CN102200463A - 一种基于阻抗测量的液位线性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗测量的液位线性测量方法，它包括以下步骤：用测量电极测量液体阻抗，并引入一组参考电极，利用液体阻抗与平行或同轴的测量电极浸入液体的深度呈反比的关系，通过参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除，一方面得到最终的测量电极输出的液体阻抗与液体的液体深度相关，与液体的成分无关，另一方面，即原先测得液体阻抗与测量电极浸入的液体深度的倒数数学关系转换为测量电极浸入液体深度和最终输出信号间的线性关系，此线性关系为输出信号大小与液位线性相关而与液体成分和性状无关。

Description

一种基于阻抗测量的液位线性测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于阻抗测量的液位线性测量方法。属于传感测量技术领域。

背景技术

目前液位测量在日常生活和工业生产中得到了广泛的应用，如水箱和水塔中的水位，下管道管网和化工等工业生产液体反应池中的液位以及，机动车油箱油量的液位测量。但是现在的液位测量有以下几种：(1)超声测距：在水体上方固定超声发射和接收装置，使用超声波测量液面距离变化，得到水位，这种方法成本较高，且需要安装环境较宽敞；(2)压力传感：根据液体深度变化导致压力变化的原理，在水底放置压力传感器，根据压力的变化计算出水位，这种方法对水质要求较高，如有泥沙或水垢沉淀容易失准甚至损坏，此外，由于一般安装在水箱底，对密封性有一定要求；(3)浮子/浮球式：浮子式在机动车油箱中有广泛应用，原理类似滑动电阻器，通过浮子上下浮动改变电阻；浮球式则是利用浮球的上下浮动做机械开关，每个浮球可标定一个水位，这种方法属于机械测量方法，浮子式的接触式碳膜会随使用时间而磨损，且不适用于水等导电液体，浮球式的机械开关对制作工艺有一定要求，且结构复杂，测量点数受到一定限制；(4)电容传感：利用水(液体)作为两电极之间的介质，液面升降导致电容变化，通过阻容振荡等方法检测电容的变化即可检测水位变化，这种方法对水质要求也较高，受泥沙和水垢的堵塞影响较大。(5)直流电极式：在绝缘直立支撑结构(如橡胶、环氧、塑料棒等)上每隔一定距离安装一个电极，当水漫过电极时，相当于将该电极接地，从而可以短接测量电路电阻串中的一部分，改变电阻串的总电阻，进而通过阻容振荡等其他方法检测电阻串阻值变化得知水位变化，这种方法结构简单，成本低廉，目前在太阳能热水器水箱传感器中得以广泛使用，但一旦电极表面结上少量水垢，增大接触电阻，就会失效。由于热水箱结水垢较快，因而故障率较高。

发明内容

本发明提供了一种基于阻抗测量的液位线性测量方法，它不但成本低廉、性能可靠、准确度高，实现水位线性连续测量，而且提高水位传感器的适应性和使用寿命，增强实用性，同时在实现高适应性和高寿命的同时，尽可能少的增加工艺复杂度和制造成本，且易于安装使用。

本发明采用了以下技术方案：一种基于阻抗测量的液位线性测量方法，它包括以下步骤：用测量电极测量液体阻抗，并引入一组参考电极，利用液体阻抗与平行或同轴的测量电极浸入液体的深度呈反比的关系，通过参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除，一方面得到最终的测量电极输出的液体阻抗与液体的液体深度相关，与液体的成分无关，另一方面，即原先测得液体阻抗与测量电极浸入的液体深度的倒数数学关系转换为测量电极浸入液体深度和最终输出信号间的线性关系，此线性关系为输出信号大小与液位线性相关而与液体成分和性状无关。

所述的参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除的数学运算采用同、反相放大器或经过AD采集后通过MCU、DSP数字芯片进行计算。所述的为了达到液体阻抗精确测量的目的，对测量电极需施加施加交流激励信号。

本发明具有以下有益效果：本发明是基于液体阻抗测量的线性液位测量方法具有对环境变化的高适应性，受泥沙，水垢，高矿物含量，温度变化、杂质含量等水质变化的适应性好，在不同水质下测量结果影响很小，实用程度高，性能优良，使用寿命长。本发明的成本低，实现水位的线性测量，测量精度较高，具有广阔市场前景。本发明消除由于液体成分、杂质浓度、温度、体积分布对测量结果的影响，解决了实际应用中由于水体杂质、温度变化引起液体阻抗变化而无法测量的难题。这一问题在太阳能热水器、、电热水器、水塔、楼宇水箱等水质成分不稳定的应用中有重要的实用价值。本发明的测量电极的输出信号大小与液位线性相关而与液体成分和性状无关，大大简化了输出信号采集、转换、处理、表达的难度，简化了对电极制作工艺的要求和输出信号处理的难度，进一步降低了系统的复杂度和制造成本，保证了不同成分液体测量结果的一致性。本发明将输出结果由原先的倒数关系转换成线性比例关系，简化了后端运算处理复杂度，提高了测量精度。本发明对测量电极需施加施加交流激励信号(包括一定频率的正弦交流信号，直流分量为零的方波、三角波、锯齿波等信号。在不严格要求的情况下，含有一定直流分量的正弦、方波、三角波、锯齿波信号也可以进行测量)，以消除液体电离产生的电平漂移，带来测量失准的问题；并避免施加直流电场造成液体中的离子定向运动，明显加速电极的腐蚀，及在含矿物离子的液体中造成加速结垢；同时可以由交流信号测量液体阻抗的电容分量，从而实现对油料等不良导体的液位测量。本发明从物理模型和原理上讲，是对电极周围液体的分布阻抗进行测量，因此表面结垢对测量结果的影响十分轻微，不影响其实用性，具有较强的抗水垢能力，提高了传感器使用寿命。本发明的连续水位测量传感器能够在电极表面水垢全覆盖的情况下正常工作，其抗垢性能大大延长了当前热水箱水位传感器的使用寿命，大大降低了传感器的报废率，为国家和社会节约了大量资源和人力物力，符合当今世界环保、节能和低碳的可持续发展趋势。本发明的测量技术对工艺要求较低，具有机械结构简单，利于大规模生产和成本的控制的优点，具有较强的市场竞争力。测量技术的核心通过运算电路和算法实现，有利于技术的集成化、数字化和IC封装，也符合当今科技的信息化潮流。

附图说明

图1为同轴的测量电极测量的示意图

图2为平行的测量电极测量的示意图

图3融合了测量电极和参考电极的线性液位传感器探头结构示意图

图4传感器探头及处理电路连线示意图

具体实施方式

本发明公开了一种基于阻抗测量的液位线性测量方法，它包括以下步骤：用测量电极测量液体阻抗，并引入一组参考电极，利用液体阻抗与平行或同轴的测量电极浸入液体的深度呈反比的关系，通过参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除，参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除的数学运算采用同、反相放大器或经过AD采集后通过MCU、DSP数字芯片进行计算，一方面得到最终的测量电极输出的液体阻抗与液体的液体深度相关，与液体的成分无关，另一方面，即原先测得液体阻抗与测量电极浸入的液体深度的倒数数学关系转换为测量电极浸入液体深度和最终输出信号间的线性关系，此线性关系为输出信号大小与液位线性相关而与液体成分和性状无关，为了达到液体阻抗精确测量的目的，对测量电极需施加施加交流激励信号。

下面通过实施例进一步说明

1.建立液体阻抗测量值与液位间的数学关系

本发明是基于液体的阻抗模型。我们首先根据实验的结果对液体的阻抗分布进行建模。以纯水的电阻测量为例，在平行板电导池两电极板间充满纯水，两电极板有效距离为L(cm)，空间截面积为A(cm²)，某温度下水的电阻率ρ(Ω·cm)

根据理论分析和实际测量，则两电极间水的电阻符合以下表达式：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{A}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(1\right)$

由表达式(1)可知，水电阻与电极板之间的距离成正比，与电极和水接触的截面积成反比。

在实际测量应用中，为了制造和使用方便，可采用同轴式和平行开放式两种电极，在图1中被测液体中电流方向为沿横截面的圆轴线方向，在图2中被测液体中电流方向沿横截面分布。虽然为开放式，但两电极棒(平行电极板)之间和附近的液体阻值较小，对测量结果的影响最大，只要水箱(水池)体积较大，即使水箱(水池)形状不规则，对结果的影响也较轻微。而且由于采用开放式结构，相对不易堵塞和结水垢。

对以上这两种形式的电极，等效的截面积均与电极浸入液体的深度x(cm)成正比，因此有：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{a\·x}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(2\right)$

由此，我们建立了水位与水电阻之间的数学关系。关于测量的实现，将在下面进一步讨论。

对于油料等电不良导体，由于电阻值非常大，我们采用这种方法测量，主要表现的是液体的电抗(电容)分量，但阻抗与液位的反比关系仍然是存在的。

因此表达式可以统一并简化为：

$Z=\frac{k}{x}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(3\right)$

其中，k(Ω·cm)对特定液体、特定的测量电极为常数。

由于测量的物理量是液体本身在电极周围的体分布阻抗，因此受环境中的泥沙、水垢的影响较小。

2.采用交流测量激励信号

首先说明，在本发明中提到的交流信号包括一定频率的正弦交流信号，直流分量为零的方波、三角波、锯齿波等信号。在不严格要求的情况下，含有一定直流分量的正弦、方波、三角波、锯齿波信号也可以进行测量，虽然存在一定弊端，但经过电路处理后对测量结果的影响不大。

选择交流测量激励信号的原因如下：

(1)对水进行测量时，若施加直流信号，会造成水的电离，从而导致电平漂移，对结果造成误差。

(2)直流电场会造成液体中的离子定向运动，明显加速电极的腐蚀，在水中使用容易造成加速结垢。

(3)对油料等不良导体，通过交流信号才能进行阻抗的测量。

3.利用参考电极和比例运放电路实现液位线性测量

在待测液体中放入两平行、贴近导电体(如金属细棒，导电板等)，采用交流信号对水体阻抗进行测量。通过AD转换到MCU进行运算或引入运算电路的方法，即可得出水位的变化。由表达式(3)可知，液体阻抗与液位成反比。然而，在液体成分、杂质、温度、体积分布、电极尺寸形状等变化时，k将发生较大变化，计算或电路输出值需对不同的环境进行校正。比较实用的一种方法是，引入一组参考电极，始终浸润在待测液体中。其等效液位为x₀，则有

$Z_0=\frac{k}{x_0}---\left(4\right)$

将(4)÷(3)得

$\frac{x}{x_0}=\frac{Z_0}{Z}---\left(5\right)$

从表达式5可知，我们通过两者的阻抗之比即可得到液位之比，由于参考电极等效液位是固定不变的，从而就可以得知当前液位。

实际应用中，该除法运算既可以由MCU、DSP等芯片计算完成，也可以由运算电路完成。一种简便高效的实现方法为采用同相比例放大、反相比例放大电路，将对应电极接入比例运放电路的相应位置，令参考电极和测量电极之间的液体电阻(阻抗)构成电路相除即可。

以图3所示的传感器探头为例，该传感器包括液位检测电极1、公共电极、参考电极2和测量转换单元3，液位检测电极1、公共电极、参考电极2相互平行，液位检测电极1、公共电极、参考电极2的一端设有绝缘底座13，所述的绝缘底座13为橡胶、塑料或四氟乙烯，液位检测电极1、公共电极、参考电极2嵌入绝缘底座13内，在液位检测电极1、公共电极、参考电极2的另一端设有电极支架4，液位检测电极1、公共电极、参考电极2都穿入电极支架4内，公共电极包括外管5和测温元件6，公共电极的外管5为金属管，测温元件6为热敏电阻，测温元件6位于外管5内，液位检测电极1、测温元件6、外管5和参考电极2一端的连接有输出引线，液位检测电极1的输出引线7、测温元件6的输出引线8、外管5的输出引线9和参考电极2的输出引线10依次穿过电极支架4、引线套11后分别与测量转换单元3的各输入端口连接，液位检测电极1的上部暴露在外部，液位检测电极1的下部套有绝缘套I 14，液位检测电极1为金属棒，在液位检测电极1上套有的绝缘套I 14为橡胶、塑料或四氟乙烯，液位检测电极1上部的长度大于液位检测电极1下部的长度，参考电极2的上部套有绝缘套II 15，参考电极2为金属棒，在参考电极2上部套有的绝缘套II 15为橡胶、塑料或四氟乙烯，参考电极2的下部暴露在外部，参考电极2上部的长度大于参考电极2下部的长度，液位检测电极1上部裸露部分的长度与参考电极2上部的绝缘套II 15的长度相同，液位检测电极1下部的绝缘套I 14长度与参考电极2下部裸露部分长度相同，电极支架4下方设有限位保护电极16，限位保护电极16的一端嵌入电极支架4内，限位保护电极16的输出引线12依次穿过电极支架4和引线套11与测量转换单元3的输入端口连接，测量转换单元3将液位检测电极1和公共电极间的液体阻抗Z₁、公共电极和参考电极间的液体阻抗Z₂，两者通过AD采集信号给MCU计算或同、反相比例放大器的运算电路等方式相除，将液位变化转化为相应线性变化的信号输出。

结合运放构成的比例放大电路，构成一个简单实用的测量系统。将图3所示的传感器探头的电极A连接至运放反向输入端，电极B连接至输出端，电极G接测量电路地线，构成图4所示电路结构。

图4所示测量系统，巧妙地利用比例放大运算电路结构，不仅构成了技术方案3中所述的阻抗相除的运算电路结构，还将原先测量和基准两组共4个电极简化为3个电极，简化了探头结构。由公式(5)可知，若在运放输入端施加激励信号，则运放输出端的信号放大倍数和测量电极浸入液体中的深度成线性关系，从而可以测得液位。图4所描述的测量系统构成了液位传感器的核心部分，在实际应用中，还需要有前端和后端的信号处理电路来构成完整的测量系统，例如激励信号产生、输出信号处理、采集等等。本发明所述的液位测量方法还可以由简单分压、电桥等电路分别测得参考电极和测量电极的阻抗，再经MCU、DSP等通过软件算法相除，由公式(5)可知，其结果也是与液位变化呈线性关系的。

本发明所述液位测量方法，主要依赖于测量物理模型构建和信号运算，具体电极结构和电路结构实现有多种方法，并不局限于以上提到的两种。对于信号的处理，我们既可以采用AD采集、MCU处理的模式，也可以采用纯硬件电路实现，或者根据需要综合使用这两种方法。未来为了大规模应用，还可以考虑制作专用IC，以实现更低的成本和可靠性。

Claims (3)

1.一种基于阻抗测量的液位线性测量方法，它包括以下步骤：用测量电极测量液体阻抗，并引入一组参考电极，利用液体阻抗与平行或同轴的测量电极浸入液体的深度呈反比的关系，通过参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除，一方面得到最终的测量电极输出的液体阻抗与液体的液体深度相关，与液体的成分无关，另一方面，即原先测得液体阻抗与测量电极浸入的液体深度的倒数数学关系转换为测量电极浸入液体深度和最终输出信号间的线性关系，此线性关系为输出信号大小与液位线性相关而与液体成分和性状无关。

2.根据权利要求1所述的基于阻抗测量的液位线性测量方法，其特征是所述的参考电极测得的阻抗与测量电极测得的液体阻抗相除的数学运算采用同、反相放大器或经过AD采集后通过MCU、DSP数字芯片进行计算。

3.根据权利要求1所述的基于阻抗测量的液位线性测量方法，其特征是所述的为了达到液体阻抗精确测量的目的，对测量电极需施加施加交流激励信号。

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