CN102589647A - 用于测量容器中的液位的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于精确测量容器中的液位的测量装置以及使用该测量装置的系统。

Description

用于测量容器中的液位的装置

技术领域

本发明大体上属于液位测量领域，并涉及一种用于精确测量容器中的液位的测量装置及使用该测量装置的系统。

背景技术

流体或液体液位监控对于多种应用场合是关键的。总的来说，液位应用场合包括需要在选定点处检测液体存在与否的应用场合，以及需要测量容器中的实际液位(深度或高度)的应用场合。这些技术基于使用液位传感器来指示罐或容器内的液位。液位传感器利用各种类型的机构，尤其包括声学、光学、光电、电阻、电容机构。光学、光电以及声学类型的传感器对于某些应用场合来说过于昂贵。

最常用的液位传感器为可变电阻器传感器(利用浮标产生可变电阻器的电阻变化)和电容液位传感器(其包括适于完全浸入液体中的参考电容器，以及测量电容器)。然而，这些传感器对于环境变化过于敏感。

发明内容

本发明提供一种能够利用相对简单且廉价的设备精确测量容器中的液位的新技术，该设备可容易地用于各种类型的容器和环境条件。

本发明基于电容传感器的一般原理，即电容的变化由电容器极板附近的介质中的变化引起。液体液位的变化改变电容器附近的介质，由此引起电容的变化。

然而，与电容传感器的传统方式相反，不是测量电容的直接变化，而是采用两个或多个功能电容器，其中每一个功能电容器受液位变化的不同影响，并且随后通过测定两个或多个电容器之间电容的差别变化来测定液位。

本发明的测量装置由此包括本发明新的基于电容的液位传感器，所述液位传感器具有预定数目的基本块(一个或多个基本块)，每一个所述基本块限定至少一对电容器，且在所述至少一对电容器之间具有预定的电容关系。这种关系可为沿着所述基本块的电容之间比值的预定分布曲线(即差别变化的分布曲线)。在该情形中，使用一个基本块可能足够。可替换地或另外地，这种关系可为相邻块之间的电容的差值(变化)，在该情形中，优选使用至少两个基本块。

如果本发明的这种基于电容的传感器投入运行、即被暴露于液体介质中，(例如位于包含液体的环境附近)，则影响所述关系的变化的唯一因素为基本块附近的液位变化。

本发明的液位测量系统包括测量装置和控制单元。所述控制单元实际上为电子电路(芯片)，所述电子电路尤其具有用于存储特定参考数据(校准数据)的存储器工具，以及被预编程以用于(利用校准数据)分析来自测量装置的测量数据和用于提供指示容器中的液体状况的输出数据的处理器工具。

通常，要被测定的液体状况可以仅是在测量装置的特定基本块附近有无液体。然而优选地，测量装置被构造成测定指示容器中实际液位的液体状况。

本发明的测量装置被构造成用于紧紧附接到或放置到容器的外部表面，且装置的电输出端根据可能的情况经由导线或无线信号传输(IR，RF，声学等等)可连接到控制单元。测量装置实际上可以实施为附着/附接到容器壁的外部表面上的柔性或刚性标签。优选地，测量装置和控制单元实施为整体结构。

本发明的基于电容的传感器、以及优选整个测量装置包括或被构造成具有纵向轴线的细长尺状结构，以使得当传感器被放置在容器壁上时，纵向轴线沿着容器中液位的总体变化的轴线延伸。尺结构载有电极布置，所述电极布置沿着所述轴线延伸并由至少一个电极单元和附加电极形成。电极单元的电极与附加电极一起限定形成测量装置的基本块的至少一对电容器。

优选地，提供基本块的阵列，所述阵列沿着所述轴线设置。通常说来，可以通过提供基本块阵列来实现沿着测量装置(细长结构)排列位置。该构造使得电极单元(电容单元)和附加电极(或者对所有单元来说共用的附加电极的各个段，如将在下面进一步描述)之间的关系对于所有基本块是相等的。更具体地，基本块具有相同的构造，例如具有与附加电极等距的的相同电极对。

在下文的描述中，该至少一对电极有时被称作“电容单元”。然而应当理解的是，电容器实际上由这种单元的其中一个电极和相应的附加电极或附加电极相应的段/部分所形成，如从下文的描述中显而易见的。

在一些实施例中，附加电极沿着电容单元延伸，例如限定在单元的相对侧延伸的两个部分。在电容单元阵列的情形中，附加电极对所有单元共用。该附加电极可被构造成围绕电容单元阵列的闭环框架、或者被构造成包封在两个条带之间的单元阵列的两条带元件。由此，通过提供单元阵列和/或将附加电极分成段来实现沿着测量装置排列位置。

在一些其他实施例中，基本块包括电容单元及其自身的附加电极。由此，在基本块阵列的情形中，所述基本块沿着容器中液位变化的方向布置，且单元内所述预定关系的变化指示所述单元位置处的液体状况的变化，而相邻单元的关系值的差指示实际的液位。

由此，总的来说，根据本发明，每个基本块包括至少一对第一和第二电容器，所述至少一对第一和第二电容器由第一和第二电极/板以及共用附加电极形成。

如上所示，附加电极也可对所有块共用。在该情形中，基本块的第一和第二板与所述附加电极的第一和第二段分别形成第一和第二电容器，所述板与所述附加电极对齐。而且，单元的第一和第二电极板具有不同的几何形状，以使得在沿着尺的所述轴线的方向上，第一板的表面积增加而第二板的表面积减少。例如，单元的第一和第二板可以为长方形的位于长方形对角线的相对端部处的两个三角形或梯形部分。单元的第一和第二板的表面积之间的比值根据特定已知的分布曲线变化。利用单元的第一和第二板的这种非对称几何形状，对于横跨单元的给定平面(构成容器中的液面)来说，第一板与附加电极的相应段之间的第一重叠面积和第二板与其附加电极的相应段之间的第二重叠面积不同。当以沿着尺的轴线的方向穿过单元移动所述平面(即对应于液位的变化)时，第一和第二面积分别正向及负向变化，反之亦然，由此产生由于单元的第一和第二板的不同几何形状而沿着所述轴线变化的电容值之间的比值的分布曲线。已知有描述在沿着单元的这种移动期间第一和第二面积之间比值变化的参考分布曲线(即当尺从容器中的液体介质屏蔽时)。考虑到相同基本块的阵列的使用，参考分布曲线从块到块重复，且所有的块被暴露于容器外部的相同环境状况。

也如上所述，相同基本块中的每一个都可具有其自身的附加电极，所述附加电极对于第一和第二电容器为共用电极。当各个基本块从周围环境屏蔽/防护时，第一和第二电容器具有它们之间已知差值的不同电容值。该差值对所有基本块共用。因此，当这种基本块阵列沿着液位变化的方向对齐时，相邻基本块的“电容差值”之间的差相应于容器中的液位。

当测量装置投入运行时、即被放置在容器壁上时，能够影响基本块内或阵列基本块之间电容的预定关系的变化的唯一因素是与容器中的液位的变化相关联的因素，即电容器板之间介质的介电常数发生变化。由此，本发明的技术有利地允许消除对于根据电容值的实际测量结果(其本身除对液位的变化敏感外，还对环境状况的变化敏感)测定液位的需要，相反地，本发明的技术允许利用基本块的第一和第二电容器和/或相邻块的第一和第二电容器的电容值之间的关系(例如，比值分布曲线或差值)变化，而所述关系仅仅对于液位的变化敏感。

根据本发明的一个广泛方面，提供一种用于测量装置附近的液位的测量装置，该测量装置包括基于电容的液位传感器，所述液位传感器具有预定数目的预定几何形状的基本块，所述基本块包括至少一对电容器，且所述至少一对电容器在其电容之间具有预定的关系，沿着该装置的所述关系的差别变化指示装置附近的液位状况。

根据本发明的另一个广泛方面，提供一种用于测量装置附近的液位的测量装置，该测量装置包括具有纵向轴线的细长结构，当所述结构投入运行时所述纵向轴线沿着液位变化的大体方向延伸，所述测量装置包括由预定数目的预定几何形状的基本块形成的电极布置，基本块包括至少一个电极单元和附加电极，电极单元包括具有不同几何形状的第一和第二电极，以使得第一和第二电极中的其中一个的表面积沿着所述方向增加，而所述第一和第二电极中的另一个的表面积沿着所述方向减小，从而形成所述第一和第二表面积之间的比值的特定分布曲线，单元的第一和第二电极与所述附加电极形成第一和第二电容器，沿着所述轴线的第一和第二电容的电容值之间的比值的变化位置指示液位。

根据本发明的另一个广泛方面，提供一种用于测量装置附近的液位的测量装置，该测量装置包括具有纵向轴线的细长结构，当所述结构被投入运行时所述纵向轴线沿着液位变化的大体方向延伸，所述测量装置包括：由预定相同几何形状的至少两个基本块形成的电极布置，所述基本块包括由第一和第二电极与附加共用电极形成的至少一对电容器，第一和第二电容器具有不同的电容值，且在所述电容值之间具有预定的已知差值，沿着所述轴线的所述预定差值的位置变化指示液位。

测量装置被构造成并可操作成提供指示在沿着所述轴线的方向上块内和/或块之间的电容之间的关系变化的测量数据，所述关系的变化指示容器中液位的变化。

优选地，测量装置包括以沿着所述纵向轴线间隔开的方式布置的所述基本块的阵列。在对于多个块使用共用附加电极的一些实施例中，附加电极的第一和第二部分沿着阵列的相对侧延伸。

根据本发明的又一个广泛方面，提供一种测量系统，所述测量系统包括上述的测量装置和包括电子电路的控制单元，该电子电路被构造成并可操作成用于分析所述测量数据并产生指示容器中液位的输出数据。

优选地，测量系统是载有测量装置(电极印刷在基底上)和芯片状控制单元的整体基本平坦的结构。

附图的详细描述

为理解本发明以及了解在实践中如何实施本发明，现在参考所附附图，仅仅通过非限制性示例的方式描述实施例，其中：

图1阐释装配有本发明的测量系统的液体容器；

图2阐释适于在图1的系统中使用的本发明的测量单元的构造的具体但非限制性的示例，所述测量单元被构造成测量电容比值分布曲线；

图3更具体地示出在测量单元中使用的根据本发明的用于电容比值分布曲线测量的基本块的示例。

图4A-4B示出适于差值测量的本发明的测量单元(图4A)的构造以及相关基本块(图4B)的构造的另一个非限制性示例；以及

图5示出对于差值测量构造的本发明的测量单元的电路图。

具体实施方式

参考图1，其阐释用于测量容器12中液位的本发明的测量系统10的示例。测量系统10被构造成可附接到容器壁12A的外部表面的平坦细长结构(例如，标签)。平坦结构10载有测量装置14和此处未示出的控制单元(电子电路)。

测量装置14沿着限定纵向轴线16的结构10延伸。当结构10被附接到容器壁12A上时，轴线16基本上与容器12中液位的大体变化方向平行。测量装置14被构造成基于电容的液位传感器并包括预定数量的基本块，例如至少一个基本块，或者优选地，如图中所例示的，包括总体上以B_i标示的特定数目的块的阵列，在本示例中示出四个这种块。每一个基本块由电极单元C和附加电极18形成，如在本示例中所示的，该附加电极为所有基本块/单元共用，并由此为分段的电极。

因此，在本示例中，示出与一个共用电极18相关联的四个电极单元C₁-C₄。以沿着轴线16间隔开的方式布置这些单元。具有一个或多个单元/基本块的这种布置实际上呈现出沿着容器中液位变化的轴线延伸的尺。共用的分段电极18可以是包围单元阵列的框架的形式，或是包封在两个平行条带之间沿着轴线16延伸的单元阵列的两条带元件的形式。

参考图2，其更具体地示出用于比值分布曲线(profile)电容测量的本发明的测量系统10的示例。为便于理解，在所有图中，相同的附图标记用于标识共同的组件。系统10为载有测量装置14和电子电路20的整体平坦结构。在本示例中，测量装置14包括分别具有电极单元C₁-C₆的六个基本块的阵列和在单元阵列的相对侧处限定两个电极部分18A和18B的共用电极18。单元C₁-C₆具有相同的结构，且与共用电极18等距。因此，对于所有块来说，电极18和单元C之间的关系相等。如所示，每个单元与在单元相对侧处的第一和第二电极18A和18B的相应第一和第二段对齐。因此，每个块包括由单元的第一和第二电极与电极18A和18B的相应第一和第二段形成的第一和第二电容器。

图3更具体地阐释构造成用于比值分布曲线电容测量的基本块B_i的构造。该块包括电极单元C，所述电极单元C包括具有不同几何形状的第一和第二导电板P₁和P₂，所述第一和第二导电板P₁和P₂被设计成使得在沿着尺的轴线16的方向D上，第一板P₁的表面积S₁增加而第二板P₂的表面积S₂减小，或者反之亦然。如该示例中所示，第一和第二板P₁和P₂为长方形单元C的在长方形对角线22的相对侧处的两个三角形元件。

该单元的第一和第二板P₁及P₂的该非对称布置提供：对于横跨该单元的特定平面L来说，第一板P₁与电极18A的相应段之间的第一重叠面积和第二板P₂与电极18B的相应段之间的第二重叠面积不同。因此，分别由板P₁与电极18A和板P₂与电极18B形成的第一和第二电容器的电容值不同。因此，相应的第一和第二电容值之间的比值按照特定分布曲线变化。已知对应于尺的稳定状态(与容器中的液体介质屏蔽)的参考分布曲线，即对应于板P₁及P₂的表面积之间的比值分布曲线的参考分布曲线。由于块是相同的，而且共用电极18间的关系对于所有块是相同的，因此，参考分布曲线对于所有块也相同。块内的参考分布曲线从块到块重复。

当容器中的液位沿方向D穿过块从位置L移动到L’时，第一和第二面积之间的比值按照已知的分布曲线变化。因此，影响对于平面L(液位)的一个位置的第一和第二电容值与对于平面的另一个位置L’的第一和第二电容值之间的比值变化的因素，与容器中液位的变化相关联，即与电容器元件之间的介质的介电常数的变化相关联。因此，对应于所检测的比值变化的位置对应于容器中的液位。

参考分布曲线、连同对应于单元和分段电极的布置的数据一起存储在电子电路20的存储器工具中。测量装置连续地或周期地测量所有电极上的电压并产生指示其的测量数据。该数据由电子电路20的处理器工具接收和分析，并计算出液位。计算过程如下：

LeftCap＝LeftCapVal-LeftAmbientCap

RightCap＝RightCapVal-RightAmbientCap

$\mathrm{LeftLevel}=1-\frac{\mathrm{LeftCap}}{\mathrm{LeftCap}+\mathrm{RightCap}}$

$\mathrm{RightLevel}=\frac{\mathrm{RightCap}}{\mathrm{LeftCap}+\mathrm{RightCap}}$

Level[％]＝(RightLevel+LeftLevel).100

其中，LeftCap为由板P₁和电极18A的对应段所形成的第一电容器的测量电容，LeftCapVal为相应电容的实际值，LeftAmbientCap为环境的影响。类似地，RightCap为由板P₂和电极18B的相应段所形成的第二电容器的测量电容，RightCapVal为相应电容的实际值，RightAmbientCap为环境的影响。

如上所示，测量装置可以是平坦结构形式，诸如柔性标签或非柔性标签。由一个或多个基本块形成的电路可被印刷在标签上，每个基本块都包括至少一个电极单元C和附加电极18(例如，对所有单元共用或不共用)。因此，该系统是简单的且可被容易地用于任何容器，而不管可能使用容器的环境如何。

现在转到图4A-4B，示出用于差别电容测量的本发明的测量系统10的另一具体但非限制性示例。在该示例中，测量装置14(其为基于电容的传感器)包括多个(大体上至少为两个)基本块的阵列——图中示出5个基本块B_1A-B_5A，每一个所述基本块都包括较小电极112(由R_XS表示)、较大电极114(由R_Xb表示)、接地电极116(由Grd表示)、以及附加电极或所谓的传输电极118(由T_x表示)。该块的较小电极和较大电极形成电极单元，其中，电极112和114中的每一个与电极118一起限定电容器单元。块B_1A-B_5A具有相同的构造且彼此等距，从而提供对应于两个相邻基本块之间的电容差值(关系)的容器内液位的预定等增量指示。

图4B更具体地阐释用于差别电容测量的基本块B_i的构造。该块B_i包括由较大测量电极和较小测量电极形成的电容单元C，所述较大测量电极和较小测量电极被设计成使得电极114的表面积显著大于电极112的表面积。按照下面的公式计算电容器112-118与114-118之间的电容的差值(C_Rx)：

C_Rx＝C_Rxb-C_Rxs

C_Rxb和C_Rxs的值相对于传输电极118进行测量，随后彼此相减以便接收电容差别值。由于电容显著地随着诸如温度变化的环境状况变化，而该块的两个电容器都暴露于相同的环境，因此，差别电容的测量能够消除由环境状况引起的电容变化。

图5为适于在上述测量装置中使用的基本块的示意电路图的示例。如上所示，基本块的较小电极112和较大电极114以及共用的传输电极都被连接到CPM核心(控制单元)，所述CPM核心将测得的差别电容转化成指示容器中液位的增量值，例如20％、40％、60％等等。CPM核心例如可以以数字的方式将计算的液位增量值传输到装置的显示单元(未示出)或外部单元，从而能够向使用者指示容器中的液位。可替换地或另外地，该值被传输给装置的控制台(未示出)，其中，根据由测量装置测得的液位来启动向容器中填充液体或从容器中排出液体。

Claims (16)

1.一种用于测量装置附近的液位的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括具有预定数目的预定几何形状的基本块的基于电容的液位传感器，所述基本块包括至少一对电容器，所述至少一对电容器在它们的电容之间具有预定的关系，因此，沿着所述装置的所述关系的差别变化指示所述装置附近的液位状况。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述基于电容的液位传感器包括具有纵向轴线并载有限定所述至少一对电容器的电极布置的细长结构。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述电极布置由一起限定所述基本块的所述至少一对电容器的至少一个电极单元和附加电极形成。

4.根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于，所述电极布置由一起限定所述基本块的所述至少一对电容器的至少一个电极单元和附加电极形成，形成所述基本块的所述电极单元和所述附加电极之间的关系为所有的所述基本块共用。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述电极布置限定至少一个基本块。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述电极单元包括具有不同几何形状的第一电极和第二电极，以使所述第一电极和第二电极中的其中一个的表面积在沿着所述纵向轴线的方向上增加，而所述第一电极和第二电极中的另一个的表面积在所述方向上减小，从而形成所述第一表面积和第二表面积之间的比值的特定分布曲线，所述单元的第一电极和第二电极中的每一个与所述附加电极一起形成所述至少一对的第一电容器和第二电容器，沿着所述轴线的第一电容器和第二电容器的电容值之间的比值变化的位置指示液位变化。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述附加电极包括位于所述至少一个单元的相对侧处的第一电极部分和第二电极部分，所述第一电容器和第二电容器分别由所述单元的第一电极和所述附加电极的第一部分与所述单元的第二电极和所述附加电极的第二部分形成。

8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括沿着所述纵向轴线以间隔开的方式布置的两个或多个所述基本块的阵列。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述基本块中的每一个都与所述附加电极的第一部分和第二部分的相应的第一段和第二段相关联。

10.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述电极布置限定至少两个基本块。

11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述电极单元包括具有不同表面积的第一电极和第二电极，由此为所述预定关系的基本块的所述至少一对电容器的电容器提供不同的电容，沿着所述轴线的相邻基本块的电容间的差值的变化位置指示液位变化。

12.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置被构造成并可操作成提供在沿着所述纵向轴线的方向上指示电容值的关系的测量数据，由此能测定所述比值的变化位置并测定所述容器中的液位。

13.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所示细长结构包括基本上平坦的基底，所述电极布置是印在所述基底的表面上的图案。

14.根据权利要求13所述的测量装置，其特征在于，所述细长结构被构造成使得当所述结构位于液体容器附近投入运行时，所述纵向轴线沿着所述液体容器中的液位变化的大体方向延伸。

15.一种测量系统，其特征在于，所述测量系统包括根据权利要求1或2所述的测量装置以及包括电子电路的控制单元，所述电子电路被构造成并可操作成用于分析所述测量数据并产生指示容器中的液位的输出数据。

16.根据权利要求15所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括一体的尺状结构，所述一体的尺状结构被构造成附接到液体容器的表面上且载有所述测量装置和所述控制单元。

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