本發(fā)明屬于液體高度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種貼片式電容液位計(jì)及液位測量方法。

背景技術(shù)：

電容液位計(jì)是利用電容量的變化來測量容器內(nèi)介質(zhì)物位的測量儀表?，F(xiàn)有的電容式液位測量設(shè)備分為兩類：一類是電容式液位開關(guān)，一類是電容式液位計(jì)。

電容式液位開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)接觸測量與非接觸測量，當(dāng)液位靠近電容電極時(shí)，電容式液位開關(guān)輸出開關(guān)量，指示液位到了指定位置。然而，電容式液位開關(guān)只能輸出開關(guān)量，即只能檢測液位是否達(dá)到指定位置，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)液位的檢測。

電容式液位計(jì)有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是電容的一個(gè)金屬極板插入液體，容器作為另外一個(gè)極板；另一種是將兩個(gè)電容極板同時(shí)插入液體中?，F(xiàn)有的電容式液位計(jì)因需要插入液體中，依靠空氣介電常數(shù)與液體介電常數(shù)差值的存在來檢測液位的升降，其靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，且易受溫度的影響。如果測量腐蝕性液體，則必須在兩極板表面涂上絕緣、防腐層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種貼片式電容液位計(jì)及液位測量方法，該液位計(jì)能夠連續(xù)測量液位的變化，且能夠進(jìn)行非接觸式測量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種貼片式電容液位計(jì)包括電源、電容傳感器、電容測量模塊、主控模塊和液晶顯示模塊，所述電源為所述電容測量模塊和主控模塊供電，所述電容傳感器與電容測量模塊連接，所述電容測量模塊和液晶顯示模塊均與所述主控模塊連接；

所述電容傳感器包括電容極板、環(huán)氧樹脂填充物和金屬屏蔽罩，所述電容極板采用長方體結(jié)構(gòu)，兩相同的所述電容極板之間的內(nèi)夾角呈鈍角設(shè)置，所述環(huán)氧樹脂填充物設(shè)置在兩所述電容極板之間，兩所述電容極板之間填充的所述環(huán)氧樹脂填充物呈四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，所述四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)中與兩所述電容極板接觸的一對(duì)側(cè)面均為矩形，所述四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)中另一對(duì)側(cè)面均為等腰梯形；所述金屬屏蔽罩罩設(shè)在所述電容極板和環(huán)氧樹脂填充物的外側(cè)，所述金屬屏蔽罩的底端開口，開口大小與所述四棱臺(tái)的底面相匹配。

進(jìn)一步地，兩所述電容極板之間的內(nèi)夾角設(shè)置為150°。

進(jìn)一步地，所述電容極板的長度為800mm～1000mm，其寬度為9mm，其厚度為2mm。

進(jìn)一步地，所述電容測量模塊采用型號(hào)為PCAP01-AD的電容測量芯片。

進(jìn)一步地，所述主控模塊采用Arduino單片機(jī)系統(tǒng)。

更進(jìn)一步地，所述Arduino單片機(jī)系統(tǒng)通過I/O端口對(duì)所述電容測量芯片PCAP01-AD的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，Arduino單片機(jī)系統(tǒng)與電容測量芯片PCAP01-AD的通信方式為SPI串行通信。

更進(jìn)一步地，所述電容傳感器的兩端分別與所述電容測量芯片PCAP01-AD的引腳PC1和引腳PC0連接，所述電容測量芯片PCAP01-AD的引腳PC4和引腳PC5之間連接一參考電容，所述電容測量芯片PCAP01-AD通過引腳MOSI_SDA、引腳SSN_PGO、引腳SCK_SCL和引腳MISO_PG1與所述Arduino單片機(jī)系統(tǒng)連接。

一種液位測量方法包括以下步驟：

將電容傳感器的底面貼放在盛放待測液體的容器外壁上；

對(duì)電容測量模塊進(jìn)行初始化，其具體包括：將電容測量芯片PCAP01-AD配置成UART模式；

主控模塊讀取電容測量模塊中不同液位高度對(duì)應(yīng)的電容比率系數(shù)C0，電容比率系數(shù)C0與電容的充放電時(shí)間有關(guān)，C0＝Cx/C1；Cx為電容傳感器輸出的電容值，C1為參考電容；

主控模塊將讀取的電容比率系數(shù)C0傳輸至電容測量模塊，電容測量模塊根據(jù)接收到的電容比率系數(shù)C0和參考電容C1，計(jì)算得到電容值Cx，并將電容值Cx傳輸至電容測量模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)；

主控模塊讀取電容測量模塊存儲(chǔ)的電容值Cx；

對(duì)主控模塊的輸出曲線進(jìn)行標(biāo)定，確定液位高度與電容值Cx之間的線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b；

將電容值Cx代替線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b中的C，計(jì)算得到液位高度h；

主控模塊將計(jì)算得到的液位高度h傳輸至液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

進(jìn)一步地，所述對(duì)主控模塊的輸出曲線進(jìn)行標(biāo)定具體過程為：

利用外部測量儀器對(duì)液位高度進(jìn)行i次測量(i≥2)，測得的液位高度為h_i；主控模塊對(duì)電容測量模塊中的電容值進(jìn)行i次讀取，讀取的電容值為Cx_i；

假設(shè)液位高度h_i與電容值Cx_i滿足線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b；

定義目標(biāo)函數(shù)，即每組測量點(diǎn)(Cx_i,h_i)到該直線h＝kC+b的距離殘差的平方和為：

引入以下標(biāo)記：

利用最小二乘法，求解方程組

計(jì)算得到：

由于采取以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、能夠準(zhǔn)確無誤的測量液位的的高度；并且能夠不與被測液體接觸，對(duì)待測液體的液位進(jìn)行非接觸式測量，且能夠進(jìn)行連續(xù)測量。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于常溫或高溫狀態(tài)下的液位檢測中。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中電容式液位開關(guān)工作原理示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種貼片式電容液位計(jì)的原理框圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種貼片式電容液位計(jì)中電容傳感器2的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種貼片式電容液位計(jì)中電容傳感器2的截面圖；

圖5是一具體實(shí)施例中電容測量芯片與Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的電路連接關(guān)系示意圖。

圖中1-電源；2-電容傳感器；3-電容測量模塊；4-主控模塊；5-液晶顯示模塊；21-電容極板；22-環(huán)氧樹脂填充物；23-金屬屏蔽罩。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

電容式液位開關(guān)是利用極板的邊緣效應(yīng)，將兩塊極板如圖1所示位置進(jìn)行放置。兩塊電極板兩側(cè)正對(duì)，當(dāng)兩塊電極板通上電時(shí)，分別帶不同的電荷，此時(shí)電場線如圖1所示。當(dāng)有介質(zhì)通過電場線時(shí)，兩極板就會(huì)產(chǎn)生電容變化，當(dāng)液位值達(dá)到一定的高度，就會(huì)使繼電器導(dǎo)通。但電容式液位開關(guān)只能感應(yīng)到液位是否到達(dá)指定位置，并不能準(zhǔn)確測量液位的高度值。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種貼片式電容液位計(jì)，其包括電源1、電容傳感器2、電容測量模塊3、主控模塊4和液晶顯示模塊5。其中，電源1為電容測量模塊3和主控模塊4供電。電容傳感器2與電容測量模塊3連接，電容測量模塊3和液晶顯示模塊5均與主控模塊4連接。

如圖3所示，電容傳感器2包括電容極板21、環(huán)氧樹脂填充物22和金屬屏蔽罩23。電容極板21采用長方體結(jié)構(gòu)，兩相同的電容極板21之間的內(nèi)夾角呈鈍角設(shè)置，環(huán)氧樹脂填充物22設(shè)置在兩電容極板21之間。兩電容極板21之間填充的環(huán)氧樹脂填充物22呈四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)中與兩電容極板21接觸的一對(duì)側(cè)面均為矩形，四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)中另一對(duì)側(cè)面均為等腰梯形。如圖4所示，電容極板21與環(huán)氧樹脂填充物22構(gòu)成的整體沿電容極板21寬度方向的橫截面為等腰梯形。環(huán)氧樹脂填充物22一方面用于隔絕兩電容極板21，另一方面用于支撐兩電容極板21。

金屬屏蔽罩23罩設(shè)在電容極板21和環(huán)氧樹脂填充物22的外側(cè)，金屬屏蔽罩23的底端開口，開口大小與四棱臺(tái)的底面相匹配。金屬屏蔽罩23能夠提高電容傳感器2的抗干擾能力。

進(jìn)一步地，為強(qiáng)化極板電容的邊緣效應(yīng)，增強(qiáng)電容傳感器2的靈敏度，兩電容極板21之間的內(nèi)夾角設(shè)置為150°。

進(jìn)一步地，電容極板21的長度為800mm～1000mm，其寬度為9mm，其厚度為2mm。

上述實(shí)施例中，電容測量模塊3采用德國ACAM公司型號(hào)為PCAP01-AD的電容測量芯片。該電容測量芯片的測量范圍為幾fF到幾百nF，其測量精度極高。

上述實(shí)施例中，主控模塊4采用Arduino單片機(jī)系統(tǒng)。Arduino單片機(jī)系統(tǒng)通過I/O端口對(duì)電容測量芯片PCAP01-AD的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，Arduino單片機(jī)系統(tǒng)與電容測量芯片PCAP01-AD的通信方式為SPI串行通信。

上述實(shí)施例中，如圖5所示，電容傳感器2的兩端分別與電容測量芯片PCAP01-AD的引腳PC1和引腳PC0連接。電容測量芯片PCAP01-AD的引腳PC4和引腳PC5之間連接一參考電容C1。電容測量芯片PCAP01-AD的引腳MOSI_SDA與Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的引腳19連接，電容測量芯片PCAP01-AD的引腳SSN_PGO與Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的引腳20連接，電容測量芯片PCAP01-AD的引腳SCK_SCL與Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的引腳21連接，電容測量芯片PCAP01-AD的引腳MISO_PG1與Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的引腳22連接。

本發(fā)明還提供了一種貼片式電容液位計(jì)的液位測量方法，其包括以下步驟：

S1、將電容傳感器2的底面貼放在盛放待測液體的容器外壁上。

S2、對(duì)電容測量模塊3進(jìn)行初始化，其具體包括：將電容測量芯片PCAP01-AD配置成UART模式。其中，配置成UART模式包括配置波特率、是否使用FIF0、數(shù)據(jù)幀格式以及配置中斷等。其中，數(shù)據(jù)幀格式包括數(shù)據(jù)長度、停止位、奇偶校驗(yàn)和收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小等。

S3、主控模塊4通過讀取電容測量模塊3的寄存器，讀取得到不同液位高度對(duì)應(yīng)的電容比率系數(shù)C0(C0與電容的充放電時(shí)間有關(guān))。其中，C0＝Cx/C1。其中，Cx為電容傳感器2輸出的電容值，C1為參考電容。

S4、主控模塊4將讀取的電容比率系數(shù)C0傳輸至電容測量模塊3，電容測量模塊3內(nèi)部的DSP模塊根據(jù)接收到的電容比率系數(shù)C0和參考電容C1，計(jì)算得到電容值Cx，并將電容值Cx傳輸至電容測量模塊3內(nèi)部的RAM中進(jìn)行存儲(chǔ)。

S5、主控模塊4讀取電容測量模塊3內(nèi)部RAM中的電容值Cx。

S6、對(duì)主控模塊4的輸出曲線進(jìn)行標(biāo)定，其具體過程為：

利用外部測量儀器(例如數(shù)顯千分尺)對(duì)液位高度進(jìn)行i次測量(i≥2)，測得的液位高度為h_i。主控模塊4對(duì)電容測量模塊3內(nèi)部RAM中的電容值進(jìn)行i次讀取，讀取的電容值為Cx_i。

假設(shè)液位高度h_i與電容值Cx_i滿足線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b。

定義目標(biāo)函數(shù)，即每組測量點(diǎn)(Cx_i,h_i)到該直線h＝kC+b的距離殘差的平方和為：

引入以下標(biāo)記：

利用最小二乘法，求解方程組

計(jì)算得到：

S7、根據(jù)讀取的電容值Cx和得到的線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b，主控模塊4計(jì)算得到液位高度。即，將電容值Cx代替線性關(guān)系表達(dá)式h＝kC+b中的C，計(jì)算得到h，h為液位高度。

S8、主控模塊4將計(jì)算得到的液位高度h傳輸至液晶顯示模塊5進(jìn)行顯示。

本發(fā)明貼片式電容液位計(jì)在電容式液位開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，能夠準(zhǔn)確無誤的測量液位的的高度；并且克服了電容式傳感器的缺點(diǎn)，能夠不與被測液體接觸，對(duì)待測液體的液位進(jìn)行非接觸式測量，且能夠進(jìn)行連續(xù)測量。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。