專利名稱：測量液位高度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用容性傳感器電路測量容器內(nèi)填料液位高度的方法。此外，本發(fā)明還涉及一種實(shí)施這種方法的裝置。作為填料可以是液體和其它的可流動(dòng)的物質(zhì)、散狀固體物質(zhì)，例如顆粒，或者也可以是氣體。
我們知道，為了容性測量一容器內(nèi)的液位高度，應(yīng)在這個(gè)容器內(nèi)裝入二塊電容器板，其中間空間部分地充有液體作為界質(zhì)，部分地充有空氣作為電介質(zhì)。因此用這種方式構(gòu)成的電容器的電容量根據(jù)空氣和液體這兩種介質(zhì)的不同的介電常數(shù)由兩個(gè)分電容組成。在這個(gè)電容器的總電容與液體液位之間存在著線性關(guān)系，從而可通過確定兩極板之間的總電容或位移電流求得液位高度。
一種測量液位高度的裝置譬如是歐洲專利EP-A100 564的主題。其缺點(diǎn)是在這種裝置中，測量電容器的極板或管必須浸入液體中，而這在許多情況下是不可能的，或很難辦到的。這方面的一個(gè)例子是蓄電池的電池，為達(dá)到這一目的，必須在蓄電池的電池上開出相應(yīng)的孔。此外，電容器會(huì)被電解液腐蝕，并且通過對蓄電池進(jìn)行充電而受到電干擾。在另一些應(yīng)用情況下，例如在測量汽車或飛機(jī)油箱的燃油液位時(shí)存在以下危險(xiǎn)產(chǎn)生的位移電流會(huì)點(diǎn)著易燃的液體，從而在這種場合不可能采用所介紹的系統(tǒng)。
作為權(quán)利要求1的前序部分的基礎(chǔ)的美國專利US-A 3119 266公開了一種用于測量液位高度的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要求設(shè)一個(gè)由2塊電容器極板，即由容器壁和一個(gè)電極組成的容性傳感器電路。這2塊極板與填料接觸。這2個(gè)元件構(gòu)成了一個(gè)電容器，該電容器的電容的變化與兩極板之間介質(zhì)的變化被測得。因此就這種系統(tǒng)而言，也存在與上述歐洲專利EP-A 100 560同樣的問題和缺點(diǎn)。
在德國專利DE-A 3248449中，介紹了一種測量液位高度的裝置，在這種裝置中，有一個(gè)圓筒形的同軸構(gòu)成的電容器浸入液體中并加以固定，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，當(dāng)填料例如在汽車或飛機(jī)的油箱中處在經(jīng)常變動(dòng)的運(yùn)動(dòng)中時(shí)，這樣一種裝置就不適合用來測定精確的液位高度。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種容性測量一容器內(nèi)液位高度的方法和裝置，而對容器不必作相應(yīng)的適配改造，或不必安裝一個(gè)由2塊板組成的電容器。
根據(jù)本發(fā)明，就所述的方法而言，這個(gè)任務(wù)的方法通過權(quán)利權(quán)要求1的特征部分中的特征被解決。
傳感器由可導(dǎo)電的材料構(gòu)成，例如金屬或聚合物，并可根據(jù)應(yīng)用情況設(shè)計(jì)，例如扁平的或圓形的。
實(shí)施這一方法的合適裝置在權(quán)利要求10和11中有所說明。
當(dāng)傳感器作為有源傳感器應(yīng)用時(shí)，在該傳感器上加上一個(gè)交流電壓，其中，電流強(qiáng)度取決于與傳感器相對的液位高度。該電流強(qiáng)度在經(jīng)過電子處理后可作為液位高度被顯示。
當(dāng)應(yīng)用無源傳感器時(shí)，在填料本身中產(chǎn)生一個(gè)交流電壓，或從外部加入一個(gè)交流電壓，使傳感器產(chǎn)生容性交變電流，后者經(jīng)電子處理后可作為液位高度被顯示。
在這兩種情況下，傳感器的信號通過一條導(dǎo)線或通過無線傳輸給測量裝置。
本發(fā)明所述的方法和裝置與迄今公開的現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)，即2個(gè)電容器構(gòu)件中的一個(gè)由填料本身構(gòu)成，而電容器的另一個(gè)構(gòu)件則是傳感器。所以位移電流只通過容器壁，但不通過填料。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特征還存在以下方案把傳感器如此地接到交流電源上，產(chǎn)生一個(gè)從傳感器出發(fā)的電場，這個(gè)電場根據(jù)容器內(nèi)的液位高度(填料與空氣的高度比)發(fā)生變化和被測定并被顯示。
當(dāng)容器的位置經(jīng)常變動(dòng)時(shí)，例如飛機(jī)的燃油箱，應(yīng)對其液位高度盡可能精確測定，在本發(fā)明的另一實(shí)施形式中，可在容器的不同位置安裝幾個(gè)傳感器，并從各傳感器的信號中形成一個(gè)平均值。這個(gè)平均值可以借助于一個(gè)時(shí)間常數(shù)為幾秒的RC低通濾波器電路被求得。
在本發(fā)明的改進(jìn)方案中，根據(jù)權(quán)利要求17至20規(guī)定，在達(dá)到臨界液位時(shí)把測出的液位高度與用于液位自動(dòng)修正的和/或用于發(fā)生報(bào)警信號的裝置相連接。
下面根據(jù)附圖所示的實(shí)施例說明本發(fā)明。各附圖是

圖1裝有容性傳感器電路的容器的剖面簡2圖1的、本發(fā)明的派生形式的剖面3另一派生形式的剖面4裝有多個(gè)傳感器的容器的俯視簡5應(yīng)用于圖4的低通濾波器電路簡6另一個(gè)應(yīng)用例的剖面7由圖6派生的電路8裝有一個(gè)由傳感器電路控制的自動(dòng)補(bǔ)液裝置的蓄電池簡9圖8的裝置的變通方案圖1以剖面圖示出了一個(gè)用于容納裝填料12的容器10。該容器10例如可以是一個(gè)燃油箱或一個(gè)蓄電池電池。容器10可以為圓筒形或其它的形狀，用蓋板14蓋緊。容器10的壁厚以d表示。
一個(gè)桿或板16，例如蓄電池鉛極板穿過容器10的蓋板14引入容器內(nèi)部，借助它的幫助，可導(dǎo)電的填料12可接地，以提高將在下面介紹的傳感器22的效用。在蓋板14的外側(cè)，板16具有一個(gè)把其固定的頭18。
在容器10的外側(cè)20上，裝有一個(gè)金屬制的傳感器22，它幾乎伸過容器10的整個(gè)高度。傳感器22與導(dǎo)線24連接，后者連接交流電源26。該交流電源在導(dǎo)線24內(nèi)產(chǎn)生頻率為f的交流電。此外，還有一個(gè)測量和/或顯示裝置28，例如一個(gè)電流表接在導(dǎo)線24上。
厚度為d的壁20在傳感器22和液體12之間形成由填料12和傳感器22構(gòu)成的電容器的電介質(zhì)。壁20由不導(dǎo)電的材料，例如塑料或玻璃纖維材料構(gòu)成。
根據(jù)庫侖定律，電容的計(jì)算式為C＝εeεr·A/d，式中A＝電容器的面積(A＝b×h)，其中h＝傳感器22到填料液位的高度b＝傳感器22的寬度(圖中未畫出)。
根據(jù)歐姆定律，I＝U/Xc，其中I＝由測量儀28測出的電流強(qiáng)度U＝交流電源26產(chǎn)生的電壓Xc＝容性電抗(電抗)，式中Xc＝1/ω·C，其中ω＝2πf。
f＝電壓U的頻率。
根據(jù)庫侖和歐姆定律，把上述2個(gè)方程式相聯(lián)系并代入，為測出的電流強(qiáng)度得出計(jì)算式為I＝U/d·ω·εe·εr·b·h其中U/d·ω·εe·εr·b＝k(常數(shù))。
所以該電流強(qiáng)度與高度h之間存在以下線性關(guān)系I＝K×h或h＝I/K。
因此，電流強(qiáng)度I隨容器10內(nèi)填料12的液位高度呈正比變化。所以能夠測出該電流強(qiáng)度并把它作為填料12的液位高度顯示，和/或用作操縱由圖8或圖9示出的液位自動(dòng)修正裝置(補(bǔ)充或排出填料)的信號。
圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)該實(shí)施例，安裝在由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的容器10的外側(cè)上的傳感器22如此地與交流電源26連接，使該傳感器產(chǎn)生一個(gè)電場，其電場線在圖2中有所暗示。這個(gè)電場根據(jù)不接地填料12的性質(zhì)得到放大或縮小，其中，放大或縮小的程度由液位高度決定。這個(gè)電場及其變化可用測量儀28測出并顯示出來，并把它用作液位自動(dòng)修正的觸發(fā)信號。
另一個(gè)派生形式示于圖3，在這個(gè)方案中，傳感器22浸入在填料12中。只要這種填料導(dǎo)電，傳感器22就必須用不導(dǎo)電的外罩34包住，與填料隔開。容器10的壁20可用任何一種導(dǎo)電或不導(dǎo)電的材料構(gòu)成。另外，還能把填料和/或容器10連接地線36。
在圖3所示的派生形式中，交流電源26也在傳感器22上產(chǎn)生一個(gè)隨液位高度變化的電場，并能在測量儀26上被測出或者是被顯示出來。
還有一種方案，不把傳感器22設(shè)置在填料中或設(shè)置在由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的容器壁20上，而把傳感器22裝在外壁20內(nèi)，且在制造容器10時(shí)就把它裝在壁內(nèi)。傳感器22也可以與其絕緣外罩34一起直接安裝在器壁20的內(nèi)側(cè)上。
根據(jù)圖3的配置，當(dāng)填料12和容器壁20不導(dǎo)電時(shí)，當(dāng)然可以省掉傳感器22的外罩34。
圖4是對容器10的俯視圖，在容器壁20的多個(gè)位置上裝有傳感器22。可為每個(gè)傳感器配置一個(gè)測量儀28，或?yàn)楦鱾€(gè)傳感器配置一個(gè)共同的測量儀28，這樣就能在不同位置測出容器10內(nèi)的液位高度。用電子處理方法可從各個(gè)傳感器信號中形成一個(gè)平均值，即使容器內(nèi)的填料12處在運(yùn)動(dòng)中，這個(gè)平均值也以所期望的精度顯示出容器10內(nèi)的液位高度。這樣配置傳感器的一個(gè)典型應(yīng)用場合是飛機(jī)的燃油箱。
為形成平均值，可以采用時(shí)間常數(shù)為幾秒的RC低通濾波器，如圖5示意所示。利用一個(gè)整流器30，傳感器22的交變電流信號作為具有電壓U的直流電被輸送給由電阻R和電容C組成的低通濾波器32，以便在那里作為液位高度顯示時(shí)不合具有超過為數(shù)十分之幾赫茲的f＝1/RC的頻率的交流成分。如果利用合適的電子裝置從經(jīng)過上述方法處理的幾個(gè)傳感器22信號中形成一個(gè)平均值，那么即使容器10處在運(yùn)動(dòng)之中并且其填料也在相應(yīng)晃動(dòng)，仍能精確測量液位高度。
圖6和圖7示意地示出了另一種應(yīng)用方案，在這個(gè)方案中，容性傳感器22作為無源探測器應(yīng)用。這個(gè)傳感器被固定在容器10的不導(dǎo)電的外壁20上，例如蓄電池的外壁上。在電池的電解液中，因進(jìn)行脈沖充電或脈沖放電而使電壓產(chǎn)生變動(dòng)(由電源26的矩形波電壓表示)。這樣在電解液12和傳感器22之間就產(chǎn)生了一個(gè)導(dǎo)致傳感器22的容性電流消耗的電場，該電流消耗的變化取決于電解液12的液位高度。這個(gè)變化在經(jīng)對系統(tǒng)的相應(yīng)校準(zhǔn)后可以以模擬或數(shù)字形式作為電解液的液位高度被顯示。
在對蓄電池進(jìn)行反復(fù)短時(shí)放電時(shí)，由電解液出發(fā)的脈沖和傳感器22的容性電耗隨著電池的充電狀況而減少。經(jīng)過對系統(tǒng)的相應(yīng)校準(zhǔn)后，根據(jù)上述容性電耗的減少可得知蓄電池的當(dāng)前殘余電量，并給出這種顯示。
對一個(gè)不再是新的蓄電池完全充好電后，可借助于上述方法從傳感器22的容性電耗得知蓄電池的實(shí)際尚存在的殘余電容，在與原來的額定容量比較后以這個(gè)額定容量的幾分之一被顯示。這個(gè)顯示表示蓄電池現(xiàn)時(shí)的一般狀況。
圖7示意地示出了圖6方案應(yīng)用在有3個(gè)電池組成的蓄電池上的例子。
把探測器作為無源傳感器應(yīng)用不限于蓄電池?？梢韵胂筮€有許多應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，從外部向填料輸送一個(gè)交流電壓，以便從傳感器的容性電耗中得知填料的液位高度或填料的其它的可變特性。
根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置可在許多領(lǐng)域用于測量液位高度，例如應(yīng)用在生產(chǎn)過程中，在醫(yī)學(xué)上，在這里大致用于監(jiān)視輸液，或諸如此類的用途，應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室或用于監(jiān)督蓄電池。如前面已提到的，可把借助傳感器測出的測量結(jié)果用于控制填料量修正以及在達(dá)到臨界液位高度時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號。
圖8在此意義上示意地示出了一個(gè)其結(jié)構(gòu)為蓄電池外殼并裝有液體12(電解液)的容器10。在容器10的蓋板14內(nèi)設(shè)有一根液體管道38，當(dāng)容器內(nèi)的液位降低到預(yù)先規(guī)定的最低高度h時(shí)，該管道用于把液體(蒸餾水)輸送40進(jìn)容器10。
在液體管道38擴(kuò)大的一段42內(nèi)安裝了一個(gè)閥門44，后者由操縱裝置46控制。在示出的實(shí)施例中，操縱裝置46可采用電磁工作原理，使電信號線48用于控制。
在容器10的外壁20上安裝了一個(gè)容性液位傳感器22。這個(gè)傳感器不斷地測量容器10內(nèi)液體12的液位高度h′，當(dāng)h′低于規(guī)定的最低高度時(shí)，向同樣安裝在容器10之外的電子控制單元50發(fā)出一個(gè)電信號。電源52既用于向控制單元50供電，也向傳感器22供電。
此外，還有一種設(shè)置液位傳感器22的方案，該傳感器根據(jù)液位高度接受光、聲、氣動(dòng)或液壓測試信號，接著這個(gè)信號在控制單元50中被轉(zhuǎn)換為電控制信號，并通過信號線48進(jìn)一步送給操縱裝置46。
當(dāng)傳感器22根據(jù)容器10內(nèi)液體12的液位高度降至最低高度h′以下發(fā)出一個(gè)信號時(shí)，該信號由控制單元50通過信號線48送給電磁操縱裝置46，結(jié)果使閥門44抬高到圖8所示的開口位置，從而使液體通過液體管道38按箭頭所示方向進(jìn)入容器10。一旦重新達(dá)到規(guī)定的液位高度，操縱裝置46就從傳感器22并通過控制單元50收到一個(gè)控制信號，從而使閥門44重新關(guān)閉。
在圖9所示的實(shí)施例中，容器10是廁所的一個(gè)水箱，該水箱內(nèi)裝有作為液體12的水。在容器10的蓋板14上裝有具有電源52的電子控制單元50，該電源通過信號線48與傳感器22連接，在這里傳感器22也固定在容器10的壁20的外側(cè)上。
用于輸送水40的液體管道38通過蓋板14匯入容器10。裝在管道擴(kuò)大段42內(nèi)可垂直移動(dòng)地支承的閥門44用于控制進(jìn)入容器10的進(jìn)水流40，這里閥門44的操縱裝置46也是通過信號線48和電子控制單元50由傳感器22控制。
在容器10的底部58，有另一根具有控制排水流60的閥門44的液體管道38′。這個(gè)閥門44的操縱裝置46通過電信號線48′也與控制單元50連接。
與圖8相似的配置也適用于設(shè)在住宅樓房頂上的儲(chǔ)水箱，這些儲(chǔ)水箱例如在夜間從公共自來水網(wǎng)得到供水。
權(quán)利要求
1.利用容性傳感器電路測量容器(10)內(nèi)填料液位高度的方法，在該電傳感器電路中，傳感器(22)通過導(dǎo)線(24)與一個(gè)具有已知頻率(f)的交流電源(26)連接，在導(dǎo)線(24)中流通的電流由測量儀表(28)測出和/或顯示，其中，測出的電流強(qiáng)度與填料的液位高度成正比，其特征在于，交流電壓加在填料(12)上，或者在這種填料中產(chǎn)生并且測出由唯一的無源傳感器(22)和填料組成的電容器的電容并作為液位高度給予顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，傳感器(22)安裝在容器(10)的壁(20)上，使它能沿所存在容器(10)中所預(yù)期的液位的高度伸展。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，傳感器(22)安裝在由不導(dǎo)電材料制成的壁(20)的外側(cè)上。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，交流電源(26)是靠容器(10)中的填料(12)接地的。
5.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，交流電源(26)是與填料(12)分開地接地的。
6.如上述要求之一所述的方法，其特征在于，傳感器(22)浸入到導(dǎo)電填料(12)中并對它電絕緣。
7.如上述要求之一所述的方法，其特征在于，在容器(10)上或內(nèi)的不同位置上安裝多個(gè)傳感器(22)，其中，由各個(gè)傳感器(22)的電容值中形成一個(gè)平均值并給予顯示。
8.如權(quán)利7所述的方法，其特征在于，借助一個(gè)具有一個(gè)為數(shù)幾秒的時(shí)間常數(shù)的阻容低通濾波器電路(30)求得一個(gè)或多個(gè)傳感器(22)的電流強(qiáng)度。
9.如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，由測量儀(28)測出的值被用作操縱液位自動(dòng)修正裝置的信號。
10.用于用如上述權(quán)利要求之一的方法測量容器(10)內(nèi)填料(12)液位高度的裝置，包括一個(gè)容性傳感器電路，其特征在于，具有一個(gè)唯一的、安裝在容器(10)上或內(nèi)的傳感器(22)電源(26)通過導(dǎo)線(24)連接到該傳感器(22)上，其中，在線路(24)中接入了一個(gè)用于測量電容的測量儀(28)。
11.用于用如上述權(quán)利要求之一的方法測量容器(10)內(nèi)填料(12)的液位高度的裝置，包括一個(gè)容性傳感器電路，其特征在于，具有一個(gè)唯一的、設(shè)在容器(10)上或內(nèi)傳感器(22)和一個(gè)加在填料(12)中的、被填料(12)容性接受的交流電壓(26)，其中，由測量儀(28)求得的電容被測量并作為液位被顯示。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，在把容器(10)作為蓄電池應(yīng)用時(shí)，在作為電介液工作的填料(12)中，通過脈沖充電或脈沖放電而產(chǎn)生交流電壓并且測量儀表(28)測出據(jù)此在傳感器(22)內(nèi)產(chǎn)生的容性電耗并依據(jù)脈沖特性作為電介液液位顯示蓄電池的充電狀態(tài)或一般狀態(tài)。
13.如權(quán)利要求10至12之一所述的裝置，其特征在于，傳感器(22)安裝在由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的容器(10)的外壁(20)上并至少沿所有的在容器(10)內(nèi)所預(yù)期的液位的高度伸展。
14.如權(quán)利要求10至13之一所述的裝置，其特征在于，在采用按權(quán)利要求1所述的有源傳感器(22)時(shí)，填料(12)是接地的。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，有源傳感器(22)的交流電源(26)是靠填料(12)接地的。
16.如權(quán)利要求10至13之一所述的裝置，其特征在于，填料(12)是不接地的。
17.如權(quán)利要求10至16之一所述的裝置，其特征在于，傳感器(22)通過信號線(48)與閥門(44)的操縱裝置(46)連接，該閥門裝在連接在容器(10)上的管道(38)內(nèi)，用于自動(dòng)補(bǔ)充填料。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，傳感器(22)后接一個(gè)電子控制單元(50)。
19.如權(quán)利要求17或18所述的裝置，其特征在于，傳感器(22)根據(jù)液位管道輸出信號，這些信號作為控制信號經(jīng)信號線(48)送給操縱裝置(46)。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，控制單元(50)為操縱裝置(46)產(chǎn)生電控制信號。
21.如上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，閥門(44)設(shè)有一個(gè)電的或電磁的操縱裝置(46)。
全文摘要
用本方法和本裝置能測量并顯示容器內(nèi)填料的液位高度，其中填料可為導(dǎo)電的或非導(dǎo)電的。在容器上安裝一個(gè)傳感器(22)，該傳感器可以安裝在容器壁(20)上或容器壁內(nèi)。為測出液位高度，給傳感器(22)施加交流電壓，其中，電容或產(chǎn)生的電場是液位高度的衡量尺度。
文檔編號G01F23/26GK1503899SQ01822563
公開日2004年6月9日 申請日期2001年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月20日
發(fā)明者M·弗洛林, W·舒密特, M 弗洛林, 芴 申請人:阿伯塔克斯研究及開發(fā)有限公司