CN101297180A - 用于燃料箱的电容式液位计 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料箱的电容式液位计，包括：测量电容器、参考电容器以及至少一个标准电容装置，它们由电子解释电路供电并被连接至该电子解释电路，该电子解释电路包括以某一频率对电容器和电容装置充电和放电的开关；积分器，该测量电容器或参考电容器的电荷在被放电到标准电容装置中之前可以被传送和积累至积分器；比较器，用于将积分器的输出值与阈值进行比较；计数器；以及处理器或计算单元，用于根据以上公式计算燃料箱中的液位，其中n为由计数器读出的数值，分别是参考电容器(在箱体)为空时的电容(n参考，空)、参考电容器浸没在燃料中的电容(n参考)、测量电容器(在箱体)为空时的电容(n测量，空)以及测量电容器在待测液体中的电容(n测量)；标准电容装置包括至少两个电连接至测量电容器的标准电容器。

Description

用于燃料箱的电容式液位计
本发明涉及一种具有电子电路并使用电荷转移方法的用于燃料箱的电容式液位计(capacitive gauge)、以及该电容式液位计作为燃料箱中液位计的应用。
迄今为止，已经提出了许多用于测量箱体中并且尤其是机动车辆的燃料箱中的液位的装置。这些已知装置通常使用液位传感器或液位计来发送表示箱体中燃料液位的信号。
这些液位传感器或液位计中的某些包括测量电容器和参考(参比)电容器，其中测量电容器用于被放置(设置，place)在箱体的整个高度范围内(over)并且被设计成其电容随箱体中的液位而可重复地变化，而所述参考电容器用于定位在箱体的底部以便始终被浸没。
因此，申请WO 01/02817披露了这样一种液位计，其中测量电容器和参考电容器由电子解释电路(电子译码电路，electronicinterpretation circuit)供电(feed)并被连接至该电子解释电路，该电子解释电路包括以某一频率对电容器进行充电和放电的开关、和积分器、比较器以及计数器。在每次充电时，电容器(测量或参考)被升至给定的电压(V)，由该给定的电压得到给定的电量(电荷)(Q＝V·C测量，其中C测量是测量电容器的电容)。该电荷被转移至积分器，将该积分器的输出值与预先设定的阈值进行比较。只要积分器的输出值保持小于该阈值，则积分器就通过电容器(测量或参考)继续接收在每次充电时的电量Q＝V·C测量。当超过该阈值时，积分器放电到标准电容器中，使其升至相同的电压(V)，并且循环重新开始。计数器计算在给定的测量周期(测量时间段，measurementperiod)期间超过阈值时的次数、或n。该次数与被测量的电容(测量或参考电容)成比例。目前，该电容本身或者与箱体中的液位成比例(测量电容)，或者取决于液体的性质(参考电容)，除了所述电容“(在箱体)为空(empty)时”以外。最终获得以下关系：
h＝[n参考，空/(n参考-n参考，空)]·[(n测量-n测量，空)/n测量，空]，
其中，n为由计数器读出的数值，分别是参考电容器(在箱体)为空时的电容(n参考，空)、参考电容器浸没在燃料中的电容(n参考)、测量电容器(在箱体)为空时的电容(n测量，空)以及测量电容器的电容(n测量)，并且这是针对给定的测量周期而言的(对于更多的细节，参见有关的专利，其在这方面的教导以引用形式并入本申请中)。
已经观察到，当标准电容器的电容接近于“目标”电容器(测量电容器或参考电容器)的电容时，这样的液位计的精度更好。
目前，通常使用的燃料具有从小于3％(对于在欧洲使用的“特级”型燃料)变化至100％(对于特别是在巴西使用的纯乙醇)的乙醇含量。已知水可溶于乙醇中，则这些燃料也可以包含一定量的水。要记住，燃料的介电常数通常具有至少为1.6的数值，乙醇的介电常数通常位于24和25之间，以及水的介电常数通常大于或等于70，现有技术的液位计的测量电容可以在约50pF至2500pF范围的区域(带，band)范围内变化。
上述根据现有技术的液位计的缺点在于以下事实：即测量精度仅对于有限范围的燃料来说是良好的。
本申请设法通过提供一种“通用的(万能的)”电容式液位计来解决这个问题，该电容式液位计可以用来精确地测量箱体中燃料的液位，而与容纳在所述箱体中的燃料的类型无关。
为此目的，本发明涉及一种用于燃料箱的电容式液位计，包括：测量电容器、参考电容器以及至少一个标准电容装置(capacitivedevice)，它们由电子解释电路供电并被连接至该电子解释电路，该电子解释电路包括以某一频率对电容器和电容装置充电和放电的开关；积分器，测量电容器或参考电容器的电荷在被放电到标准电容装置中之前可以被传送和积累至该积分器；比较器，用于将积分器的输出值与阈值进行比较；计数器；以及处理器或计算单元(运算部件，computation unit)，用于根据以下公式计算燃料箱中的液位：
h＝[n参考，空/(n参考-n参考，空)]·[(n测量-n测量，空)/n测量，空]，
其中，n为由计数器读出的数值，分别是该参考电容器在箱体为空时的电容(n参考，空)，该参考电容器浸没在燃料中的电容(n参考)，该测量电容器在箱体为空时的电容(n测量，空)以及该测量电容器在待测液体中的电容(n测量)，该标准电容装置包括至少两个电连接至测量电容器的标准电容器。
优选地，这些标准电容器具有覆盖从500pF至25000pF范围的电容，这些界限对应于测量电容器或参考电容器的多个电荷，这些电荷在被放电到标准电容器中之前已被积累在积分器中。
因此，该液位计通过以下事实与上述现有技术中的液位计区分开，即，该液位计具有用于使测量电容器放电的至少两个标准电容器，选择这些电容(capacitance)以便为各种类型的燃料提供更精确的燃料液位的测量。
在本发明的范围内，术语“液位计”用来指提供代表燃料箱中液位的信号的装置。根据本发明，该装置是集成电子装置，即，其包括用于处理(或解释)由测量装置发送(传输，transmit)的信号的电子电路，该测量装置可以用来确定箱体中的液位。
根据本发明的液位计包括：测量电容器，其用于被放置在箱体的整个高度范围内并且被设计成其电容随箱体中的液位而可重复地变化；参考电容器，用于被放置在箱体的底部以便始终被浸没；以及标准电容装置，该标准电容装置包括至少两个电连接至测量电容器的标准电容器。
参考电容器和测量电容器可以具有任何已知的类型。它们可以包括平板或圆筒形板，其电容受存在于板之间的介质的影响，并且这是通过趋肤效应来影响的。可替换地且优选地，它们包括通过干涉效应而相互作用的叉指(接合的梳状(交错的梳状，engagingcombwise))电极，如在美国专利4,296,630中描述的。这些电极安装在绝缘基板(绝缘衬底，insulating substrate)上并且看起来像印刷电路；此外，它们可以通过与印刷电路的制造方法相类似的制造方法来进行制造。
术语“叉指”电极用来指具有线圈(盘绕，coil)形式的电极，其中的指状物(digit)形式的环路(回路，loop)彼此梳状(梳齿状，combwise)地接合，并且这在上述美国专利中进行了描述。根据特别有利的变型，根据本发明的液位计包括一对叉指测量电极，以及一对也是叉指型的参考电极，分别构成测量电容器和参考电容器。后一对电极(一对参考电极)优选地位于基板的一端(该端将被放置/固定在箱体的底部)，以便确保其始终浸没在箱体内存在的液体中。该一对参考电极在箱体中所占有的相对高度相对于该一对测量电极所占有的相对高度来说优选较低，使得该一对测量电极可以存在于液体的基本上整个高度范围内。
以一种特别优选的方式，当液位计被放置在箱体中时，测量电容器的电极指状物(digit)竖直地延伸，以便根据待被测量的液位来获得基本上为线性的信号。优选地，当液位计被放置于箱体中时，测量电极和参考电极的环路两者都是竖直的。此外，它们有利地具有至少一个部分共有的电极。
根据本发明该变型的电容器的电极与电子解释电路之间的电连接优选地被绝缘基板覆盖，使得不干扰测量。
至于标准电容，这些是位于包括测量电容和参考电容的印刷电路上的组件(component)。
根据本发明，标准电容或者对于测量电容器来说或者对于参考电容器来说可以是特定的。可替换地，测量电容器和参考电容器可以具有至少一个共有的标准电容，即，它们既电连接至测量电容器又电连接参考电容器。
根据第一种变型，该装置有利地包括至少两对标准电容器(总共四个电容器)：其中的两个用于使测量电容器放电(因此，电连接至测量电容器)，而另两个用于使参考电容器放电。优选地，根据本发明的液位计包括至少六个标准电容器：其中的三个分别连接于参考电容器，而另三个分别连接于测量电容器，并且这是为了确保在燃料的整个范围内的良好的测量精度。
根据第二种变型，电容装置可以包括：至少两个仅连接于测量电容器的标准电容器、至少两个仅连接于参考电容器的标准电容器以及至少一个既可以连接于测量电容器又可以连接于参考电容器的电容器。
在实际中，包括至少四个标准电容器的电容装置是理想的，所述的标准电容器可交换地连接至测量电容器或标准电容器。特别是，具有至少六个这样的标准电容器的这样的装置是理想的。
根据本发明的液位计包括或连接于使电子解释电路能够将测量电容器(如果合适的话，以及参考电容器)连接至“最佳”标准电容器(能够使测量精度最佳化的标准电容器)的装置。该装置可以由适当的人(车辆制造者、泵维护人员、车辆使用者等)手动地致动(使用按钮、在键盘或屏幕上的手动输入等)。可替换地，并且优选地，该装置是电子解释电路的整体部分(integral part)。为此目的，后者可以被设计成通过选择预定的标准电容器来实施参考电容器的第一测量，以便粗略地评价燃料的介电常数并能选择该标准电容器或每一适当的标准电容器用于优化在该参考电容器和测量电容器两者的第二测量中的精度。
该第二(精确)测量优选地如以下来实施：
1.在开始测量时，电子电路引起测量电容器充入给定的离散电荷(不连续电荷，discrete charge)，并且这借助于开关的正确定位，
2.改变开关的位置使得该电荷被传送至积累该电荷的积分器，
3.比较器将积分器的输出值(通常是其电压)与阈值(参考电压)进行比较，
4.以某一频率v1(充电频率)循环地重复步骤1至3，直到积分器的输出值大于该阈值，
5.这时，启动(engage)计数器，并且积分器通过选择的标准电容器放电，
6.以频率v1循环地重复步骤1至3，直到第二次达到阈值，此时，停止计数器，
7.如果适当，以参考电容器和它本身的标准重复步骤1至6，
8.计算单元确定相应的液位的值(h)。
关于第一测量，必需选择适当的标准电容器，这优选使用上面描述的步骤1至6，以及步骤7’来实施，在步骤7’期间计算单元确定适当的标准电容器用于测量测量电容，并且当合适时，也测量最适合于参考电容器的电容。
根据本发明的这种变型，因此计数器是一种可以用来测量在两个连续的阈值溢出(overshoot)之间的占用时间(经过的时间，elapsed time)的计时器。这种计数器以不必等于充电频率v1的计数频率v2工作。根据一种特别有利的变型，计数频率v2大于充电频率v1，并且这目的在于增加液位计的分辨率(resolution)。通常，v1以数百kHz测量，而v2以数十MHz测量。
实际上，对于在上述PCT申请中描述的系统，测量周期通常为约600ms，在该周期内，计数器已经计数了大约2500次阈值溢出，并且在该周期中积分器已经接收600ms*100kHz＝0.6×105＝60000次充电(charge)。这导致两次阈值溢出之间为600/2500＝240μs的周期(时间段，period)，在该周期内积分器已经接收60000/2500＝24次充电。根据本发明的这种变型，如果使用同样的充电系统，但在第一次阈值溢出之后，启动一个以约10MHz(或者两次“脉冲”之间为0.1μs)的频率工作的计数器(计时器)，则在两次阈值溢出之间的周期(保持为240μs)内，在计数器上获得240/0.1＝2400次的敲击(脉动，beat)。因此，获得至少类似的分辨率(在计数器上2400次敲击类似于(相当于)2500次)，因为积分器上不同电荷的增加不是真正间断的，并且其中许多是连续的(积分器上输出值的趋势是时间的函数，该函数具有24个小倾斜梯面的楼梯形式，因此实际上趋向于一条直线)。然而，该测量周期显著地缩短(以μs代替ms测量)，因此获得显著更好的液位计响应时间。
根据本发明的液位计优选地连接至用于显示由计算单元计算出的液位值的装置。
优选地，根据本发明的液位计被设计成当由电流供电时能够永久地操作(运行)。为此目的，连续地和循环地重复步骤1至8。在每次测量之后，由计算单元计算的数值被传送至显示装置，该显示装置将该数值保持在存储器中并显示该数值直到下次测量。
在一个特定的具体实施方式中，根据本发明的液位计还可以允许确定箱体中燃料组合物中乙醇和/或水的存在。
由于乙醇的介电常数通常位于24和25之间，水的介电常数通常大于或等于70，而燃料的介电常数通常具有至少为1.6的数值，因此燃料组合物中乙醇和/或水的存在将通过燃料的介电常数的变化来确定。由于参考电容与燃料的介电常数有关，因此介电常数的变化将对应于参考电容的变化。作为实例，对于包括叉指(接合的梳状)电极的液位计，试验已经表明在燃料组合物中存在5％的乙醇相当于参考电容增加约5％。
优选地，可以显示报警信号(warning signal)以便当参考电容的测量表明燃料组合物对应于不适当的燃料存在于箱体中时防止损害发动机。
最后，本发明还涉及如先前所述的液位计作为燃料箱中的液位计的应用，优选地用于机动车辆。其优选是具有如上所述的计算单元的液位计。其优选连续地操作，只要其被供以电流，即，优选地，只要车辆的发动机在运转。对于可以具有各种形状的机动车辆(燃料)箱的情况，经常需要使其变得复杂以与壳体下可利用的空间相适应，以一种特别有利的方式，计算单元对经前述计算得到的值进行校正，以考虑箱体的形状。这样的校正可以通过使用一个表来获得，该表是通过用已知量燃料的一系列测量数据来校准该液位计而制得的。

Claims (10)

1.一种用于燃料箱的电容式液位计，包括：测量电容器、参考电容器以及至少一个标准电容装置，它们由电子解释电路供电并被连接至所述电子解释电路，所述电子解释电路包括以某一频率对这些电容器和所述电容装置充电和放电的开关；积分器，所述测量电容器或参考电容器的电荷在被放电到所述标准电容装置中之前能够被传送和积累至所述积分器；比较器，用于将所述积分器的输出值与阈值进行比较；计数器；以及处理器或计算单元，用于根据以下公式计算燃料箱中的液位：
h＝[n参考，空/(n参考-n参考，空)]·[(n测量-n测量，空)/n测量，空]，
其中，n为由所述计数器读出的数值，分别是所述参考电容器在箱体为空时的电容(n参考，空)、所述参考电容器浸没在燃料中的电容(n参考)、所述测量电容器在箱体为空时的电容(n测量，空)以及所述测量电容器在待测液体中的电容(n测量)；
其特征在于，所述标准电容装置包括至少两个电连接至所述测量电容器的标准电容器。
2.根据前述权利要求所述的液位计，其特征在于，所述标准电容器覆盖500至25000pF的范围。
3.根据权利要求1或2所述的液位计，其特征在于，所述液位计包括至少三个仅电连接至所述参考电容器的标准电容器，以及至少三个仅电连接至所述测量电容器的标准电容器。
4.根据权利要求1或2所述的液位计，其特征在于，所述液位计包括至少四个既电连接至所述测量电容器又电连接至所述参考电容器的标准电容器。
5.根据前一权利要求所述的液位计，其特征在于，所述电容装置包括至少六个既电连接至所述测量电容器又电连接至所述参考电容器的标准电容器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的液位计，其特征在于，所述液位计包括或连接于使所述电子解释电路能够将所述测量电容器连接至最佳标准电容器的连接装置。
7.根据前一权利要求所述的液位计，其特征在于，所述连接装置被手动地致动。
8.根据权利要求6所述的液位计，其特征在于，所述连接装置是结合到所述电子解释电路中的电子装置。
9.根据前一权利要求所述的液位计，其特征在于，所述液位计被设计成按以下操作：
1.在开始测量时，所述电子电路引起所述测量电容器充入给定的离散电荷，并且这借助于所述开关的正确定位，
2.改变所述开关的位置使得所述电荷被传送至积累所述电荷的所述积分器，
3.所述比较器将所述积分器的输出值(通常是其电压)与阈值(参考电压)进行比较，
4.以某一频率v1(充电频率)循环地重复所述步骤1至3，直到所述积分器的所述输出值大于所述阈值，
5.这时，启动所述计数器，并且所述积分器通过选择的标准电容器放电，
6.以所述频率v1循环地重复所述步骤1至3，直到第二次达到所述阈值，此时，停止所述计数器，
7.如果适当，以所述参考电容器和它本身的标准重复所述步骤1至6，
8.所述计算单元确定相应的液位的值(h)。
10.根据前一权利要求所述的液位计，其特征在于，所述液位计被设计成在所述步骤1至8之前通过选择预定的标准电容器来实施所述参考电容器的测量，以便粗略地评价所述燃料的介电常数并选择所述标准电容器或每一适当的标准电容器。
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