CN101625251A - 一种电容感应式液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液位传感器，尤其涉及一种电容感应式液位传感器。本发明的目的在于：提供一种电容感应式液位传感器，不仅可克服意外断电造成的检测失误，还具有温度补偿功能，同时还可方便地对不同材质、壁厚容器中水或其他液体的检测基准进行校准，实现了检测电路智能化，并大大提高了检测电路工作状态的准确性、稳定性和可靠性，且安装简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种液位传感器，尤其涉及一种电容感应式液位传感器。
背景技术
目前应用的非接触方式测量的电容感应式液位传感器，通常是由电子电路检测容器壁内的水或其他液体同感应开关的感应板产生的电容量，判断是否有水或其他液体，并输出相应信号，检测方式通常有二种：
第一种方式是通用数字电子电路组成一定频率的振荡器产生几十到几百千频的高频脉冲信号，通过感应极板与液体之间的电容变化，由比较器输入端充放电产生的电位变化同基准端的电位比较，从而来感应判定是否有水或其他液体，并输出相应信号。但是，由于电容的容量随温度的变化而变化，所设计的由电容决定频率的振荡电路，其频率也会随温度的变化而变化，且零点基准在温度及外界的影响下，对所调节好的基准影响较大，易引起漂移及变化，使振荡器传感检测电路的稳定性和检测精度均降低；且因基准阈值的取值范围小，检测电路易受外电路干扰而产生判断失效。
第二种方式是使用带电荷转移感应电容式输入端MCU来测量感应板上电容量的变化量，通过充电时间的改变所产生的频率信号来检测判断有无水或其他液体。该电路通常用一个固定的电容量来作检测基准，感应板上电容量变化值大于或小于固定的电容量一定值时，则通过MCU判断是否感应到液体。由于作基准对比的是一固定电容器，外界因数改变时，基准电容的数值受温度等因数影响大，对液体有无的判断不稳定。且当被检测容器壁厚改变时，感应板同被感应的液体间产生的电容量亦改变，而比较基准是固定不变的，因此产生的偏差值对检测准确性影响大，甚至当偏差值超出检测范围时，产生不能正常检测的致命缺陷。又因检测基准是固定的电容量，限定的检测范围窄，一般仅能实现8mm以下的容器内的水或其他液体的液位检测。另MCU在开始检测有水或无水时，是以感应板上的电容变化量来判断是否有水，但当在水位上升或下降的检测过程中，电源意外掉电后，由于比较数据未存储，再接通电源时，由于MCU进行运算的被测值与基准值均为变量，如水位未发生有无变化，则感应板上的电容量无变化，当MCU进行运算时就很难或根本不能运算出结果值，出现检测失误，造成电路工作的不可靠性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种电容感应式液位传感器，不仅可克服意外断电造成的检测失误，还具有温度补偿基准功能，同时还可方便地对不同材质、壁厚容器中水或其他液体的检测基准进行校准，实现了检测电路智能化，并大大提高了检测电路工作状态的准确性、稳定性和可靠性，且安装简单方便。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电容感应式液位传感器，所述电容感应式液位传感器包括PCB电路板、感应板，所述PCB电路板上电路包含输入电路、MCU、温度检测电路、液位感应电路、基准调节开关、可擦写存储器、输出电路，其中，所述输入电路、温度检测电路、液位感应电路、基准调节开关、可擦写存储器分别连接MCU，经MCU进行运算处理并将结果输出至输出电路。
电路通电后，通过液位感应电路感应形成于容器和介质之间的电容量，将此值输入MCU进行运算，同时MCU得到温度检测电路提供的采样值，对液位感应电路的感应值进行温度补偿运算后，MCU读取可擦写存储器中的基准值与之进行运算，并将运算结果信号输出至输出电路，实现液位的检测。
被测容器的材质、厚度发生变化时，通过闭合基准调节开关，MCU将通过液位感应电容的感应值重新检测采样值，并将此值存储在可擦写存储器中，作为新的检测基准，实现基准值的重新设置。
当检测过程中发生意外断电时，在每个测量取样周期中进行比较判定的基准是读取于可擦写存储器中的记录值，被测值与基准值比较时运算结果值明确，从而解决了因断电再通电后检测失误的情况，实现检测电路的高稳定可靠地工作。
所述温度检测电路，是模/数转换口电路，包括第一电阻和热敏电阻，所述第一电阻和热敏电阻串联连接，第一电阻一端连接输入电路，热敏电阻一端接地，第一电阻和热敏电阻中间的支点连接MCU。
所述温度检测电路，是I/O口电路，包括MCU上的I/O端口、电阻和第二电容，其中，所述I/O端口数量为三个，分别是第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口，所述电阻数量为三个，分别是第十电阻、第十一电阻、第十二电阻，所述第十电阻、第十一电阻、第十二电阻的一端分别与第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口连接，所述第十电阻、第十一电阻、第十二电阻的另一端分别连接第二电容。所述第十电阻为精密电阻，所述第十一电阻为热敏电阻。
所述PCB电路板上电路还包含基准调节开关，其与MCU连接，用于实现检测基准校准模式与检测工作模式的切换；闭合基准调节开关，MCU将重新采样液位感应电容的感应值，并将此值存储在可擦写存储器中，设置为新的检测基准。
所述感应板与PCB电路板分隔放置，所述感应板与PCB电路板的分隔空间内填充绝缘材料。
所述感应板也可直接布置在PCB电路板上。
所述MCU，采用集成电路芯片IC，其中集成功能电路包括第一比较器、第二比较器、振荡器、定时器、运算器、模/数转换电路，
所述第一比较器、第二比较器、振荡器、模/数转换电路，用于将所述液位感应电路测量到的信号转换成频率信号；
所述定时器，用于形成检测周期的固定时基；
所述运算器，用于处理测量信号、温度检测信号、基准信号后，输出检测结果信号。
所述第一分压电路，用于实现第一比较器阈值的设定。
所述第二分压电路，用于实现第二比较器阈值的设定。
所述第一分压电路包含第三电阻、第四电阻，所述第三电阻与第四电阻串联连接，第三电阻端连接输入电路，第四电阻端接地，第三电阻与第四电阻之间的支点连接第一比较器的正向输入端；所述第二分压电路包含第五电阻、第六电阻，所述第五电阻与第六电阻串联连接，第五电阻端连接电量输入端，第六电阻端接地，第五电阻与第六电阻之间的支点连接第二比较器的正向输入端。
所述电容感应式液位传感器还包含外壳。
相对于现有技术，本发明电容感应式液位传感器实现
1、检测过程中意外断电后，克服了再通电时进入检测状态时的检测失误，且电路工作状态准确可靠，大大提高检测电路工作的稳定可靠性；
2、检测容器的材质、厚度发生变化时，检测基准可调，方便快捷地实现了检测基准的校准；
3、降低了温度变化对检测范围及精度的影响；
4、安装简单方便，无需顾虑安放位置与周边设施的间距、隔离等方面的限制条件；
5、检测范围宽，可实现30mm及以下玻璃、陶瓷等材质容器中水或其他液体的液位检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行进一步详细说明，其中：
图1为本发明电容感应式液位传感器的结构示意图。
图2为本发明电容感应式液位传感器的电路原理框图。
图3为本发明电容感应式液位传感器的电路原理图。
图4为本发明电容感应式液位传感器的检测示意图
图5为本发明电容感应式液位传感器的PCB电路板上感应板的结构示意图。
图6为本发明电容感应式液位传感器的PCB电路板上感应板的另一结构示意图。
图7为本发明电容感应式液位传感器的温度检测电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述的电容感应式液位传感器进一步加以阐述。
如图1所示，一种电容感应式液位传感器包括PCB电路板21、感应板22和外盒23，其中，PCB电路板21为带元器件构成电路的印刷电路板，感应板22为铜箔，但实际实施中，也可以采用铁箔或其它金属箔片来取代，以实现相同或相似功能，并不以此为限；外盒23采用塑料材质，但实际实施例中也可采用其他材料来取代，以实现相同或相似功能，并不以此为限；PCB电路板21和感应板22放置于外盒23中，感应板22与PCB电路板21除导线电气连接外，在结构上与PCB电路板21分隔放置，并在分隔空间内填充绝缘材料，以减少PCB电路板21上电路对感应板22的电场干扰。
如图2和图3所示，PCB电路板21上电路包含输入电路201、温度检测电路202、液位感应电路203、基准调节开关204、可擦写存储器205、MCU206、第一分压电路207、第二分压电路208、输出电路209，其中，
输入电路201为电量输入端IN，本实施例中的输入电量为+5VDC，但实际实施中，也可以采用其他电量，以实现相同或相似功能，并不以此为限；
温度检测电路202，是模/数转换口电路，包括第一电阻R1和热敏电阻RT，所述第一电阻R1和热敏电阻RT串联连接，第一电阻R1一端连接输入端IN，热敏电阻RT一端接地，第一电阻R1和热敏电阻RT中间的支点301连接MCU中的模/数转换电路A/D；
基准调节开关K1一端连接运算器M4，其另一端接地，用于实现检测基准校准模式与检测工作模式的切换；
可擦写存储器为EPROM，接于运算器M4上，用于存储新基准的采样值，并于检测模式下提供此基准值的读取，在本实施例中，可擦写存储器EPROM采用集成电路芯片IC，MCU，是单片微型计算机的英文简称，又称单片机，其内部集成模块包括第一比较器M1、第二比较器M2、振荡器M3、定时器T、运算器M4、反馈电阻R7、模/数转换电路，在本实施例中，MCU采用集成电路芯片IC，也可以采用其他封装形式的电子器件，以实现相同或相似功能，并不以此为限；
所述第一比较器M1和第二比较器M2的反向输入端经液位感应式电容C1接地；
所述振荡器M3为RS触发器，其包含S端、R端、输出端，所述S端连接第一比较器M1的输出端，所述R端连接第二比较器M2的输出端，所述输出端连接定时器T；所述定时器T连接运算器M4；
所述反馈电阻R7一端接第一比较器M1和第二比较器M2的反向输入端，反馈电阻R7另一端连接所述振荡器M3的输出端；
所述模/数转换电路为一模/数转换器A/D，其具有输入端和输出端，所述输入端连接第一电阻R1和热敏电阻RT之间的支点301上，所述输出端接运算器M4；
所述运算器M4的输出端连接输出电路209的电阻R8；
所述第一分压电路207包含第三电阻R3、第四电阻R4，所述第三电阻R 3与第四电阻R4串联连接后，第三电阻R 3端连接输入端IN，第四电阻R4端接地，第三电阻R3与第四电阻R4之间的支点302连接第一比较器M1的正向输入端，实现第一比较器M1阈值的设定。
第二分压电路208包含第五电阻R5、第六电阻R6，所述第五电阻R5与第六电阻R6串联连接，第五电阻R5端连接输入端IN，第六电阻R6端接地，第五电阻R5与第六电阻R6之间的支点303连接第二比较器M2的正向输入端，实现第二比较器M2阈值的设定。
所述输出电路209包括电阻R8、电阻R9、晶体管Q1、输出端OUT，其中，晶体管Q1具有基极、集电极、发射极，其基极接电阻R8，其集电极接电阻R9，其发射极接地，电阻R8另一端接运算器M4，电阻R9另一端接输出端OUT；
请参阅图1至图4所示，本发明电容式液位传感器的工作原理是，由于水或其他液体与空气的介电常数的不同，通过液位感应电容C1感应形成于感应板22与容器221-介质-地之间的电容量的不相同，输出第一检测状态信号和第二检测状态信号。在本实施例中所检测的容器材质是塑料，同理，在其他实施例中，容器的材质也可以是与空气不同介电常数的其他材质，同样也能实现相同或相近的功能，不以此为限。在本实施例中所检测的介质为水，同理，在其他实施例中，容器中的检测介质还可以是介电常数不同于空气的其他液体，同样也能实现对此液体的液位检测，不以此为限。
在每个液位传感器制成后，初次使用时，将安装于液位线检测区间的电容感应式液位传感器的感应板22中心靠近被检测液位线，按下校准按键24，接通基准调节开关K1，液位感应电容C1感应形成于感应板22与容器221-介质-地之间的电容量，并将其输入到第一比较器M1和第二比较器M2后，经振荡器M3将频率信号传递到运算器M4中，采样一个周期值，周期的时长由定时器T提供，并将采样数据存储在可擦写存储器EPROM中，作为新的液位基准值，实现基准值的设置。其他实施例中，电容感应式液位传感器与检测液位的对准线也可是其他或指定位置，并不以此为限。
进行液位检测时，当容器221中无水时，通过液位感应电容C1感应形成于感应板22与容器221-空气-地之间的电容量，此感应信号输入第一比较器M1和第二比较器M2后，经振荡器M3产生频率信号并传递到运算器M4中，进行运算后输出第一状态信号，经输出电路输出。当容器221中有水时，液位感应电容C1感应形成于感应板22与容器221-水220-地之间的电容量，由于水220的介电常数大于空气，液位感应电容C1感应到的电容值比容器空时大，振荡周期变长，此感应信号输入第一比较器M1和第二比较器M2后，经振荡器M3产生频率信号并传递到运算器M4中，进行运算后输出第二状态信号，经输出电路输出。从而，实现容器内有无水的检测。
在本发明的电路中，增设了温度自动检测电路202，该温度检测电路202通过热敏电阻RT和第一电阻R1及模/数转换器A/D输入组成，每次测量时，热敏电阻RT上被检测到的电压数值通过模/数转换器A/D变为电阻数值输入MCU内，转换为当时的温度条件下的电阻值，通过MCU进行补偿运算处理为当时的温度值后，再由MCU调节输出液位状态检测值信号，以降低温度变化引起的基准漂移及变化，提高液位传感器检测的稳定性。经温度补偿后，液位传感器在0℃～70℃范围内测量的数据稳定，且不会超出被检测的范围。
当检测的容器材质、壁厚发生改变，需调整检测基准时，将安装于液位线规定区间的电容感应式液位传感器靠近被检测液位线的中心或指定位置，按下校准按键24，接通基准调节开关K1，液位感应电容C1感应形成于感应板22与容器221-介质-地之间的电容量，并将其输入到第一比较器M1和第二比较器M2后，经振荡器M3将频率信号传递到运算器M4中，采样一个周期值，周期的时长由定时器T提供，并将采样数据存储在可擦写存储器EPROM中，作为新的液位基准值，实现了对不同材质、壁厚容器进行检测时的基准值的重新设置。经实验测试，在使用与目前液位传感器中相同电子器件制成的本发明所述的电容感应式液位传感器进行测试时，可实现0～30mm左右厚度容器中的液位检测。
同时，由于使用了可擦写存储器EPROM，当检测过程中发生意外断电时，在每个测量取样周期中进行比较判定的基准是读取于可擦写存储器EPROM中的记录值，即基准值为一常量，被检测值与基准值比较时，判断逻辑关系明确，从而解决了断电再通电后检测失误的情况，实现检测电路的高稳定可靠性要求。
如图5、图6所示，在其它实施方式中，感应板22也可直接布置在PCB电路板21上，即可根据PCB电路板放置位置的需要，将感应板22设计于PCB电路板21的元件面同面的一侧或背面。
如图7所示，在其它实施方式中，温度检测电路202可采用I/O口电路实现，其包含MCU上的I/O端口、电阻和电容，其中，占用MCU上的I/O端口数量为三个，分别是第一I/O端口P1、第二I/O端口P2和第三I/O端口P3，在其他实施例中，也可采用其他数量的端口通过简单组合以实现相同或相似的功能，并不以此为限，所述电阻数量也为三个，分别是第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12，第十电阻R10为精密电阻，第十一电阻R11为热敏电阻，在其他实施例中，也可采用其他数量的电阻通过简单串、并联以实现相同或相似的功能，并不以此为限，所述电容为第二电容C2，第十电阻R10接第一I/O端口P1，第十电阻R10另一端经第二电容C2接地，第十一电阻R11接第二I/O端口P2，第十一电阻R11另一端经第二电容C2接地，第十二电阻R12接第三I/O端口P3，第十二电阻R12另一端经第二电容C2接地。其工作原理是，
首先将第一I/O端口P1、第二I/O端口P2、第三I/O端口P3都设为低电平输出，使第二电容C2放电至放完。
第二步，将第一I/O端口P1设为高电平输出，第二I/O端口P2、第三I/O端口P3设置为输入状态，MCU内部定时器T清零并开始计时，通过第十电阻R10对第二电容C2进行充电，检测第三I/O端口P3的状态，当第三I/O端口P3检测为高电平时，即第二电容C2上的电压达到MCU高电平输入的门嵌电压时，MCU记录下从开始充电到第三I/O端口P3转变为高电平的时间t1；
第三步，将第一I/O端口P1、第二I/O端口P2、第三I/O端口P3都设为低电平输出，使第二电容C2放电至放完；
第四步，将第一I/O端口P1、第三I/O端口P3设置为输入状态，第二I/O端口P2设为高电平输出，MCU内部定时器T清零并开始计时，通过第十电阻R10对第二电容C2进行充电，检测第三I/O端口P3的状态，当第三I/O端口P3检测为高电平时，即第二电容C2上的电压达到MCU高电平输入的门嵌电压时，MCU记录下从开始充电到第三I/O端口P3转变为高电平的时间t2；
根据公式T1/RK＝T2/RT，即RT＝T2×RK/T1，通过MCU计算得到第十一电阻R11的阻值，并通过查表法可以得到温度值，从而实现较高精度的温度检测。从上述公式可知，温度检测电路202的误差仅与MCU的定时器精度、第十电阻R10和第十一电阻R11的精度有关，而与MCU的输出电压值、门嵌电压值、电容精度无关，因此，只要适当选取第十电阻R10和第十一电阻R11的精度，MCU的工作频率够高，就可以得到较好的温度检测精度。如，当MCU选用4M工作频率，第十电阻R10和第十一电阻R11均为1％精度的电阻时，温度误差可以做到小于1℃。
所述第三I/O端口P3具有外部上升沿中断的功能，则程序可以更简单，效果更好，检测精度更高。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1、一种电容感应式液位传感器，其包括PCB电路板和感应板，所述PCB电路板上电路包含输入电路、MCU、液位感应电路、输出电路，其中，电量经输入电路接入MCU，液位感应电路接入MCU，将感应到的液位信号输入MCU，MCU对液位信号进行运算处理并将结果传输至输出电路，其特征在于，所述PCB电路板上电路还包含：
温度检测电路，其与所述MCU连接，用于将温度检测值输入MCU，提供MCU进行温度补偿运算的采样值；
可擦写存储器，其与所述MCU连接，用于存储液位检测新基准的采样值，并于检测模式下提供所述MCU对此基准值的读取；
电路通电后，液位感应电路感应形成于容器和介质之间的电容量，并将此值输入MCU进行运算，同时MCU得到温度检测电路提供的采样值，对液位感应电路的感应值进行温度补偿运算后，MCU读取可擦写存储器中的基准值与之进行运算，并将运算结果信号输出至输出电路。
2、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述温度检测电路是模/数转换口电路，所述模/数转换口电路包括第一电阻和热敏电阻，所述第一电阻和热敏电阻串联连接，第一电阻一端连接输入电路，热敏电阻一端接地，第一电阻和热敏电阻中间的支点连接MCU。
3、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述温度检测电路，是I/O口电路，所述I/O口电路包括MCU上的I/O端口、电阻和第二电容，其中，所述I/O端口数量为三个，分别是第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口，所述电阻数量为三个，分别是第十电阻、第十一电阻、第十二电阻，所述第十电阻、第十一电阻、第十二电阻的一端分别与第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口连接，所述第十电阻、第十一电阻、第十二电阻的另一端分别连接第二电容。
4、根据权利要求3所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述第十电阻为精密电阻，所述第十一电阻为热敏电阻。
5、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述PCB电路板上电路还包含基准调节开关，其与MCU连接，用于实现检测基准校准模式与检测工作模式的切换；闭合基准调节开关，MCU将重新采样液位感应电容的感应值，并将此值存储在可擦写存储器中，设置为新的检测基准。
6、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述感应板与PCB电路板分隔放置，或布置于PCB电路板上。
7、根据权利要求6所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述感应板与PCB电路板的分隔空间内填充绝缘材料。
8、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述MCU采用集成电路芯片IC，其中集成功能电路包括第一比较器、第二比较器、振荡器、定时器、运算器、模/数转换电路，
所述第一比较器、第二比较器、反馈电阻、振荡器、模/数转换电路，用于将所述液位感应电路测量到的信号转换成频率信号；
所述定时器，用于形成检测周期的固定时基；
所述运算器，用于处理测量信号、温度检测信号、基准信号后，输出检测结果信号。
9、根据权利要求1所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述PCB电路板上电路还包括第一分压电路和第二分压电路，
所述第一分压电路，用于实现第一比较器阈值的设定；
所述第二分压电路，用于实现第二比较器阈值的设定。
10、根据权利要求10所述的电容感应式液位传感器，其特征在于，所述第一分压电路包含第三电阻、第四电阻，所述第三电阻与第四电阻串联连接，第三电阻端连接输入电路，第四电阻端接地，第三电阻与第四电阻之间的支点连接第一比较器的正向输入端；所述第二分压电路包含第五电阻、第六电阻，所述第五电阻与第六电阻串联连接，第五电阻端连接电量输入端，第六电阻端接地，第五电阻与第六电阻之间的支点连接第二比较器的正向输入端。
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