CN100455998C - 检测介电常数高于空气的导电或介电环境的电子方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的方法是，对由关系No＝f(Qp，Qod，Ucc，Up，T)产生的控制信号(No)的数目进行计数，对于将电容器(Cp)充电，其随后将之前充电的电容器(Cp)放电至由控制系统(US)预设的阈值电压(Up)所需的所述控制信号被从控制系统(US)发送，接下来对由关系Nx＝f(Qp，Qx，Ucc，Up，T)产生的控制信号(Nx)的数目进行计数，对电容器(Cx)充电所需的所述控制信号被从所述控制系统(US)发送，然后将之前充电的电容器(Cp)放电至由所述控制系统(US)预设的所述阈值电压(Up)，对所确定的控制信号(Nx)的数量与基准状态进行比较，所获得的那些信号中的差值指示在电容器(Cx)的临近环境中存在导电或介电环境。
Description
技术领域
本发明的主题是用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的电子方法和系统，尤其适用于对容器中的液态食品和其它液体的水平进行连续的非接触式的电子监测。
背景技术
从美国专利4,806,847可以了解介电水平传感器和方法，其中，传感器用于在正常和极端温度环境下，检测油或传动液的水平。传感器的唯一活动组件具有输入和泄漏电流，所述电流基本上要比高温环境下的二极管的电流及电流源的电流要小。所述传感器具有探针，其包括一对形成水平探测电容器的电极，适于被伸入容器中以探测液体的水平。包括基准电容器，当在水平探测电容器的电极之间不存在介电液体时，所述基准电容器具有基本上与水平探测电容器的电容相等的电容。还提供了用于测量每个电容器的电容的电路，并且传感器得出介电液体的水平。提供了用于测试所述基准电容器是否被正确操作的电路。水平探测电容器的一极被隔离，以提供独立于高温导电性影响的传感器输出。提供了用于抵消传感器浸于其中的油或传动液的变化的介电常数的结构和方法。该专利还包括使用装备有基准电容器的测量传感器，来探测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的方法，所述基准电容器被完全充电，并且随后被放电到基准电平之下，同时测量将基准电容器放电到基准电平之下所用的时间，接下来，对测量电容器充电，然后将所述测量电容器放电至基准电平之下，同时测量将测量电容器放电到基准电平之下所用的时间，接下来比较对基准电容器放电所用的时间和对测量电容器放电所用的时间，所得到的差值指示导电或介电环境在测量电容器的临近环境中的存在。
还可以从美国专利4,001,676了解的是，一种设备的固态阈值探测器，用于当例如车辆燃料水平这样的被监测的参数处于临界范围中时提出警告。电荷泵反复地对可变电容器充电，该可变电容器的电容随着被监测的参数的大小而逐渐的改变，并且对基准电容器充电，当被监测的参数的大小处于临界范围的阈值时，该基准电容器具有与可变电容器的电容相等的电容。在每次充电之后，在由阈值探测器对其电压电荷的监视下，以可控的速率对两个电容器进行放电，当穿过各个电容器的电压超过规定的电平时，每个电容器都提供输出。所述阈值探测器的输出被连接到逻辑电路，该逻辑电路比较阈值探测器的输出的持续时间，并且当来自监测基准电容器的水平探测器的输出的持续时间，与来自监测在某种意义上表示条件的临界数量的基准电容器的水平探测器的输出的持续时间不同时，生成一个输出。一个指示器响应来自所述逻辑电路的输出信号，提供环境的临界数量的警告。根据这个发明，具有随燃料水平的数量逐渐变化的电容的可变电容器被反复的充电和放电，当燃料水平处于临界范围的阈值时，与具有与可变电容器的电容相等的电容的基准电容器一样。在每次充电之后，在由阈值探测器对其电压电荷的监视下，以可控的速率对两个电容器进行放电，当穿过各个电容器的电压超过规定的电平时，每个电容器都提供输出。所述阈值探测器的输出被连接到逻辑电路，该逻辑电路比较阈值探测器的输出的持续时间，并且当来自监测基准电容器的水平探测器的输出的持续时间，与来自监测在某种意义上表示临界燃料水平的基准电容器的水平探测器的输出的持续时间不同时，生成一个输出。
其它的测量容器中液体水平的现有技术方法是引入电子系统电极与所测量的液体相接触。结果是，电路在某一个液体水平闭合并基于此确定液体水平。
同样已知的是，带有频率发生器的电容性电子传感器，其具有电容依赖于周围环境的电容器，而通过检查发生器的频率来测量电容器的电容，可以检测该环境的存在性。
从波兰专利申请No.P-301505获知的液体水平指示器包含电子部件和测量头，所述测量头位于指示器主体的下部，并与电子部件的发送器和接收器相接触，所述电子部件在与测量头相对的一面配备有接触装置。
同样从波兰专利申请No.P-327547获知的是，测量流动电介质(特别是液体形式的电介质)的速度和/或体积的方法，其中，电介质流在电容器极板之间通过，其中的一个极板被一个横截电介质流的槽分成两部分，通过电阻器将两个极板进行电连接。在电容器极板之间维持恒定的供电电压，并且测量该电压和/或在分开的极板的部分之间流动的电流，然后由适当的关系确定流动的电介质的速度和/或体积。
同样从波兰专利申请No.P-349033获知的是，用于测量液体水平的压电设备，其包括配备有两个压电元件的检测器，所述两个压电元件与控制组件结合，用于对着适当的反射基准组件发射超声波，所述反射基准组件位于从其一侧距各自的元件已知距离的，并且从其另一侧距较高的液体表面已知距离的位置，处理组件适于利用由那两个元件中的每一个发射的超声波的各自的传播次数来确定液体的水平。该部件包括的组件在电压供应至该部件时，能够确定初始阶段(1100，1100bis)，在这过程中控制组件控制压电元件，所以，与在接下来的稳定的测量的阶段(1300)中各自的节律相比较，基准元件兴奋节律和表面测量元件节律之间的比率更高。
发明内容
本发明的目的是要开发一种方法和电子系统，用于当同时消除如电极或浮体例子中的测量组件与这些液体的接触时，通过其电绝缘，来监测各种用途的容器中的液体的水平。
根据本发明用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的方法的本质在于基准控制信号数目的计算，所述基准控制信号的数目是以下变量的函数：在测量电容器充电过程中在其上聚集的电荷，在利用脉冲控制信号对基准电容器充电过程中在其上聚集的电荷，控制部件的供电电压(它是用于给测量和基准电容器充电的电流的来源)，控制系统预设电压(在计算基准控制信号的过程中，测量电容器应将其自身放电至所述控制系统预设电压)，以及所述测量电容器和所述基准电容器的环境温度，对所述测量电容器进行充电所需的所述信号被从所述控制系统发送，然后将之前充好电的测量电容器放电至由所述控制系统预设的阈值电压，接下来，计算依赖于周围环境的控制信号的数目，且所述依赖于周围环境的控制信号的数目是以下变量的结果函数：在测量电容器充电过程中在其上聚集的电荷，在利用脉冲控制信号对依赖于周围环境的电容器充电过程中在其上聚集的电荷，控制部件的供电电压(它是用于给测量和基准电容器充电的电流的来源)，控制系统预设电压(在计算基准控制信号的过程中，测量电容器应将其自身放电至所述控制系统预设电压)，以及测量电容器和基准电容器的环境温度，对所述依赖于周围环境的电容器进行充电所需的所述信号被从控制系统发送，然后将之前充好电的测量电容器放电至由所述控制系统预设的阈值电压，接下来，对所确定的控制信号与其基准状态进行比较，由此获得的在那些信号中的差值指示包围电容器的导电或介电环境的存在，所述电容器受该环境的影响。
根据本发明的用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的电子系统由以下部分组成：在其电路中具有测量电容器的微处理器控制系统，且所述微处理器控制系统与测量传感器进行电连接，所述测量传感器由第一电子键和与其相连的、依赖于周围导电或介电环境的电容器组成，而构成依赖于周围环境的电容器的充电电流输出以及测量电容器放电电流的输入的控制系统线路与所述电子键相连，而构成(用于)测量电容器充电电流的输出以及用于在所述电容器放电过程中进行电压测试的输入的所述系统的线路与所述电容器和所述电子键相连，而构成测量电容器充电电流的输入和用于所述电容器的放电电流的输出的所述系统的线路通过所述电容器与第一电子键相连，而控制系统的公共线路也通过所述依赖于周围环境的电容器与所述电子键相连。
在其另一个实施例中，电子系统另外还包括由以下部分组成基准传感器，该基准传感器包括与控制系统线路相连的第二电子键，所述控制系统线路构成测量电容器的输出以及用于在所述电容器放电过程中的电压测试的输入，该基准传感器还包括与所述电子键相连的基准电容器，所述基准电容器的一极与所述系统的公共端相连，并通过依赖于周围环境的电容器与所述第一电子键相连，而构成基准电容器的充电电流输出以及测量电容器放电电流的输入的控制系统线路与所述电子基准传感器的所述第二电子键相连。
本发明的方法和系统使得可以容易且快速地检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在，而该系统简单的机架外壳使其能够应用在多种方面，包括家用器具、烹饪设施的保温瓶用具以及汽车行业，以测量油箱内的燃油量。
附图说明
结合附图中示出的使用本发明的方法的电子系统的实施例，更加详细地描述本发明的主题，其中，图1是用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的电子系统的示意性方框图，所述电子系统由控制系统和测量传感器组成，图2是用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的电子系统的示意性方框图，所述电子系统由控制系统、测量传感器和基准传感器组成。
发明详述
图1中表示的电子系统由以下部分组成，在其电路中具有电容器Cp的微处理器控制系统US，且所述微处理器控制系统US与测量传感器CP电连接，所述测量传感器由电子键K1和与其相连的、依赖于周围导电或介电环境的电容器Cx组成，而构成电容器Cx的充电电流输出以及电容器Cp的放电电流输入的所述控制系统US的线路Pn与电子键K1相连，而构成(用于)电容器Cp的充电电流的输出以及用于在电容器Cp的放电过程中进行电压测试的输入的所述系统的线路I/S与所述电容器和所述电子键K1相连，而构成电容器Cp的充电电流的输入和用于所述电容器的放电电流的输出的所述系统的线路CEN通过电容器Cp与电子键K1相连，而控制系统US的公共线路通过电容器Cx与电子键K1相连。
图2中表示的电子系统由以下部分组成，在其电路中具有电容器Cp的微处理器控制系统US，且所述微处理器控制系统US与测量传感器CP电连接，所述测量传感器CP由电子键K1和与其相连的，依赖于周围导电或介电环境的电容器Cx组成，而构成电容器Cx的充电电流输出以及电容器Cp的放电电流输入的控制系统US的线路Pn与电子键K1相连，而构成(用于)电容器Cp的充电电流的输出以及用于在电容器Cp的放电过程中进行电压测试的输入的所述系统的线路I/S与所述电容器和所述电子键K1相连，而构成电容器Cp的充电电流的输入和用于所述电容器的放电电流的输出的所述系统的线路CEN通过电容器Cp与电子键K1相连，而控制系统US的公其线路(线架)通过电容器Cx与电子键K1相连。
而且，本系统的该实施例另外还配备有由以下部分组成的基准传感器CO：与控制系统US的线路I/S相连的电子键K2，以及与所述电键相连的基准电容器Cod，所述基准电容器的一极与所述系统的公其线路相连并通过电容器Cx与电子键K1相连，而构成基准电容器Cod的充电电流输出以及电容器Cp的放电电流输入的控制系统US的线路I/S与基准传感器CO的电子键K2相连。
本发明的电子系统的操作原理是，一旦在控制系统US中将电源电压Ucc切换为ON，则在控制系统US的输出I/S和输入CEN构成的电路中的电容器Cp积聚电荷Qp，然后输出I/S被转换为用于测量电容器Cp上的电压的输入。同时，由于在控制系统US的线路Pn和Pod中没有信号，电子键K1和K2仍然是不起作用的。
一旦完成给电容器Cp充电，电子键K1仍然不起作用，而电子键K2由于通过线路Pod的周期性的矩形信号No而变得起作用，且所述电子键K2引起一个切换，该切换使得能够按照关系Qod＝f(Cod，Ucc，T)在电容器Cod中积聚电荷，其来源是在以下电路中的高电平控制信号：控制系统US的输出Pod、电子键K2、电容器Cod、以及控制系统US的公共线路
经过特定时间之后，低电平控制信号引起电子键K2切换至电容器Cp的放电状态，电容器Cp按照以下电路中的关系Qr＝f(Qp，Cod，Ucc，T)进行放电，所述电路由电容器Cp、电子键K2、控制系统US的线路Pod和线路CEN构成，放电的方式是：自电容器Cp流走的电荷数量依赖于在电容器Cod充电过程中在其中聚集的电荷数量。这种脉冲式的电容器放电使得在电容器Cp上/中的电压阶梯式下降，其被控制系统US监测并被与阈值电压Up的电平进行比较。控制系统US发送许多依赖于(Qp，Qod，Ucc，Up，T)的控制信号No，直至该电容器上的电压达到在控制系统US上的或由控制系统US预设的阈值电压Up的电平，对所述信号进行计数并保存为No。
然后通过在电容器Cp中重新聚集电荷重复该循环，其中电子键K2仍然不起作用，且电子键K1由于通过线路Pn的周期性的矩形信号Nx而变得起作用，且所述电子键K1引起一个切换，该切换使得能够按照关系Qx＝f(Cx，Ucc，T)在电容器Cx中积聚电荷Qx，其来源是高电平控制信号，而所聚集的电荷的数量依赖于包围电容器Cx的环境，尤其是该环境在由控制系统US的输出Pn、电子键K1、电容器Cx、以及控制系统US的公共线路构成的电路中的介电常数。
经过特定时间之后，低电平控制信号引起电子键K1切换至电容器Cp的放电状态，并按照以下的电路中的关系Qr＝f(Qp，Cx，Ucc，T)进行放电，所述电路由电容器Cp、电子键K1、控制系统US的线路Pn和线路CEN构成，放电的方式是：自电容器Cp流走的电荷数量依赖于在电容器Cx充电过程中在其中聚集的电荷Qx的数量，因而引起电容器Cx上/中的电压的阶梯式下降，其被控制系统US监测并与阈值电压Up的电平进行比较。控制系统US发送许多依赖于(Qp，Qx，Ucc，Up，T)的控制信号Nx，直至该电容器上的电压达到在控制系统US上或由控制系统US预设的电压Up的电平。
对所述信号同时进行计数并保存为Nx，然后对所记录的控制信号No和Nx的数量进行比较，且将该比较结果作为控制系统US表示传感器Cx周围的导电或介电环境的存在的基础。
也可以在单个测量周期内检测在电容器Cx附近的导电或介电环境，即，不使用基准传感器CO、电子键K2以及电容器Cod。
然而在该情况下，基准是当包围电容器Cx的环境是空气时，所计数的对电容器Cp放电和对电容器Cx充电所需的控制信号No的数量。信号No的数量被保存，并且在每个检查介电环境的存在的测量周期之后，将信号No的数量与所计数的信号Nx的数量进行比较，并基于此，控制系统US发信号通知在电容器Cx附近存在导电或介电环境。
Claims (3)
1、一种使用配备有电容器的测量传感器来检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的方法，其中，对由关系No＝f(Qp，Qod，Ucc，Up，T)产生的控制信号No的数目进行计数，所述控制信号No由控制系统US发送并且是对电容器Cp充电所需要的，随后将所述之前充电的电容器Cp放电至由所述控制系统US预设的阈值电压Up，接下来对由关系Nx＝f(Qp，Qx，Ucc，Up，T)产生的控制信号Nx的数目进行计数，所述控制信号Nx由所述控制系统US发送并且是对电容器Cx充电所需要的，然后将所述之前充电的电容器Cx放电至由所述控制系统US预设的所述阈值电压Up，其中：
Qp-指在电容器Cp充电过程中在其中聚集的电荷；
Qod-指在利用控制信号No对基准电容器Cod充电过程中在其中聚集的电荷；
Qx-指在利用控制信号Nx对电容器Cx充电过程中受周围环境影响的在其中聚集的电荷；
Ucc-指所述控制系统US的供电电压和所述电容器Cp、电容器Cx和电容器Cod的充电电压；
Up-指由所述控制系统US设定的电压，当对所述控制信号No和控制信号Nx进行计数时，所述电容器Cp应当被放电至该电压；
T-指环境温度，在该温度，电容器Cp和电容器Cx和所述控制系统US的剩余元件在对所述电容器Cp的放电周期进行计数；
接下来对所确定的控制信号Nx的数目与其基准状态进行的比较，且这些信号之间的差值指示在所述电容器Cx的临近环境中存在导电或介电环境。
2、一种用于检测具有高于空气的介电常数的导电或介电环境的存在的电子系统，该电子系统具有带有电容器特征的测量传感器，所述电子系统由以下部分组成：在其电路中具有电容器Cp的微处理器控制系统US，所述微处理器控制系统与该测量传感器电连接，所述测量传感器由电子键K1和与所述电子键K1相连的、依赖于所述周围导电或介电环境的电容器Cx组成，而构成所述电容器Cx的充电电流输出以及所述电容器Cp的放电电流输入的所述控制系统US的线路Pn与所述电子键K1相连，构成所述电容器Cp的充电电流输出以及用于在所述电容器Cp的放电过程中进行电压测试的输入的该控制系统的线路I/S通过所述电容器Cp和电子键K1相连，而构成用于电容器Cp的充电电流输入和所述电容器Cp的放电电流输出的所述控制系统的线路CEN也通过电容器Cp与所述电子键K1相连，而所述控制系统US的地线通过电容器Cx与电子键K1相连。
3、如权利要求2所述的电子系统，其中，所述电子系统具有另外的基准传感器CO，所述基准传感器由以下部分组成：与所述线路I/S相连的电子键K2，以及与所述电子键K2相连的基准电容器Cod，且其一极与所述控制系统的地线相连并通过电容器Cx与所述电子键K1相连，而构成所述基准电容器Cod的充电电流输出以及所述电容器Cp的放电电流输入的所述控制系统US的线路Pod与所述基准传感器CO的所述电子键K2相连。
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