專利名稱：一種物位傳感器的測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量物位的方法和裝置，特別.適用于測量交通工具的汽油貯藏量和洗衣機(jī)的水位測控。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在機(jī)電配合的物位傳感器測量精度低，機(jī)械故障多，電容液位傳感器的測量精度雖然比機(jī)電配合的物位傳感器的精度高得很多，但常受電介質(zhì)介電常數(shù)的變化影響而有誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述不足，提供一種無機(jī)電配合，不需要浮子，測量精度不受被測物質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率等這類物理性能變化影響的物位傳感器測量方法及其裝置。
本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的同時(shí)采用第一探頭(1)和第二探頭(2)為一組探測物位，每組探頭由電容C、或電感L、或?qū)w(電阻)R的任何一種物質(zhì)組成均可，其探測方法是將第一探頭(1)第二探頭(2)探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相除約去介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率，當(dāng)液體和空氣的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率分別相差不大時(shí)就不能直接相除，就要將其值的公式分別進(jìn)行數(shù)學(xué)恒等變換，變換成一個含和液面高度以及液體介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率這些其值不穩(wěn)定且變化較大的部分，和另一個和空氣的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率這些其值較穩(wěn)定且變化不大的部分，消去后一部分然后再分別相除后，就能約去和液體介電常數(shù)或磁導(dǎo)率或電阻率等這類隨物質(zhì)物理性能變化而變化的外因，這樣就實(shí)現(xiàn)了探測物位和被探測物質(zhì)物理性質(zhì)無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是將兩個電容、或兩個電感、或兩對導(dǎo)體(電阻)組成的雙探頭插入液體中，其值分別為C1＝2兀E1h1/Ln(r2/r1)+2兀E2h2/Ln(r2/r1)、L1＝N2S/(h1/u1+h2/u2)、1/R1＝h1/P1+h2/P2和C2＝2兀E1H1/Ln(r2/r1)+2兀E2H2/Ln(r2/r1)、L2＝N2S/(H1/u1+H2/u2)、1/R2＝H1/P1+H2/P2以上式子中C電容、L電感、R電阻、h1、H1是第一探頭(1)第二探頭(2)分別在空氣中的高度、h2、H2是第一探頭(1)第二探頭(2)分別在液體中高度、N線圈數(shù)、u1空氣磁導(dǎo)率、u2液體磁導(dǎo)率、E1空氣介電常數(shù)、E2液體介電常數(shù)，P1、P2是和電阻率有關(guān)的常數(shù)，r1、r2分別為電容內(nèi)外電極半徑，S電感探頭橫截面。
將上述中的電容探頭、電感探頭、電阻探頭的電容值、電感值、電阻值的式子分別數(shù)學(xué)恒等變換后得C1＝2兀(E2-E1)h2/Ln(r2/r1)+2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)1/L1＝h2(1/u2-1/u1)/N2S+(h1+h2)/N2Su11/R1＝h1/P1+h2/P2C2＝2兀(E2-E1)H2/Ln(r2/r1)+2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)1/L2＝H2(1/u2-1/u1)/N2S+(H1+H2)/N2Su11/R2＝H1/P1+H2/P2分別消去上述式子中的2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1后剩下2兀(E2-E1)h2/Ln(r2/r1)、h2(1/u2-1/u1)/N2S、h2/p2和2兀(E2-E1)H2/Ln(r2/r1)、H2(1/u2-1/u1)/N2S、H2/P2
再將其值分別相除得h2/H2。
如果液體和空氣的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率相差很大，可直接相除，如測水時(shí)的電阻傳感器中由于P1大大于P2，1/R1約等于h2/p2，1/R2約等于H2/P2，因此可直接相除得h2/H2，省略了消去這一步驟。
上述公式及其變換，是以某種形狀的電容、電感、電阻為例進(jìn)行換算的，也可以用其它形狀的電容、電感、電阻，只是公式不同而已，一個熟練的技術(shù)人員完全能夠通過本說明書、權(quán)利要求書，無創(chuàng)造性勞動就能完成。另外也可以將C2始終浸在液體中，使H2值保持不變，使問題簡單化，也可以變換公式得到浸在液體中的面積之比A1/A2，從中得出液位的高度。
這種物位傳感器的測量方法和裝置，不用機(jī)電配合，排除了機(jī)械故障，又不受被測物體的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電阻率等物理性能變化的影響，因此精確度高而且穩(wěn)定。


圖1、一種物位傳感器探頭示意2、物位傳感器測量裝置示意圖之一。
圖3、物位傳感器測量裝置示意圖之二。
圖4、物位傳感器測量裝置示意圖之三。
圖5、運(yùn)行流程圖。
具體實(shí)施例方式1、參見圖1，每組探頭可由電容C、或電感L、或?qū)w(電阻)R組成，每次探測物位時(shí)，要采用第一探頭(1)和第二探頭(2)作為一組同時(shí)進(jìn)行。
2、參見圖2，進(jìn)一步詳細(xì)描述，物位傳感器的測量裝置是將探頭(1)、(2)測到的值輸送給能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的設(shè)備(3)、(4)，該設(shè)備再把轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號傳送給數(shù)字處理器(5)進(jìn)行數(shù)字處理，處理后輸出一信號給應(yīng)用系統(tǒng)(6)。有的信號處理器本身具有內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器，設(shè)備(3)、(4)就可省去。即把兩個電容、或兩個電感、或兩對電阻組成的雙探頭插入液體中，將探測到的數(shù)據(jù)用單片機(jī)、或微電腦、pc機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU、運(yùn)算放大器進(jìn)行處理后相除，消去介電常數(shù)、或磁導(dǎo)率、或電阻率。
3、參見圖3，將探測液體的探頭(1)、(2)和探測空氣的探頭(7)所探測到的信號，通過將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(3)、(4)、(8)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳給單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU(5)進(jìn)行數(shù)字處理后相除，然后傳給顯示器或其它應(yīng)用設(shè)備(6)，為了更精確，這里先用探頭7探測出空氣的E1、u1、p1后再通過單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU算出2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/P1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1后去和測量值相減，減后剩下2兀(E2-E1)h2/Ln(2r/r1)、h2(1/u2-1/u1)/N2S、h2/p2和2兀(E2-E1)H2/Ln(r2/r1)、H2(1/u2-1/u1)/N2S、H2/P2相除，可以提高測量精度。
4、除了用模數(shù)轉(zhuǎn)換器外，所有能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的設(shè)備都可以利用，這方面有關(guān)資料介紹很多，這里不再贅述，這里只介紹本人發(fā)明的一種不用模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，以8051單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)為例，參見圖4，圖中虛線內(nèi)為兩個能將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的多諧振蕩器(9)，探頭(1)、(2)分別是兩個多諧振蕩器中決定振蕩頻率的元件，即決定多諧振蕩信號高低電平的時(shí)間，此電平分別通過單片機(jī)的P3.2、P3.3口決定單片機(jī)(5)定時(shí)器的開或閉，單片機(jī)將定時(shí)器定時(shí)結(jié)果分別減去2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1后相除，除值從P口輸出給其它設(shè)備供其應(yīng)用。
5、再介紹一種直接讀電容、電感值的方法，電子工業(yè)出版社2000年4月出版的俞光昀、王綺紅、吳一鋒編著的“PIC系列單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技術(shù)”一書第152頁介紹了“用PIC單片機(jī)制作電感測量儀”中提供了一種較準(zhǔn)確讀電感值的方法裝置，按照這個原理，只要將其中被測電感換成電容，并稍加改變，也能得到較準(zhǔn)確的讀電容值的方法裝置，書中看起來好象沒有提到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)質(zhì)上它的外部硬件在軟件的配合下，就起到將模擬信號變換成數(shù)字信號的作用，因?yàn)閱纹瑱C(jī)等數(shù)字信號處理器只能對數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算。PIC單片機(jī)再按圖5的運(yùn)行流程圖將所得數(shù)字進(jìn)行處理，分別減去2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1后相除，除值從GP口輸出給其它設(shè)備供其應(yīng)用，就得到了一種物位傳感器的測量方法及其裝置。
完成上述過程是這樣進(jìn)行的見圖5運(yùn)行流程圖，單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU先將被測數(shù)值即探頭1測量值和探頭2測量值分別減去設(shè)定值2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1，和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1然后相除，由于上式的2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1的值受外因變化而變化得很小，可以認(rèn)為是定值，可以事先設(shè)定在單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU中。也可以為了更精確，而將測出空氣的E1、u1、p1再通過單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU算出2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1后去和測量值相減，減后剩下2兀(E2-E1)h2/Ln(2r/r1)、h2(1/u2-1/u1)/N2S、h2/p2和2兀(E2-E1)H2/Ln(r2/r1)、H2(1/u2-1/u1)/N2S、H2/P2相除.
6，除了用單片機(jī)、或微電腦、或PC機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU完成減去2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)、(h1+h2)/N2Su1、h1/p1和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)、(H1+H2)/N2Su1、H1/P1外還可以用串一電容使電容C和電感探頭中的(h1+h2)/N2Su1、(H1+H2)/N2Su1的電感值諧振，達(dá)到消去(h1+h2)/N2Su1和(H1+H2)/N2Su1的目的。
7，也可并一電感L，使L和電容探頭中的2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1))的電容值諧振達(dá)到消去2兀E1(h1+h2)/Ln(r2/r1)和2兀E1(H1+H2)/Ln(r2/r1)的目的。
8，接一負(fù)阻達(dá)到消去h1/p1 H2/P2的目的。
9，用運(yùn)算放大器完成上述相減和相除的過程，這是公知的，可參見何希才、何瑜編著的科學(xué)出版社93年3月出版的“最新集成電路應(yīng)用”一書。
10、當(dāng)液體電阻率很小時(shí)，探頭除了用導(dǎo)體之外，還可用較液體電阻率大得多的電阻組成，此時(shí)液體淹沒處以下的電阻探頭等于被短路，本文上述有關(guān)電阻探頭探測運(yùn)算中減和除的工作過程和所需設(shè)備就可省去，探頭只由一對并排電阻構(gòu)成，電阻值由空氣段探頭長度決定，公式R＝KD，K為探頭電阻率有關(guān)系數(shù)，D為探頭空氣段高度。
以上只是通過一些實(shí)施例解釋本發(fā)明，一個熟練的技術(shù)人員完全能夠在權(quán)利說明書范圍內(nèi)采用各種替換方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn).。
權(quán)利要求
1.一種物位傳感器的測量方法，包括兩個探頭，其特征是探頭是由電容、電感、電阻中的任何一種組成，測量時(shí)將兩個電容或兩個電感或兩對電阻探頭插入被測物體中，將測到的數(shù)值通過有運(yùn)算功能的設(shè)備進(jìn)行處理相除，消去被測物體的介電常數(shù)、或磁導(dǎo)率、或電阻率。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種物位傳感器的測量方法，其特征是用單片機(jī)、或微電腦、或pc機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU、運(yùn)算放大器完成將測到的數(shù)值分別減去2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/Ln(第一探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第一探頭在空氣中的高度h1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1、和2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/Ln(第二探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第二探頭在空氣中的高度H1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1的數(shù)字處理工作后相除。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種物位傳感器的測量方法，其特征是可用串聯(lián)電容或并聯(lián)電感或接負(fù)阻的方法完成對被測數(shù)據(jù)分別減去2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/Ln(第一探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第一探頭在空氣中的高度h1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1、和2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/Ln(第二探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第二探頭在空氣中的高度H1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1的數(shù)字處理工作后相除。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種物位傳感器的測量方法，其特征是電阻可用電阻率很小的導(dǎo)體構(gòu)成。
5.一種物位傳感器測量的裝置，其特征探頭由兩個電容探頭或兩個電感探頭或兩對電阻探頭(1)、(2)組成的，兩個探頭探測到的數(shù)值送給數(shù)字處理器(5)，進(jìn)行數(shù)字處理工作后相除。
6.根據(jù)權(quán)利5所述的一種物位傳感器測量的裝置，其特征是將測到的數(shù)值通過處理即分別減去2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/Ln(第一探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第一探頭在空氣中的高度h1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1、和2兀乘空氣介電常數(shù)E1(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/Ln(第二探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第二探頭在空氣中的高度H1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1后相除的設(shè)備是由單片機(jī)、或微電腦、或pc機(jī)、或其它能有運(yùn)算功能的設(shè)備如ECU、運(yùn)算放大器構(gòu)成的。
7.根據(jù)權(quán)利5所述的一種物位傳感器測量的裝置，其特征是可用串聯(lián)電容或并聯(lián)電感或接負(fù)阻的結(jié)構(gòu)完成對被測數(shù)據(jù)分別減去2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/Ln(第一探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第一探頭在空氣中的高度h1+第一探頭在液體中的高度h2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第一探頭在空氣中的高度h1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1、和2兀乘空氣介電常數(shù)E1乘(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/Ln(第二探頭電容外內(nèi)電極半徑的比r2/r1)、(第二探頭在空氣中的高度H1+第二探頭在液體中的高度H2)/線圈數(shù)N2乘電感探頭的橫截面S乘空氣的磁導(dǎo)率u1、第二探頭在空氣中的高度H1/電阻率有關(guān)常數(shù)P1的數(shù)字處理工作后相除。
8.根據(jù)權(quán)利5所述的一種物位傳感器測量的裝置，其特征是電阻可用電阻率很小的導(dǎo)體構(gòu)成。
9.一種物位傳感器的測量裝置，其特征是探頭可用一對并排電阻構(gòu)成。
全文摘要
一種物位傳感器由兩個探頭(1)、(2)和數(shù)字信號處理器組成的，將兩個探頭探測到的數(shù)值輸送給能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的設(shè)備(3)、(4)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給數(shù)字信號處理器(5)進(jìn)行數(shù)字處理，約去介電常數(shù)或磁導(dǎo)率或電阻率，使測量精度不受被測物體的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率或電阻率等這類物理性能變化的影響，這樣探測精度高，而且不需要浮子，不需要機(jī)電配合，因此結(jié)構(gòu)簡單可靠，適用于測量交通工具的汽油貯藏量和洗衣機(jī)的水位測控。
文檔編號G01F23/22GK1657884SQ20041000577
公開日2005年8月24日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者林金 申請人:林金