油量變化的實時測量。