專利名稱：一種分段電容式液位傳感器及其液位測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液位傳感器及其液位測量方法，具體的說是涉及一種適合多界面液位測量的分段電容式液位傳感器及其液位測量方法。
背景技術(shù)：
目前，在多界面液位測量中采用的電容式傳感器大多是由兩根金屬圓管構(gòu)成，液體進(jìn)入兩管之間，形成電容電介質(zhì)，這樣當(dāng)其中有兩種不同的液體時(shí)，便看作是兩個(gè)電容器并聯(lián)，由此可測出液位的高度。這種電容式傳感器存在以下缺點(diǎn)(1)測量精度不高，誤差較大這種單段式液位傳感器需要事先知道不同液體的介電常數(shù)，且在測量過程中這兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置成常數(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩個(gè)參數(shù)不是恒定的，因此，測量誤差較大；而且，在多種實(shí)際應(yīng)用中，往往在兩種液體層中間存在著一個(gè)厚薄不一、密度梯度不定的過渡層，成分復(fù)雜，使的界面的測量誤差會(huì)更大。(2)測量電路復(fù)雜、通訊不方便單段式液位傳感器其測量電路大多采用復(fù)雜的模擬技術(shù)，如變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式及脈寬式等，可靠性不高、抗干擾能力弱，智能化程度不高，與主控制器通訊不方便。同時(shí)，單段式液位傳感器往往需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。中國專利ZL00261115. 5和ZL200910031170. 5分別公開了一種多界面液位檢測系
統(tǒng)以及測量液位的非接觸傳感器，采用了分段式電容對(duì)液位進(jìn)行檢測。然而，由于對(duì)液位檢測的精度依賴于對(duì)傳感器各段電容的準(zhǔn)確測量，而現(xiàn)有公開的此類液位傳感器大部分都是采用傳統(tǒng)的直接測量電容方式，測量得到的電容值會(huì)包含造成較大的誤差，進(jìn)而影響由此測得的液位高度的準(zhǔn)確性和可靠性，而現(xiàn)有包括上述兩項(xiàng)專利在內(nèi)的傳感器均未對(duì)這一問題給出較好的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種分段電容式液位傳感器，測量時(shí)具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)多界面液位的準(zhǔn)確測量，并能方便地通訊。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種分段電容式液位傳感器，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發(fā)生電路，與微處理器和正弦波發(fā)生電路相連接的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接的分段式電容，所述分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分別對(duì)應(yīng)連接分段式電容中的各段電容，所述微處理器和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發(fā)生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路和相位差檢測電路。進(jìn)一步，所述正弦波發(fā)生電路包括正弦函數(shù)采樣編碼電路，與正弦函數(shù)采樣編碼電路相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，以及與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相連接的調(diào)理放大電路。所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是采用模擬多路復(fù)用器。另外，本發(fā)明還包括與所述微處理器相連接的串行通訊接口和人機(jī)接口電路。所述串行通訊接口是采用置于微處理器內(nèi)的RS-485總線接口。所述人機(jī)接口電路包括與微處理器相連接的設(shè)定按鍵、狀態(tài)指示燈和數(shù)據(jù)顯示
ο所述分段式電容是采用管柱型分段結(jié)構(gòu)，或者平板型分段結(jié)構(gòu)，或者扣式分段結(jié)構(gòu)。另一方面，本發(fā)明還提供一種上述分段電容式液位傳感器的液位測量方法，通過分別檢測分段式電容中各段電容的漏電阻和其對(duì)輸入波形造成的相位差來計(jì)算出各段電容的電容值，再根據(jù)計(jì)算出的各電容的電容值計(jì)算出液體中各界面的液位高度。作為優(yōu)選，檢測分段式電容中各段電容的漏電阻時(shí)，在各段電容的兩端分別輸入正弦波電壓，并檢測電容兩端的實(shí)際輸出電壓，則該段電容的漏電阻Rx為Rx = TTUxTT R
U i ~U χ式中，Ui為輸入的正弦波電壓，Ux為電容兩端的實(shí)際輸出電壓，R為電容的充電電阻。作為優(yōu)選，計(jì)算出各段電容的電容值后，首先通過比較各段電容的電容值大小及電容值突變位置來確定不同液體以及液體與空氣之間的界面所在的電容段，在所確定的該段電容中，液體界面相對(duì)該段電容底部的高度Lx為
C -CLx=-f—^L
。？lI S2式中，Cx為實(shí)際算得的該段電容的電容值，Ct2為當(dāng)該段電容充滿比重較大液體時(shí)的電容值，Ctl為當(dāng)該段電容充滿空氣或比重較小液體時(shí)的電容值，L為該段電容的總長度；則該界面的液位高度H為H = L0+Lx式中，L0為位于該界面所在電容段以下的所有電容段的總長度。本發(fā)明分段電容式液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下。如上述的結(jié)構(gòu)和方法，本發(fā)明液位傳感器采用了數(shù)字式電容漏電阻及相位差檢測技術(shù)，根據(jù)相位差及電容漏電阻數(shù)值計(jì)算得到各段電容值，根據(jù)各段電容判斷各液位分界面位于哪一段，并終獲得各分界面液位高度。克服傳統(tǒng)模擬檢測電路(如變壓器電橋式、 運(yùn)算放大器式及脈寬式等)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高、抗干擾能力弱、測量精度低的缺
點(diǎn)ο如上述的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明液位傳感器采用分段式電容作為傳感元件，分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，結(jié)合模擬和數(shù)字技術(shù)、采用在線檢測介質(zhì)介電常數(shù)的方法，不僅能對(duì)單一界面和多界面液位進(jìn)行檢測，而且能大大提高測量精度；也大大擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。如上述的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明液位傳感器采用微控制器來控制液位檢測，大大增強(qiáng)了該液位傳感器的功能，與傳統(tǒng)的電容式液位傳感器相比，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)校零、實(shí)時(shí)自診斷、友好的人機(jī)交互及通訊方便等能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。


圖1是本發(fā)明分段電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明液位傳感器中電容漏電阻及相位差檢測的原理圖。圖3是本發(fā)明液位傳感器一實(shí)施例的電原理圖。圖4是本發(fā)明液位傳感器中正弦波發(fā)生電路的電原理圖。圖5是本發(fā)明液位傳感器中管柱型分段結(jié)構(gòu)電容的示意圖。圖6是本發(fā)明液位傳感器中平板型分段結(jié)構(gòu)電容的示意圖。圖7是本發(fā)明液位傳感器中扣式分段結(jié)構(gòu)電容的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征。圖1是本發(fā)明分段電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明分段電容式液位傳感器，包括微處理器1，與微處理器1相連接的正弦波發(fā)生電路2，與微處理器 1和正弦波發(fā)生電路2相連接的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3，與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3相連接的分段式電容4， 所述分段式電容4由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3分別對(duì)應(yīng)連接分段式電容4中的各段電容401，所述微處理器1和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3之間分別連接有漏電阻檢測電路5和相位差檢測電路6 ；所述微處理器1控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3將分段式電容4 中各段電容401的輸入端通過一充電電阻(見圖3中的電阻R)連接到正弦波發(fā)生電路2， 輸出端分別連接到漏電阻檢測電路5和相位差檢測電路6。進(jìn)一步，所述正弦波發(fā)生電路2包括正弦函數(shù)采樣編碼電路201，與正弦函數(shù)采樣編碼電路201相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路202，以及與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路202相連接的調(diào)理放大電路 203。所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)3是采用模擬多路復(fù)用器。另外，本發(fā)明還包括與所述微處理器1相連接的串行通訊接口 7和人機(jī)接口電路 8。所述串行通訊接口 7是采用置于微處理器1內(nèi)的RS-485總線接口。所述人機(jī)接口電路8包括與微處理器1相連接的設(shè)定按鍵、狀態(tài)指示燈和數(shù)據(jù)顯不器。所述分段式電容4是采用管柱型分段結(jié)構(gòu)，或者平板型分段結(jié)構(gòu)，或者扣式分段結(jié)構(gòu)。本發(fā)明液位傳感器中采用了數(shù)字式電容漏電阻及相位差檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電容值的準(zhǔn)確測量，圖2是電容漏電阻及相位差電容檢測方法的原理圖。如圖2中所示，Cx和Rx 為待測電容和電容的漏電阻，電阻R為充電電阻。在輸入端加一個(gè)正弦激勵(lì)電壓Ui,在輸出端得到響應(yīng)電壓Uo，Uo也是一個(gè)正弦波，只是幅值和相位較Ui有所變化，相位式電容檢測法正是通過檢測輸入和輸出兩個(gè)波形的差異來得到待測電容Cx的大小。假設(shè)輸入端的正弦波方程為Ui (t) =Asin(Cot)
6
式中A為正弦波的峰值，ω為正弦波的頻率。那么被測電容兩端的電壓
權(quán)利要求
1.一種分段電容式液位傳感器，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發(fā)生電路， 與微處理器和正弦波發(fā)生電路相連接的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接的分段式電容，所述分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分別對(duì)應(yīng)連接分段式電容中的各段電容，其特征是，所述微處理器和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發(fā)生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路和相位差檢測電路。
2.如權(quán)利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述正弦波發(fā)生電路包括正弦函數(shù)采樣編碼電路，與正弦函數(shù)采樣編碼電路相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，以及與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相連接的調(diào)理放大電路。
3.如權(quán)利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是采用模擬多路復(fù)用器。
4.如權(quán)利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，還包括與所述微處理器相連接的串行通訊接口和人機(jī)接口電路。
5.如權(quán)利要求4所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述串行通訊接口是采用 RS-485總線接口。
6.如權(quán)利要求4所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述人機(jī)接口電路包括與微處理器相連接的設(shè)定按鍵、狀態(tài)指示燈和數(shù)據(jù)顯示器。
7.如權(quán)利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述分段式電容是采用管柱型分段結(jié)構(gòu)，或者平板型分段結(jié)構(gòu)，或者扣式分段結(jié)構(gòu)。
8.—種如權(quán)利要求1所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，分別檢測分段式電容中各段電容的漏電阻和其對(duì)輸入波形造成的相位差來計(jì)算出各段電容的電容值，再根據(jù)計(jì)算出的各電容的電容值計(jì)算出液體中各界面的液位高度。
9.如權(quán)利要求8所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，檢測分段式電容中各段電容的漏電阻時(shí)，在各段電容的兩端分別輸入正弦波電壓，并檢測電容兩端的實(shí)際輸出電壓，則該段電容的漏電阻fcc為
10.如權(quán)利要求8或9所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，計(jì)算出各段電容的電容值后，首先通過比較各段電容的電容值大小及電容值突變位置來確定不同液體以及液體與空氣之間的界面所在的電容段，在所確定的該段電容中，通過在微處理器中設(shè)置以下公式來計(jì)算液體界面相對(duì)該段電容底部的高度Lx
全文摘要
一種分段電容式液位傳感器及其液位測量方法，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發(fā)生電路，與微處理器和正弦波發(fā)生電路相連接的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接的分段式電容，分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分別對(duì)應(yīng)連接分段式電容中的各段電容，所述微處理器和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發(fā)生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路、相位差檢測電路。本發(fā)明采用漏電阻檢測電路和相位差檢測電路來準(zhǔn)確測定分段式電容的各段電容，使液位測量的更加準(zhǔn)確，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01F23/26GK102288259SQ20111012370
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者劉青松, 童佳 申請(qǐng)人:嘉興學(xué)院